CN101879057B - 三维头颅空间回复偏移测量系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

一种三维头颅空间回复偏移度测量系统，测试受试者的屈伸偏移度，旋转偏移度和侧曲偏移度，其特征在于，包括受试者戴的标记帽，标记帽的正上方水平位架设摄像头；摄像头通过数据线连接计算机的图像采集卡上；所述计算机对初始图像和回复图像四个标识点作标定；所述计算机自动进行转角计算；所述计算机将录入患者基本信息和临诊资料进行保存。本发明公开了其操作方法。本发明避免由于患者坐姿不稳或颈部不适造成的头部轻度水平平移引起的误差；可避免手工测量和计算的误差；易于建立被受试者资料和图像数据库，便于临床和科研使用。

Description

三维头颅空间回复偏移测量系统及操作方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统，具体设计一种用于三维头颅空间回复偏移测量系统。

背景技术

颈椎病是国际性多发病，其发病率占成人的60％，随着现代社会的发展，人们工作和生活方式也在发生着变化，这些改变带来的一个结果是，颈椎病发病率的逐年提高，在某些职业甚至高达90％以上，以及发病年龄的逐年减低。颈椎病可导致人体功能的缺失，是导致缺勤发生的主要原因之一。因此，对颈椎病的研究一直是医学研究的重点课题。

多年来颈椎病发病机制的研究多集中在颈椎间盘，认为颈椎病发生是颈椎间盘退变本身及其继发性改变刺激或压迫邻近组织，并引起各种症状和体征。在临床上病人影像学改变与临床表现不同步现象经常发生，这就促使我们去思考椎间盘以外的因素。近年来的研究表明，颈椎病的发生发展与颈椎周围软组织尤其是颈伸肌群关系密切。

头颈部运动的完成需要头颈部肌肉、韧带、关节的协调，而使头颅回复到原位置则依赖肌肉、肌腱上的高尔基体和小关节感受器等协助才能完成。一旦颈部肌肉、韧带、关节出现异常情况，影响颈部肌肉、关节内的感受器，使感受器传入信号失真，影响了中枢对头颅在空间定位整合判断的精确度，产生了较大误差，从而使头颅空间回复偏移度增大。目前，头颅空间回复能力被认为是测试颈本体感受器的一种有效方法。头颅空间回复偏移度是反映颈部本体觉灵敏性的指标。

前期研发三维头颅空间回复偏移度测量仪，但是在使用中存在一些问题，需要改进，如：

由于患者坐姿不稳或颈部不适造成的头部轻度水平平移，导致对头颅空间回复偏移的测量的误差。

三维头颅空间回复偏移测试仪采用手工测量和计算的产生误差。

使用三维头颅空间回复偏移测试仪中，患者或者被受试者的计算数据比较庞大，不好统计和积累。

基于前期研发三维头颅空间回复偏移度测量仪的基础上，结合现代电脑技术，运用光的投射成像原理，研发出新一代的头颅空间回复能力测量系统，为临床提供一种更精确、客观、简捷的头颅空间回复能力检测评估系统。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，克服三维头颅空间回复偏移测量系统的问题，提供一种三维头颅空间回复偏移测量系统。

本发明的设计原理：

我们将患者的头抽象为方体，将患者的颈椎视为此方体的中垂线。并且以患者头表皮平面为XY平面，重力反方向为Z轴，头表皮中心为原点建立坐标系。这样，患者头部的旋转就转化为方体绕其自身中垂线上某一点在某个平面中作旋转，并且，所要测定的三个转角α、β、γ，如下图1-3所示。颈椎1与Z轴平行，患者的正面2为ZX平面、患者的侧面3为YZ平面。

从此图1-3的模型可以得出，三个要测定的转角分别对应于水平转动，即XY平面旋转角度α；前后转动，即YZ平面旋转角度β；侧向转动，即ZX平面旋转角度γ。

本发明的计算原理：

从我们的模型进一步分析得出：三个旋转都可以只需通过XY平面在空间位置的变化就可以反映出来，也即，α反映的是XY平面上任意线条在旋转前后与坐标轴的夹角之差、β反映的是Y轴在旋转前后与坐标轴Z的夹角变化、γ反映的是X轴在旋转前后与坐标轴Z的夹角变化。也就是说，如果我们利用沿Z轴平行光对XY平面(患者头表面)进行投影如下图4所示(上面为旋转后空间位置，底面为投影面，中间面为投影面的平行面)。

更进一步的，β就可以转换为Y轴上任意线段旋转前后在投影上的长度变化、γ相应的转换为X轴上任意线段旋转前后在投影上的长度变化。所以，我们可以在患者的XY平面作三个标识点A、B和C，其初始坐标为A(0，0)，B(x_b，0)，C(0，y_c)....(x_b，y_c≠0)，并且对旋转前后进行平行光投影成像，然后根据两幅投影像中标识的位置A′(x′_a，y′_a)，B′(x′_b，y′_b)，C′(x′_c，y′_c)以及尺寸变化求出转角，也即

α＝arctg(|y′_b-y′_a|/|x′_b-x′_a|)，

$\mathrm{\β}=\arccos (\sqrt{{(y_c^{\′}-y_a^{\′})}^2+{(x_c^{\′}-x_a^{\′})}^2}/|y_c\left|\right),\mathrm{\γ}=\arccos (\sqrt{{(y_b^{\′}-y_a^{\′})}^2+{(x_b^{\′}-x_a^{\′})}^2}/|x_b\left|\right),$

同时，我们可以得到，βγ只与尺寸大小相关，α只与转角相关，也就是说，人体的少量平移不会对转角的测定结果产生影响。

解决方案

在实际测量中，如图5和图6所示，我们用两条线段的四个端点6代替原理图中的三点，四点的交叉点也即是图2中的A点。让患者笔直坐在测定椅子上并将其身体固定，头上戴一个带有四个端点6的标记帽4，其位置分别是垂直交叉的四个端点a、b、c、d。在距患者头部正上方水平悬挂摄像头5，并将摄像头5连接到计算机的图像采集卡上。将患者在测定前后的两幅图像(初始图像以及回复图像)传送给有测试软件系统的计算机。利用四个标识点进行转角计算。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

三维头颅空间回复偏移度测量系统，测试受试者的屈伸偏移度，旋转偏移度和侧曲偏移度，其特征在于，包括受试者戴的标记帽，标记帽的正上方水平位架设摄像头；摄像头通过数据线连接计算机的图像采集卡上；所述计算机对初始图像和回复图像四个标识点作标定；所述计算机自动进行转角计算；所述计算机将录入患者基本信息和临诊资料进行保存。

所述标记帽的额状位上设置左右a、b两端点，所述标记帽的矢状位上设置前后c、d两端点。

所述初始图象为受试者在睁眼状态下将头放至其自觉中立位，闭眼后拍录下标记帽的图像。

所述回复图象为受试者做颈部自然屈伸、旋转、侧曲运动各两次后，尽量回复至原先自觉中立位，拍录下回复后的标记帽图像。

三维头颅空间回复偏移度测量系统的操作方法，其特征在于，测试受试者的屈伸偏移度，旋转偏移度以及侧曲偏移度，步骤如下，如图7所示：

(1)受试者端坐在测定椅子上，紧靠椅背，保持身体稳定；

(2)正戴标记帽，使标记帽沿边的左右a、b两端点连线在额状位上；标记帽沿的前后c、d两端点连线在矢状位上；

(3)在被观察者头顶正上方水平位架设摄像头，并将数据线连接到计算机的图像采集卡上；

(4)让受试者在睁眼状态下将头放至其自觉中立位，闭眼后拍录下标记帽的图像，为初始图象；

(5)告知在接下来的测试过程中始终保持闭眼状态，以避免视觉的影响；

(6)让受试者做颈部自然屈伸、旋转、侧曲运动各两次后，尽量回复至原先自觉中立位，拍录下回复后的标记帽图像，为回复图象；

(7)对所述初始图像和回复图像四个标识点作标定；

(8)计算机自动进行转角计算；

(9)录入患者基本信息和临诊资料；

(10)保存退出。

本发明的有益效果：

本系统通过多家医院临床运用，已初步证明它的灵敏性，和准确性：

1、可避免由于患者坐姿不稳或颈部不适造成的头部轻度水平平移，导致对头颅空间回复偏移的测量的误差。

2、可避免由于在以往自主研制的三维头颅空间回复偏移测试仪手工测量和计算的误差。

3、通过软件开发，易于建立被受试者的一般资料和图像数据库，便于医生临床观察和科研运用统计。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的原理图，旋转：水平转动，XY平面旋转角度为α。

图2为本发明的原理图，曲伸：前后转动，YZ平面旋转角度β。

图3为本发明的原理图，侧曲：侧向转动，ZX平面旋转角度γ。

图4为本发明的计算原理图。

图5为本发明的拍摄状态示意图。

图6为本发明的拍摄状态俯视放大图，四个标识点a、b、c、d的交叉点代表A。

图7为本发明的操作流程图。

图8为本发明的工作状态图之一。

图9为本发明的工作状态图之一

图10为本发明的工作状态图之一。

图面说明：颈椎1、正面2、侧面3、标记帽4、摄像头5、端点6。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在实际测量中，如图5和图6所示，我们用两条线段的四个端点6代替原理图中的三点，四点的交叉点也即是图2中的A点。

参见图7，让患者笔直坐在测定椅子上并将其身体固定，头上戴一个带有四个端点6的标记帽4，其位置分别是垂直交叉的四个端点a、b、c、d。在距患者头部正上方水平悬挂摄像头5，摄像头5由浙江大学光电系提供高灵敏数字摄像头DCM-35；并将摄像头5连接到有测试软件系统的计算机的图像采集卡上。

将患者在测定前后的两幅图像(初始图像以及回复图像)传送给计算机。利用四个端点6进行转角计算。

整个操作流程如下图7所示。

头颅空间回复偏移度测试规程：

三维头颅空间回复偏移度测量系统的操作方法，测试受试者的屈伸偏移度β，旋转偏移度α以及侧曲偏移度γ，步骤如下，如图7所示：

(1)受试者端坐在测定椅子上，紧靠椅背，保持身体稳定。

(2)正戴标记帽4，使标记帽4沿边的左右a、b两端点6连线在额状位上；标记帽4沿的前后c、d两端点6连线在矢状位上。

(3)在被观察者头顶正上方水平位架设摄像头，并将数据线连接到计算机的图像采集卡上。

(4)让受试者在睁眼状态下将头放至其自觉中立位，闭眼后拍录下标记帽的图像(即初始图象)。

(5)告知在接下来的测试过程中始终保持闭眼状态，以避免视觉的影响。

(6)让受试者做颈部自然屈伸、旋转、侧曲运动各两次后，尽量回复至原先自觉中立位，拍录下回复后的标记帽图像(即回复图象)。

(7)对前后两幅图像(初始图像以及回复图像)四个端点6作标定。

(8)计算机自动进行转角计算。

(9)录入患者基本信息和临诊资料。

(10)保存退出。

如图8所示，为本发明的工作状态图之一；如图9所示，对电脑采集到被观察对象的俯视图像用线条标定；如图10所示，可随时记录、添加的被观察对象的资料。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.三维头颅空间回复偏移度测量系统，测试受试者的屈伸偏移度，旋转偏移度和侧曲偏移度，其特征在于，包括受试者戴的标记帽，标记帽的正上方水平位架设摄像头；摄像头通过数据线连接计算机的图像采集卡上；所述计算机对初始图像和回复图像四个标识点作标定；所述计算机自动进行转角计算；所述计算机将录入受试者基本信息和临诊资料进行保存；

所述初始图象为受试者在睁眼状态下将头放至其自觉中立位，闭眼后拍录下标记帽的图像；

所述回复图象为受试者做颈部自然屈伸、旋转、侧曲运动各两次后，回复至原先自觉中立位，拍录下回复后的标记帽图像；

通过在标记帽的顶端所带有的四个端点作为四个标识点，这四个标识点分别是在标记帽的额状位上设置的左右（a、b）两端点和矢状位上设置的前后（c、d）两端点，这四个端点的位置是垂直交叉的。

2.三维头颅空间回复偏移度测量系统的操作方法，其特征在于，步骤如下：

（1）受试者端坐在测定椅子上，紧靠椅背，保持身体稳定；

（2）正戴标记帽，使标记帽沿边的左右（a、b）两端点连线在额状位上；标记帽沿的前后（c、d）两端点连线在矢状位上，这四个端点（a、b、c、d）的位置相互垂直交叉且构成四个标识点；

（3）在受试者头顶正上方水平位架设摄像头，并将数据线连接到计算机的图像采集卡上；

（4）让受试者在睁眼状态下将头放至其自觉中立位，闭眼后拍录下标记帽的图像，为初始图象；

（5）告知在接下来的测试过程中始终保持闭眼状态，以避免视觉的影响；

（6）让受试者做颈部自然屈伸、旋转、侧曲运动各两次后，回复至原先自觉中立位，拍录下回复后的标记帽图像，为回复图象；

（7）对所述初始图像和回复图像四个标识点作标定；

（8）计算机自动进行转角计算；

（9）录入受试者基本信息和临诊资料；

（10）保存退出。

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