一種骨折復位訓練模型角度檢測裝置及其方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器檢測及醫學教學領域，具體指對固體斷面兩端位置復原效果 (如模擬骨折復位、固定)的檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 骨折的復位與固定是一項重要的醫學課題。輕度的骨折可以通過手法復位，并進 行適當的固定，以保證骨骼的愈合及運動功能的恢復，嚴重的骨折需要手術復位。對于骨科 醫生來說，不管是手法復位還是手術復位，都需要積累相當的經驗才能更好地實施。而現有 的對醫護人員進行的骨折固定復位訓練基本是通過書本講解、觀看解剖模型、正常人身體 上模擬訓練、積累對病人處理經驗等方式。由于初學者缺乏經驗，在正常人身上又無法得到 骨折時的處理經驗，而通過在病人身上積累經驗一方面易對病人造成更多不必要的痛苦， 病人不易接受；另一方面對一些不常見的病例難以獲得經驗。近年來興起的模擬人技術則 有望解決這個問題，通過模擬人實體模型對人體解剖結構和病癥的模擬，使得受訓者能夠 重復得到接近真實病例的體驗，同時通過一定的傳感技術實時檢測操作信息并傳遞給受訓 者，從而構建一個人-機閉環的訓練系統，為相關醫學技術的培訓提供了科學可靠的平臺。
[0003] 專利公開號為CN101984327A的專利文獻中公布了一種采用加速度計組合對骨折 模型角度進行檢測的裝置與方法。其檢測裝置體積小巧，方便安裝，基本不影響斷裂物的外 形和相關操作;首次采用柵格觸點式變阻器作為兩點間距離傳感裝置，檢測分離移位、縮短 移位，特別是側方移位的復位情況;斷面復原的旋轉、成角、縮短、分離、側方移位等均能得 到實時的檢測，并能夠通過智能評估軟件對復原效果給出實時的數值量化判斷，大大提高 了模型的訓練效果。
[0004] 但是，僅僅使用加速度計來進行角度檢測存在一些問題。
[0005] -是，角度檢測的精度有限。雖然檢測精度有較大的提高，但是該技術方案采用加 速度計來測角度一方面采用的是近似計算，在角度較小時精度尚可，角度較大時誤差增大； 另一方面，該技術方案檢測角度存在一定的盲區，即在某些特定條件(如加速度計的兩個軸 與重力方向垂直)下，檢測誤差急劇增大，方法失效。為了避免這一情況，必須對使用該方法 進行檢測進行諸多限制，包括傳感器安裝、骨折復位訓練的流程等等都必須按照特定方式 執行。
[0006] 二是，只能對靜態角度進行檢測，而骨折復位訓練過程是一個動態過程，在骨骼運 動過程中，該方法不能準確進行檢測。
[0007] 三是，檢測時使用流程繁瑣，可操作性差。由于檢測方法本身的缺陷，利用相關裝 置和方法進行訓練時，必須依照相應的使用流程，而判斷角度的流程相對復雜繁瑣，可操作 性較差。
【發明內容】
[0008] 針對現有技術，本發明提供一種精度更高、使用更方便的骨折復位模型角度動態 檢測方法，該方法可以為骨科醫生的采用人體模型進行骨折復位訓練提供更加精確、快捷 的評估，該方法也可用于骨科病人主動式康復訓練。
[0009]為了解決上述技術問題，本發明提出的一種骨折復位訓練模型角度檢測裝置，包 括骨骼模型和六軸慣性傳感模塊，所述骨骼模型具有骨折斷裂處，所述骨折斷裂處將骨骼 模型分為第一部分實體和第二部分實體，所述第一部分實體的骨折斷裂處的端面為第一斷 裂端面，所述第二部分實體的骨折斷裂處的端面為第二斷裂端面，該檢測裝置還包括兩個 六軸慣性傳感模塊，兩個六軸慣性傳感模塊包括第一六軸慣性傳感模塊和第二六軸慣性傳 感模塊，所述第一六軸慣性傳感模塊安裝在第一部分實體上、且靠近第一斷裂端面的一端， 所述第二六軸慣性傳感模塊安裝在第二部分實體上、且靠近第二斷裂端面的一端;每個六 軸慣性傳感模塊包括一個三軸加速度計和一個三軸磁場計，每個六軸慣性傳感模塊由一個 集成有所述三軸加速度計功能和三軸磁場計功能的一個電子芯片構成或是由兩個分別具 有三軸加速度計或者三軸磁場計的獨立電子芯片組合而成;所述三軸加速度計的XYZ軸和 三軸磁場計的XYZ三軸方向分別兩兩一致。
[0010]本發明中一種骨折復位訓練模型角度檢測方法，是利用上述骨折復位訓練模型角 度檢測裝置，上位機可接收第一六軸慣性傳感模塊和第二六軸慣性傳感模塊采集到的數據 計算成角和旋轉角從而實現靜態角度檢測;根據所述成角與旋轉角的計算結果實時檢測成 角移位和旋轉移位，從而用于指導骨折復位訓練；
[0011]所述成角是指所述骨骼模型的第一部分實體的長度方向中心軸和第二部分實體 的長度方向中心軸之間小于180°的夾角Θ，設骨骼模型長度方向的中心軸與三軸加速度計 和三軸磁場計的X軸方向一致，則該夾角Θ的計算公式為：
[0013]公式（1)中，= 為第一六軸慣性傳感模塊的Χι軸在GHE坐標系 下的坐標；XlGHE = 為第二六軸慣性傳感模塊的X2軸在GHE坐標系下的坐標； GHE坐標系為根據重力、磁場在第一六軸慣性傳感模塊和第二六軸慣性傳感模塊上的作用 通過坐標變換建立的一個空間絕對坐標系;其中：xig、xih、和Xle3分別表示第一六軸慣性傳感 模塊的X軸數據在GHE坐標系中G軸、Η軸和E軸方向上的分量數值， X2g、X2h和x2e分別表示第二 六軸慣性傳感模塊的X2軸數據在GHE坐標系中G軸、Η軸和E軸方向上的分量數值；
[0014]所述旋轉角是指所述骨骼模型上第一斷裂端面繞第一六軸慣性傳感模塊的乂:軸 旋轉角度及第二斷裂端面繞第二六軸慣性傳感模塊的Χ2軸旋轉角度之差；
[0015] Τ=Α2_Α1 (2)
[0016] 式(2)的計算可以通過X軸與Υ、Ζ軸中任意一個軸的數據進行計算;我們以采用Ζ軸 數據進行計算為例Α1是參考軸X。與第一六軸慣性傳感模塊的Zi軸的夾角，Α2是參考軸X。與 第二六軸慣性傳感模塊的Z 2軸的夾角；
[0019]式(3)和式(4)中，所述參考軸X。為第一六軸慣性傳感模塊的心軸與第二六軸慣性 傳感模塊的x2軸的叉乘，即Xc-XiXXh所述參考軸Xc與第一六軸慣性傳感模塊的心軸垂直， 所述參考軸X。與第二六軸慣性傳感模塊的x2軸垂直，所述參考軸X。與第一六軸慣性傳感模 塊的Zi軸及第二六軸慣性傳感模塊的辦軸在同一個平面內。
[0020] 本發明中還提出了另外一種骨折復位訓練模型角度檢測裝置，包括骨骼模型和九 軸慣性傳感模塊，所述骨骼模型具有沿骨骼模型長軸設置的中心軸和骨折斷裂處，所述骨 折斷裂處將骨骼模型分為第一部分實體和第二部分實體，所述第一部分實體的骨折斷裂處 的端面為第一斷裂端面，所述第二部分實體的骨折斷裂處的端面為第二斷裂端面，該檢測 裝置還包括兩個九軸慣性傳感模塊，該檢測裝置還包括兩個九軸慣性傳感模塊，兩個九軸 慣性傳感模塊包括第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊，所述第一九軸慣性傳 感模塊安裝在第一部分實體上、且靠近第一斷裂端面的一端，所述第二九軸慣性傳感模塊 安裝在第二部分實體上、且靠近第二斷裂端面的一端;每個九軸慣性傳感模塊包括一個三 軸加速度計、一個三軸磁場計以及一個三軸陀螺儀，每個九軸慣性傳感模塊由一個集成有 三軸加速度計、三軸磁場計以及三軸陀螺儀三個功能的電子芯片構成或是由三個相互獨立 功能的電子芯片構成，或是任意兩個功能的集成電子芯片與第三個獨立功能的電子芯片的 組合;所述三軸加速度計、三軸磁場計以及三軸陀螺儀的XYZ三軸方向均完全一致;所述骨 骼模型的中心軸與三軸加速度計的任意一個軸方向一致。
[0021] 與上述一種骨折復位訓練模型角度檢測裝置對應的檢測方法中所涉及到的成角Θ 是指所述骨骼模型的第一部分實體的長度方向中心軸和第二部分實體的長度方向中心軸 之間小于180°的夾角;旋轉角T是指所述骨骼模型上第一斷裂端面繞第一九軸慣性傳感模 塊的Xi軸旋轉角度及第二斷裂端面繞第二九軸慣性傳感模塊的x 2軸旋轉角度之差，該檢測 方法包括以下步驟：
[0022] 步驟一、初始化，包括:零點設置、動態數據校正定時器設定和姿態四元數初始化 計算;其中：零點設置:按照將第一部分實體的第一斷裂端面與第二部分實體的第二斷裂端 面重合，兩個實體形成未斷裂的完整的骨骼模型時，第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣 性傳感模塊的ΧΥΖ軸兩兩一致的位置進行安裝，此時兩個九軸慣性傳感模塊成角、旋轉角均 為零;或:任意安裝第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊之后，再將骨骼模型復 位，靜止狀態下記錄第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊的姿態，再通過姿態 變換，使第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊的ΧΥΖ軸兩兩一致，即通過計算將 成角、旋轉角歸零;動態數據校正定時器設定:設定在動態下成角和旋轉角角度計算時，定 時采用第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊中三軸加速度計、三軸磁場計數據 校正的時間間隔；姿態四元數初始化計算:將上述零點設置完成后的第一九軸慣性傳感模 塊和第二九軸慣性傳感模塊的姿態與參考的絕對坐標系對比，計算將該姿態下第一九軸慣 性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊自身ΧΥΖ坐標系轉換到絕對坐標系的姿態轉換四元數 qi 和 q2;
[0023] 步驟二、數據采集:從第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊采集到三 軸加速度、三軸磁場強度、三軸角速度數據；
[0024]步驟三、判斷當前骨骼模型的狀態：當步驟二采集到的三軸加速度、三軸磁場強度 和三軸角速度的數據同時滿足下述公式(5)、公式(6)、公式(7)和公式(8)的條件時，則判定 該骨骼模型是處于靜態，否則，判定該骨骼模型是處于動態；
[0029] 式(5)至式(8)中，Ml是第一九軸慣性傳感模塊的加速度閾值，M2是第二九軸慣性 傳感模塊的加速度閾值，N1是第一九軸慣性傳感模塊的角速度閾值，N2是第二九軸慣性傳 感模塊的角速度閾值，a xl，ayl，azl分別表示第一九軸慣性傳感模塊中三軸加速度計Xi，Yi，Zi 軸加速度值，ax2，ay2，az2分別表示第二九軸慣性傳感模塊中三軸加速度計X 2，Y2，22軸加速度 值，vxl，v yl，^分別表示第一九軸慣性傳感模塊中三軸陀螺儀Xi，Yi，Zi軸角速度值，vx2，vy2， vz2分別表示第一九軸慣性傳感模塊中三軸陀螺儀X2，Y2，Z 2軸角速度值；
[0030] 步驟四、根據步驟三的判斷結果實現角度的實時測量有下述兩種情形之一：
[0031 ] -種情形是:骨骼模型是處于靜態時，角度測量的步驟如下：
[0032]步驟1-1、上位機接收第一九軸慣性傳感模塊和第二九軸慣性傳感模塊中的三