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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 醫學工程學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/70711
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DC 欄位值語言
dc.contributor.advisor呂東武(Tung-Wu Lu)
dc.contributor.authorJia-Da Lien
dc.contributor.author李佳達zh_TW
dc.date.accessioned2021-06-17T04:35:45Z-
dc.date.available2028-12-31
dc.date.copyright2018-08-13
dc.date.issued2018
dc.date.submitted2018-08-09
dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/70711-
dc.description.abstract基於立體攝影術量測人體動作已發現黏貼在皮膚表面的反光球相對其下骨頭的位移,是動作分析中主要的誤差來源之一,稱之為Soft tissue artefacts (STA)。欲利用立體攝影術分析自行車運動亦受此誤差影響無法達到準確的量測,而現今亦缺乏對自行車運動系統性的STA分析結果限制了結果的正確解讀。為了精確的量測關節運動,使用受試者個人化模型結合雙平面動態X光的對位技術量測是目前較好的做法,然而現今並沒有針對臨床常見交替式拍攝的雙平面系統提出適合的對位技術。因此,本研究旨在發展與驗證可應用於雙平面交替式動態X光影像系統之比對技術,並結合立體攝影術的拍攝結果應用在量化自行車運動時的STA,其及對估算骨頭方位、計算膝關節運動學與力動學參數之影響。
本研究提出了三交替影像對位法的比對流程,針對僅雙平面系統與結合輔助量測系統的拍攝條件設計三種運動學模型(等速度運動學模型、剛體運動學模型與類剛體運動學模型)搭配三交替影像對位法用以預測前後影格的骨頭方位,經試體實驗驗證不同速度與運動模式下的對位結果,對比於單平面與雙平面對位,三種運動學模型在動態過程皆有良好的對位結果,所提出基於等速度運動學模型的快速修正演算法已經可以降低單平面對位89%的出平面誤差量,讓三維對位誤差降至小於0.7 mm。經最佳化收斂後三種運動學模型的誤差結果可達到比擬同步雙平面的對位結果,並應用剛體運動學模型量測活體膝關節運動以量化自行車的STA。
自行車運動大腿上的反光球比起小腿有更多的STA,而且更容易受到踩踏阻力的影響。STA會隨著鄰近關節角度的改變而跟著變化,小腿多呈線性大腿則以非線性居多。黏貼在近關節處的反光球比近肢段中段處的反光球有更大的移動範圍,但卻有較小的變化量。估算肢段方位上,STA對大腿及小腿主要造成剛性移動與旋轉,非剛性移動較小。非剛性移動範圍的大小不能代表該反光球組所估算骨頭方位的準確度。力學分析上,阻力並不影響關節角度的誤差範圍,使用兩組反光球組分開計算肢段的方向與位置,有助於同時降低關節角度與力矩的誤差範圍。
本研究建構的方法有助於臨床系統與研究結合,量化的自行車STA結果有助於未來自行車運動的結果解讀,收取的實驗資料將可供後續相關研究使用。
zh_TW
dc.description.abstractSoft tissue artefacts (STA) have been recognized as a major source of error as applying stereophotogrammetry for human movement analysis. It not only affects the measurement of cycling motion but also limits interpretation of the results from the stereophotogrammetry-based measurement system. Currently, study of STA absent detailed, substantial results which provide guidelines for properly interpret results of cycling. 2D-3D subject-specific model-based registration method combined with biplane fluoroscopy is considered as a non-invasive accurate measurement method. However, the technique design for alternating exposures used in clinical system is not been proposed yet. Therefore, the study aims to develop 2D-3D registration methods for alternating biplane fluoroscopy and used to quantify soft tissue artefacts in the lower limb and their effects on mechanical analysis of the knee during pedalling.
A tri-alternating images registration method is proposed combined with three kinematic models (constant speed, rigid and quasi-rigid) which help to predict bone pose of the adjacent frame under sole biplane fluoroscopy or combined with assistant measurement system conditions. The methods were verified by a cadaver study. Compare to single plane and pseudo biplane registration results, fast correction algorithm based on constant speed model already decreased 89% of out-of-plane errors and the target registration error eventually less than 0.7 mm. Performance of three models were comparable to the synchronized biplane registration. The rigid kinematic model was adopted for subsequence in vivo STA quantification during pedalling.
Compare to the shank markers, the thigh markers showed greater STA and were affected more by pedal resistance. The STA varied with angles of the adjacent joints, largely linearly for shank markers while non-linearly for thigh markers. Markers near a joint experienced greater ranges of STA than mid-segment markers, but tended to have smaller variation. To estimate bone pose, STA produce greater rigid translations and rotations than the nonrigid component. Range of norigid component may not able to represent accuracy of the marker cluster used to estimate bone pose. On mechanical analysis, calculated joint angles were not affected by different resistant condition. Hybrid two marker clusters to estimate bone orientation and position separately help to reduce error of calculated joint angles and moments.
The method developed in the study help to apply clinical sytem for measuring accurate bone kinematics. Results of STA during pedalling help other cycling study and the experiment data will be useful for the further studies.
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2021-06-17T04:35:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2018
en
dc.description.tableofcontents致謝 II
摘要 III
ABSTRACT IV
目錄 VI
圖目錄 XI
表目錄 XX
第壹章 研究背景 1
1.1 自行車運動 1
1.1.1 量測膝關節運動學 1
1.1.2 侵入式量測方法 1
1.1.3 醫學影像量測 2
1.1.4 光學式立體攝影術 2
1.2 軟組織移動誤差 3
1.3 三維動態X光比對技術 3
1.3.1 單平面對位 4
1.3.2 雙平面對位 4
1.4 研究目的 5
第貳章 開發雙平面交替式動態X光比對技術 6
2.1 綜述 6
2.2 三交替影像對位法(TAIR) 8
2.3 等速度運動學模型 12
2.3.1 核心概念 12
2.3.2 出平面方向位移修正 14
2.3.3 出平面旋轉修正 18
2.3.4 三交替影像對位法 22
2.4 剛體運動學模型 24
2.5 類剛體運動學模型 26
2.5.1 特殊條件 28
2.6 自動對位 31
2.7 搭配輔助量測系統之演算法改良 33
2.7.1 剛體運動學模型 33
2.7.2 類剛體運動學模型 36
2.7.3 特殊條件 39
2.8 總結 40
第參章 驗證雙平面交替式動態X光比對技術 42
3.1 試體準備 42
3.2 實驗流程 44
3.3 資料分析 47
3.3.1 資料前處理 47
3.3.2 取得校正參數暨重建投影 48
3.3.3 評估量測系統的準確性 49
3.3.4 不同二維/三維對位方法之比較 49
3.3.5 量化誤差 53
3.3.6 誤差相關性分析 56
3.3.7 統計方法 58
3.4 量測系統準確性評估與標準答案(GOLD STANDARD) 59
3.4.1 量測系統的準確性(結果) 59
3.4.2 量測系統的準確性(討論) 61
3.4.3 定義標準答案(Gold Standard) 64
3.4.4 研究限制 68
3.5 分析結果 69
3.5.1 直接法與標準答案 93
3.5.2 三維對位誤差 93
3.5.3 骨頭方位參數誤差與膝關節運動學參數誤差 96
3.5.4 誤差分佈 99
3.5.5 相關性分析 100
3.6 討論 102
3.6.1 直接法與標準答案 102
3.6.2 僅使用雙平面動態X光系統量測條件 103
3.6.3 雙平面動態X光系統搭配輔助量測系統量測條件 107
3.7 研究限制與建議 111
3.8 結論 113
第肆章 量化軟組織移動誤差 115
4.1 綜述 115
4.2 實驗材料與流程 116
4.2.1 自行車運動評估訓練平台 116
4.2.2 動作捕捉系統 118
4.2.3 系統校正物 119
4.2.4 實驗流程 132
4.3 資料分析 134
4.3.1 CT模型至動態X光二維/三維對位 134
4.3.2 曲柄旋轉角度 135
4.3.3 解剖座標系統定義 136
4.3.4 計算關節角度 139
4.3.5 量化軟組織移動誤差 139
4.3.6 肌肉電訊號處理 140
4.3.7 分析變數 142
4.3.8 統計分析 142
4.4 結果 145
4.4.1 踩踏週期整體性誤差 165
4.4.2 一般性型態與阻力條件間的差異 165
4.4.3 週期內STA的變異性 166
4.5 討論 166
4.6 結論 169
第伍章 量化軟組織剛性與非剛性移動誤差 170
5.1 綜述 170
5.2 材料與方法 174
5.3 資料分析 175
5.3.1 資料前處理 175
5.3.2 反光球組幾何變換模型 175
5.3.3 量化反光球組最大誤差範圍 178
5.3.4 剛性位移旋轉與非剛性移動的貢獻度 179
5.3.5 等向性指數 180
5.3.6 統計分析 181
5.4 結果 181
5.4.1 反光球組最大誤差範圍 195
5.4.2 剛性位移、旋轉與非剛性移動的貢獻度 195
5.4.3 相關性分析結果 196
5.4.4 特徵反光球組的STA量化結果 197
5.5 討論 199
5.5.1 STA對使用反光球組估算骨頭方位的影響 199
5.5.2 剛性位移、旋轉與非剛性移動的貢獻度 200
5.5.3 剛性位移、旋轉範圍與非剛性移動範圍彼此間的相關性 201
5.5.4 特徵反光球組的STA 201
5.6 結論 203
第陸章 軟組織移動對計算關節運動學與力動學參數之影響 204
6.1 綜述 204
6.2 材料與方法 205
6.3 資料分析 206
6.3.1 量化膝關節最大誤差 206
6.3.2 廣義足底壓力中心 207
6.3.3 逆向動力學分析 212
6.3.4 統計分析 214
6.4 結果 215
6.4.1 真實膝關節最大活動範圍 215
6.4.2 關節運動學與力動學參數最大誤差範圍 215
6.4.3 特徵反光球組的關節參數誤差 218
6.5 討論 222
6.5.1 STA對計算關節運動學與力學參數的影響 222
6.5.2 特徵反光球組對關節參數的誤差結果比較 223
6.6 結論 224
第柒章 結論與建議 225
7.1 結論 225
7.2 建議與未來研究 228
7.2.1 二維/三維影像對位技術 228
7.2.2 軟組織移動誤差研究的現在與未來 229
7.2.3 未來應用 230
參考文獻 231
dc.language.isozh-TW
dc.title開發交替式動態X光二維/三維對位方法以量化自行車踩踏時下肢軟組織移動誤差及其對膝關節力學分析之影響zh_TW
dc.titleDevelopment of 2D-3D Registration Methods for Alternating Biplane Fluoroscopy to Quantify Soft Tissue Artefacts in the Lower Limb and Their Effects on Mechanical Analysis of the Knee During Pedallingen
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear106-2
dc.description.degree博士
dc.contributor.oralexamcommittee陳文斌(Weng-Pin Chen),周立善(Li-Shan Chou),陳祥和(Hsiang-Ho Chen),許弘昌(Horng-Chaung Hsu)
dc.subject.keyword膝關節,運動學,三維動態X 光,交替式,軟組織移動誤差,力學分析,zh_TW
dc.subject.keywordknee,kinematics,3D fluoroscopy,alternating,soft tissue artefacts,mechanical analysis,en
dc.relation.page243
dc.identifier.doi10.6342/NTU201802386
dc.rights.note有償授權
dc.date.accepted2018-08-09
dc.contributor.author-college工學院zh_TW
dc.contributor.author-dept醫學工程學研究所zh_TW
顯示於系所單位:醫學工程學研究所

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