利用图像序列和人体模型重构人体的三维运动

利用图像序列对人体运动进行重构是人体运动分析研究中的一项关键技术。在直接线性变换技术以及人体生物力学模型的基础上，给出了用单个固定摄像机所拍摄的运动图像序列进行了人体运动空间重构的方法。本文提出了一种新的摄像机标定方法，根据实际情况可以选择世界坐标系以简化定标工作。对一段人体运动录像进行了重构计算，将计算结果和试验测试结果进行了比较，二者吻合良好。对该方法的优缺点进行了分析论述。     

中,下部颈椎的三维运动

在5例新鲜颈椎(C3～T1)上,通过施加最大载荷为2.34N.m 的纯扭矩,使颈椎产生前屈、后伸、右/左侧弯、左/右旋转等运动。每一种运动均进行3次加载/卸载循环,在第3次分级加载时测量椎体的运动。得到的主要参数有:中性区 NZ(Neutral zone);弹性区 EZ(Elastic zone);脊椎运动范围 ROM(Rangeof motion)。分析结果表明:中、下部颈椎各节段的前屈运动和侧弯运动的幅度都从上至下依次减小,其中前屈运动为8.4°～4.0°,侧弯运动为6.4°～3.0°;C3～C7各节段后伸运动幅度较接近,为3.7°～3.2°,而 C7～T1为2.1°;各节段的旋转运动幅度也很接近,为7.4°～6.7°。     

人手三维运动检测系统

提出了一种基于普通摄像机的人手三维运动检测系统,它包括两部普通摄像机、标定架和标志点识别子系统等。该系统采用直接线性变换（ＤＬＴ）算法、可以对人手运动进行可靠的三维检测。本文叙述了该系统的工作原理以及测试实验,测试结果显示了该系统良好的三维运动检测性能。本系统的研制为更好地进行人体运动质量的分析和评价,更有效地揭示了人体运动规律提供了经济方便的实验手段和研究途径。     

血管造影图像序列中冠状动脉的三维运动估计

提出了由两个角度的单面血管造影图像序列估计冠状动脉骨架树三维运动的算法。首先对冠状动脉造影图像序列进行二维预处理和二维运动估计。然后根据冠脉造影系统的透视投影模型得到两幅不同角度的造影图像之间的几何变换关系，以及空间点三维坐标的计算方法。最后，在对整个图像序列进行分析的过程中，将三维运动估计与重建结合起来，得到各骨架点的三维运动向量。采用临床得到的冠状动脉造影图像序列对算法进行了验证，并分析了误差源。     

脊柱三维运动分析和颈椎稳定性的实验研究

本文研制了基于双平面立体测量和计算机图像处理的脊柱三维运动的分析系统，该系统可以确定椎体的空间位置和节段间的线位移和角位移。颈椎双侧小关节切除可导致颈椎不稳定，需植骨融合或内固定。本文对Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定进行了生物力学评价，作为恢复稳定性的一个指标，为临床上选择合适的固定形式提供依据。在９具新鲜成人颈椎标本（Ｃ３－Ｔ１）上、对双侧７５％小关节切除后失稳的Ｃ４－５节段，安放了Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹和棘突钢丝固定，通过脊柱三维运动稳定性评价方法，评价它们重建颈椎稳定性的即刻效果。本文研究表明：（１）Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹能够在前屈、后伸和侧弯运动方向上加强节段的稳定性，恢复节段的轴向旋转运动的稳定性；（２）棘突钢丝固定在前屈运动方向上可加强节段的稳定性，可恢复节段在后伸、侧弯和轴向旋转运动方向上的稳定性；（３）棘突钢丝固定后节段的前屈、后伸和侧弯运动范围均大于Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹固定后的运动范围，尤其是在限制前屈运动时，Ｈａｌｉｆａｘ椎板夹的固定作用更为明显，但两者限制颈椎轴向旋转运动的能力相近。     

脊柱三维运动实验加载方式的改进

目的:改进三维运动实验的加载方式。方法:新鲜羊腰椎标本6例(L1~5),置于脊柱三维运动实验机上进行六个自由度的运动。两次预加载后依次对标本进行3、0、0.3Nm的加载,并采集三种加载时的运动图像。3Nm加载及0加载的图像作为传统加载方式计算出脊柱的运动范围及中性区,3Nm加载及0.3Nm加载的图像作为新的加载方式计算出新的脊柱运动范围及中性区,再对两种计算方法得出的运动范围及中性区进行配对t检验,计算两种方法各自的变异率,并进行配对t检验。结果:两种方法得到的运动范围之间不存在差异(P=0.105),但中性区之间存在显著性差异(P=0.013)。采用新的加载方式得到的运动范围的变异系数比以往的方法要小得多(P<0.001)。结论:采用新的加载方式可以得到较为准确的脊柱运动的运动范围。     

冠状动脉的三维运动特征提取

提出一种根据X射线造影图像序列提取冠状动脉血管三维运动特征的方法.首先对由两个角度的造影图像重建得到的三维血管骨架进行运动估计,计算出两个时刻间骨架上各点的三维运动向量.然后结合心脏解剖和运动的先验知识,对血管运动进行定性分析,如位移方向、振幅及运动模式.提取、解释运动信息,并采用符号表达,方便医生进行观察和分析.最后给出了对临床得到的造影图像序列进行实验的结果.     

光学三维运动捕捉系统用于生物力学测试的精准度分析

背景:光学三维运动捕捉系统无论在生理还是病理、体外或体内实验以及医疗或生活方面均应用广泛,但尚无研究客观分析该系统精准度及其影响因素。目的:建立光学三维运动捕捉系统,分析其应用于生物力学测试的精准度及影响因素。方法:首先,安装光学三维运动捕捉系统摄像机为半弧形高低交替位置,捕捉静止标记点18组坐标数据,每组400个坐标值,计算出系统精密度。应用机械臂完成沿坐标轴X、Y和Z轴方向运动,所得的坐标数据经MATLAB处理计算出运动距离(测量值)。然后,以电子千分尺为实际值基准,计算运动捕捉系统的准确度。最后,根据前述精准度测试方法分别在不同运动方向、各个坐标轴、有无室内照明、不同相机数目、不同Marker尺寸材质和不同相机位置变量下,应用单因素方差分析系统的精准度是否有差异。结果与结论:(1)光学式三维运动捕捉系统摄像机为半弧形交替摆放时,X、Y和Z轴坐标精密度分别为5.00,10.26,5.50μm,沿X、Y和Z轴运动的准确度分别为15.58,20.69,12.24μm;(2)随着摄像头从单面形到环状,精密度逐渐增加,呈环形摆放时精密度最优;(3)室内有无开始照明灯对系统的精准度无明显影响...     

枕颈部三维运动范围的测量

目的：研究枕颈部正常的三维运动范围，为枕颈部不稳分析和治疗提供生物力学基础。方法：运用脊柱三维运动测量分析系统，对１１具成人新鲜枕颈部标本的三维运动范围进行测试。结果：寰枕关节的前屈、后伸、左／右侧屈、左／右轴向旋转运动范围分别是：１１．７°、９．６°、２．８°／２．７°、６．９°／５．４°；寰枢关节分别为：８．９°、５．９°、３．４°／４．２°、３７．５°／３８．７°；寰枢关节中性区为２７．４°，占主运动范围的７１．７％；枕颈部与脊柱其它部位相比，主运动时伴有更明显的藕合运动，屈伸、侧屈时伴有比主运动范围更大的藕合旋转运动，分别为１０．５°、１４．３°。结论：脊柱三维测试分析系统不仅能对枕颈部的三维运动范围进行精确的测量，且能反映枕颈部三维运动的特点。     

脊柱三维运动测试实验装置的研制

目的研制一套模拟人体脊柱在体运动的离体加载装置,进行脊柱生物力学实验研究。方法利用轴承原理,在加载盘上设计安装旋转锁定装置,加载时旋转于所需测试位置后用螺栓锁定状态,再通过万能材料试验机提供自动加载动力源,在脊柱标本上施加前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转6个方向的纯力矩,模拟脊柱的在体运动,并用三维扫描仪对脊柱标本加载前后位置进行扫描测量。利用该加载装置对6具1岁龄猪颈椎(C2-C6)在6种加载状态下进行运动范围测量,并对该加载装置进行精度验证和误差分析。结果建立了一套人体脊柱三维运动实验装置,6具猪颈椎标本经加载测量得到6个方向的中性区和活动范围数据,总测量误差值小于3.5%。结论该装置巧妙的设计较好地模拟了脊柱在体运动,可实现人体脊柱的快速加载,费用低、方法简单实用,能大大提高实验的效率,在脊柱的离体加载方面具有较大的推广应用价值。     

一种新型颈前路钢板的三维稳定性生物力学评价

目的：对利用颈前路蝶型钢板（CSBP）进行固定的颈椎标本进行三维稳定性分析,进而对颈前路蝶型钢板（CSBP）作出生物力学评价。方法：14具颈椎标本随机分为A、B两组,测量两组正常颈椎在2.0Nm载荷下的运动范围（ROM）;将两组颈椎制作成三柱不稳定模型,分别以CSBP和Orion钢板固定。测量两组颈椎的ROM。结果：CSBP和Orion钢板均能显著降低颈椎各方向上的ROM（P＜0．05）,在前屈、后伸方向最大。应用CSBP钢板,前屈、后伸ROM较正常颈椎分别降低66％、60％;应用Orion钢板分别降低72％、71％;两种钢板在重建颈椎稳定程度上无明显差异（P＞0．05）。结论：CSBP的生物力学稳定作用较好。     

Validation of a Finite Element Model of the Young Normal Lower Cervical Spine

A Finite Element Model (FEM) of the young adult human cervical spine has been developed as a first step in studying the process of spondylotic degeneration. The model was developed using normal geometry and material properties for the lower cervical spine. The model used a three-zone composite disc annulus to reflect the different material properties of the anterior, posterior, and lateral regions of the annulus. Nonlinear ligaments were implemented with a toe region to help the model achieve greater flexibility at low loads. The model was validated against experimental data for normal, nondegenerated cervical spines tested in flexion and extension, right and left lateral bending, and right and left axial rotation at loads of 0.33, 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 Nm. The model was within in vitro experimental standard deviation corridors 100% of the load range for right and left lateral bending. The model was within 80% of the load response corridors for extension and flexion with a deviation <0.3° from the SD corridors. For axial rotation, the model was within 70% of the SD corridors for left axial rotation within 83% of right axial rotation responses. The deviation from SD corridors for axial rotation was generally <0.2°.     

基于普通摄像机的人体运动信息检测系统

介绍了一种新型基于普通摄像技术的人体运动信息检测系统。探讨了运用图像处理技术快速准确识别与跟踪关节位置标志点的方法,解决了影响系统检测精度和运行速度的关键问题。该系统用普通摄像机取代专用设备,降低了系统成本;使用操作方便,具有较高的精度,不仅适用于人体运动信息的检测,而且可用作其它较低速运动物体的运动图像检测与分析。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

Method of quantitative anatomical study of the dorsal neck muscles

Summary Biomechanical models of the cervical spine require knowledge of the position, size and orientation of the individual muscles that act on the cervical spine. We have developed a technique to stereometrically measure anatomical specimens. The apparatus is composed of three graduated metallic rods, which slide along a fixed support. This method is accurate to map the anatomy of individual muscles and provides quantitative data on their lines of action. Results are obtained from one specimen. The computer processing of the collected data allows formulation of a three-dimensional model of the neck muscles in man.

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Méthode d'étude anatomique quantitative des muscles de la nuqueEtude préliminaire

Résumé Pour élaborer un modèle biomécanique de la colonne cervicale, il faut connaître la position, la taille et l'orientation des différents muscles du cou. Nous avons mis au point une méthode de mesure stéréométrique sur des sujets anatomiques. L'appareil est composé de 3 axes métalliques gradués qui coulissent sur un support fixe. Cette technique permet une étude anatomique précise de chacun des muscles de la nuque, fournissant des données quantitatives sur les différents faisceaux ou lignes d'action. Les résultats sont obtenus sur un sujet. Leur traitement informatique permettra l'élaboration d'un modèle mathématique tridimensionnel des muscles du cou chez l'homme.

     

流固耦合分析颈椎生理活动对椎动脉血流动力学的影响

目的 建立椎动脉（vertebral artery, VA）流体有限元模型,进行流固耦合计算,以深入了解颈椎活动与VA血流流体力学之间生物力学关系。方法 基于正常人颈椎（C0~T1）及双侧椎动脉三维有限元模型,模拟颈椎前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转,观察颈椎活动对VA血管壁应力的影响,并通过流固耦合计算血管壁与流体相互作用,获取血流动力学参数。结果颈椎活动过程中,VA血管壁的最大应力通常集中在两侧C2横突孔处（入颅方向的第2个弯曲）,后伸和侧弯较旋转活动时血管壁最大应变最为明显,应变比值分别为23.04%和35.5%。侧弯活动时,血管最大应力位于对侧横突孔;旋转活动时,血管应变位于同侧横突孔。颈椎活动度方面,最低流速值几乎均出现在生理活动范围的30%~40%。颈椎前屈、后伸活动时,双侧VA流速-时间变化曲线相似,且在0.5 s内,都完成了2次流速增减的循环。侧弯时,同侧VA的波峰和波谷早于对侧VA出现;而旋转时,同侧VA的波峰和波谷晚于对侧VA出现。结论 双侧VA血管壁所受应力特点、血流速-时间变化曲线等结果能与其他实验结果相互验证,并能合理解释相关临床现象。建立的VA模型将为VA相关疾病研究提供较理想的平台。     

颈椎椎体次全切除，钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

目的 探讨利用螺旋 CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法,为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法 对健康成年男性志愿者进行CT 扫描,获得C4～C7节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics 9.1 软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform 软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys 9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys 9.0,在颈椎骨性模型的基础上,补建终板、补充建立终板、 椎间盘、 髓核、 前纵韧带、 后纵韧带、 黄韧带、 棘间韧带、 棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除,将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除,将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果 颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics 和有限元软件Ansys 9.0 , 成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论 建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本,可以进行临床和实验研究。     

基于实时三维超声图像的二尖瓣环重建及运动分析

二尖瓣环的非平面特性对二尖瓣返流的超声诊断和二尖瓣环成形术的合理设计具有重要意义.基于心脏的实时三维超声图像,我们研究了一种对二尖瓣环三维重建及运动分析的方法.首先通过人机交互方式提取出二尖瓣环的特征点,并根据位置关系对特征点排序,然后利用非均匀有理B样条曲线建立二尖瓣环三维形态模型,并编程实现二尖瓣环的动态显示和运动分析.通过对20组病例分析,初步证明此方法所建模型较准确反映患者的二尖瓣环的运动,能满足二尖瓣环三维可视化和分析研究的需要.     

猪、小牛与人颈椎的生物力学比较

目的 比较猪、小牛与人颈椎功能节段的生物力学,确定猪与小牛颈椎是否适合在脊柱体外研究中替代人的脊柱标本。方法取12具1岁龄,60~80 kg猪龄颈椎（颈0-胸1）,12具1周龄,40~50 kg小牛的颈椎（颈0-胸1）。12具标本分成两组,一组6具被分成C2-C3,C4-C5,C6-C7;另一组被分成C3-C4,C5-C6。每个功能节段（C2-C3,C3-C4,C4-C5,C5-C6,C6-C7）分别测试。连续测试前屈后伸、旋转、侧弯上的活动范围和中性区,并同已发表的人体颈椎活动度进行比较。结果中性区：在旋转和前屈后伸方向上,小牛和人颈椎的中性区比较相近,但远大于猪颈椎的中性区;在左右侧弯方向上,猪C2-C3为人的中性区69.7％,猪C6-C7约为人的中性区60.4％,余节段均相差较大;小牛颈椎与人颈椎在C2-C3上十分相近,余节段也相差较大。活动范围：在前屈后伸和左右侧屈上,猪与人颈椎的活动十分相近,均远小于小牛颈椎的活动度,约为其的50％;在旋转方向上,猪C2-C3约为人的69％,余节段均小于人颈椎;小牛颈椎远大于人颈椎,最相近的为C4-C5上,相差3.5°。结论猪的C2-C3,C6-C7的生物力学可以替代人颈椎进行各种方向生物力学实验;小牛颈椎的活动度普遍大于人,小牛C2-C3,C3-C4的生物力学同人比较相似。