[发明专利]一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法

权利要求书

1.一种个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线：获取人体膝关节在不同转动角度下的图像，提取图像上的人体膝关节的特征点，根据图像获得该特征点在人体膝关节转动时的轨迹曲线，根据轨迹曲线获得人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线；

S2、建立外骨骼数学模型：确定模拟人体膝关节的摇杆机构中的设计变量和设计变量之间的关系；

S3、确定摇杆机构设计的优化条件和约束条件；

S4、根据人体膝关节的结构参数确定模拟人体膝关节的摇杆机构中各设计变量的取值范围；

S5、从步骤S4的取值范围中取值，并根据该取值范围和步骤S3中的优化条件和约束条件，通过步骤S2建立的外骨骼数学模型计算摇杆机构各设计变量的最优值；

S6、模拟步骤S5得到的摇杆机构的瞬时转动中心轨迹曲线，并与步骤S1获取的人体膝关节瞬时转动中心轨迹曲线进行曲线拟合，调整摇杆机构各设计变量的参数直至得到最优值；

S7、根据步骤S6得到的最优值设计模拟人体膝关节的摇杆机构，以及与摇杆机构连接的膝关节外骨骼的其他部件。

2.根据权利要求1所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在步骤S1中，对穿戴者进行医学X线光束扫描拍摄获取CT图像，对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取，提取出膝关节特定角度下的股骨和胫骨轮廓，接着根据膝关节股骨轮廓特征确定胫骨上的特征点。

3.根据权利要求2所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，通过轮廓检测算子对获得的CT图像进行进行膝关节骨骼轮廓提取。

4.根据权利要求3所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，特征点的提取方法为：从转动角度为0°开始，以竖直线扫描方式从胫骨轮廓左端向右端索引，当检测到两个灰度值为255的像素定义为起始位置，相对起始位置扫描距离最远的两个像素点为特征点，靠近髌骨的为外突髁点，标记为E，另一点则为内突髁点，标记为F；接着以F点为原点，逆时针旋转30°进行直线索引，检测灰度值为255的点，该点为胫骨轮廓边缘点，为第三个特征点，标记为G；其他角度的图片只需要对扫描的竖直线补偿膝关节转动角度进行重复扫描即可确定各图片上胫骨的特征点位置。

5.根据权利要求4所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，人体膝关节瞬时转动中心的提取方法为：依据所拍摄的膝关节从0°转动至90°的CT图片，拟合出特征点E_i、F_i、G_i的轨迹曲线；分别做E_i、F_i、G_i的轨迹曲线在相同转动角度时的轨迹点处的法线，使E_i、F_i、G_i的法线两两相交，其中E_i点和G_i点的法线相交于O_i1，E_i与F_i点的法线相交于O_i2，F_i与G_i点的法线相交于O_i3，三角形O_i1O_i2O_i3的中心O_i即为该转动角度下胫骨相对股骨的转动中心，即为人体膝关节瞬时转动中心。

6.根据权利要求5所述的个性化定制的高顺应性膝关节外骨骼设计方法，其特征在于，在采集膝关节从0°转动至90°的CT图片时，采集间隔小于或等于10°。