CN103385708B - 一种用于背部躯干的测量与图像处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于背部躯干的测量与图像处理装置，其主要由以下八个部分组成：检测架，投影设备，成像装置，数字化图像记录与采集装置，机械支撑与调节装置，计算机处理模块，输入装置和输出装置。本发明采用光栅投影测量技术在非接触条件下对被检测体进行精确数据采集，测量精度高，测量速度快，并且可以在计算机操作平台上对需要测量的位置进行精确的位置定位分析。

Description

一种用于背部躯干的测量与图像处理装置

技术领域

本发明涉及一种用于背部躯干的测量与图像处理装置。其也可以用于脊柱侧弯和胸廓变形的测量，本发明属于测量、机械工程和医学工程技术领域等复合交叉领域。

背景技术

无论对于中医还是西医，腰背痛患者的脊柱功能的客观评价是一个尚未解决的世界性难题，其病程发展和脊柱的形态和功能变化有着重要联系。传统的望诊主要依赖患者的主观感觉和医生的经验，由于不能客观化地表达为具体指标，其推广和应用受到了很大限制，这既容易引起争议，也很难进行科学性观察和研究。

目前对脊柱的测量方法有人体脊柱曲线测量模板、脊柱测量尺或脊柱测量仪等装置。如中国专利CN2548558Y中，CN2548558Y公开了一种人体脊柱曲线测量模板，其通过测试均布有通孔的孔状模板，以过渡配合方式插置在各通孔内的测量杆，模板能模刻出人体被测量部位的曲线，通过该生理曲线可以较准确地测算出人体该部位的受力大小。该模板虽然能简易测量出脊柱曲线，但测量结果准确性较差，很难利用其得出的结果进行科学性观察和研究。

目前还有利用X光、电脑断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、激光扫描等技术等对脊柱进行测量。如中国专利CN102018527A公开了一种脊柱三维动态测量分析系统及方法，利用X光成像，进行数据采集分析。其不足之处有：至少2台X射线发射器机头进行照射，X光的照射对人体有潜在的损害。这些测量方法仍然具有一定的局限性。CT和MRI测量方法空间分辨率低、测量精度差，获取数据时间长，而且扫描的放射线对人体有潜在的损害，激光测量的速度同样较慢，研究表明在认为大剂量照射导致提高白血病，乳癌，遗传缺陷的患病概率分别为0.8％，2.1％，3.0％，都限制了这些侵入式方法在脊柱测量中的应用。

本发明要解决以上存在的问题，利用非侵入式照射测量得出精确的脊柱测量数据，本发明测量的结果不但精确而且稳定。本发明还可随时获得测量范围内任意点的相对高度及其相应位置信息。

发明内容

本发明的技术方案是提供一种专门用于背部躯干的测量与图像处理装置，其主要由以下八个部分组成：检测架，投影设备，成像装置，数字化图像记录与采集装置，机械支撑与调节装置，计算机处理模块，输入装置和输出装置。其中：

检测架：所述检测架由底座和主体架构成，所述主体架通过齿轮和曲轴连接在底座上，所述主体架上半部分左右运动幅度为0度至45度，这将保证躯干做不同角度侧弯运动时可以用光栅体表条纹图记录分析双侧运动的对称性，所述主体架前倾0度到6度之间，所述主体架具有固定四肢的固定装置；

投影设备：所述投影设备可进行光栅投影到被检测体表面，在2米工作距离内提供至少1.2mx1.0m的投影栅面积；

成像装置：所述成像装置可在2米工作距离内对被检测体摄像并记录检测对象表面的光栅条纹；

数字图像记录与采集装置：所述数字图像记录与采集装置可以完成图像的连续采集、图像数字化且记录存储；

机械支撑与调节装置：所述机械支撑与调节装置包括支撑所述数字化图像记录与采集装置以及投影设备的升降平台。所述升降平台具有可调节高度的支撑柱和升降杆，可以在垂直方向调整成像装置以适应不同高度的检测表面；计算机处理模块：所述计算机处理模块根据利四步相移方法将存储的图像进行图像处理，得出被检测体的三维伪彩色图和等高线图，可以确定图像上任意点的位置信息；

输入装置：所述输入装置为鼠标和键盘，用来框选图像上的位置；

输出装置：所述输出装置为显示器，用来显示图像以及相应的处理信息。

优选地，计算机生成的不同性质的光栅图案通过LCD投射到物体表面，然后通过CCD摄像系统分别数字化记录参考平面和物体表面的光栅条纹。通过应用四步相移技术得到高精度全场检测物体表面轮廓，检测轮廓高度分辨率的主要控制参数为栅线节距和检测点相位变化。因此通过选择适当的检测点可以在一个很宽的范围里控制检测灵敏度。通过大量的研究，本发明还对适当的检测点的选取进行了改进。选取五个特征点A，B，C1，C2，C3，其中，腰部高度0点为坐标零点，B点在高于A点的参考面上点取，C1、C2和C3为构成直角三角形的三个点，其中C1和C2构成水平边，C2和C3构成垂直边来获得三维高度分布图如三维伪彩色图和等高线图。在采集的图像上依次选取左右肩胛点、左右腰凹点，以及左右臀部高点六个坐标点来获得脊柱线图；

更优选地，利用成像装置在运动状态下间隔0.025s连续拍摄被检测体背部3D图形，形成腰椎曲线连续动态的轨迹图，并给予计算机处理模块分析处理，进一步测量腰椎运动轨迹。本发明对特征点的选取改进使得处理得到的背部曲线及高度灰阶图、三维伪彩色图和等高线图更为准确和稳定。

更优选地，工作距离为2m内；被检测体检测区域的照明强度大于3000流明；三角测量选取的点，C1，C2，C3，其中，C1、C2和C3为构成直角三角形的三个点，其中C1和C2构成水平边，C2和C3构成垂直边，高度差为参考板台阶高度为20mm；倾角为支架倾角为3度，更优选地，在点取特征点和脊椎曲线之前可对轮廓高度图进行均值滤波；成像装置优选CCD摄像装置。

更优选地，机械支撑与调节装置的升降台升降行程±100mm。

本发明的有益效果有：本发明采用光栅投影测量技术在非接触条件下对被检测体进行精确数据采集，测量精度高，测量速度快，并且可以在计算机操作平台上对需要测量的位置进行精确的位置定位分析，数据结果比机械式的测量工具准确度高，而且相对于CT、MRI、激光等技术，本发明对人体不产生伤害且操作方面，测量迅速且准确，物体相邻轮廓检测高度误差小于0.5mm。

附图说明

图1是本发明的连接示意图。

其中，投影设备1，成像装置2，数字化图像记录与采集装置3，计算机处理模块4，输入装置5，输出装置6，机械支撑与调节装置7，升降台9，升降杆11，支撑柱10，检测架8，，底座12，主体架13。

图2是本发明的选取特征点示意图。

图3是本发明所述的三维高度分布图。

图4是本发明所述的等高线图。

图5是本发明所述的脊柱线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本实施方式中，一种用于脊柱的投影栅测量与图像处理装置，其主要由以下八个部分组成：投影设备1，成像装置2，数字化图像记录与采集装置3，计算机处理模块4，输入装置5，输出装置6，机械支撑与调节装置7，其中所述机械支撑与调节装置7包括升降台9，升降杆11，支撑柱10，检测架8包括底座12，主体架13。其中：

所述投影设备1，其可以进行光栅投影到被检测体表面，在2米工作距离内提供至少1.2mx1.0m的投影栅面积，所述投影设备1还具有照明装置，所述照明装置使得被检测体检测区域的照明强度大于3000流明，所述投影设备1设置在所述机械支撑与调节装置7中的升降台9中，优选地，投影设备1投影横向或者纵向的条纹，条纹数量可以在0-200之间自由选择，默认情况下为100条。

所述成像装置2可在工作距离内对被检测体摄像并记录检测对象表面的光栅条纹，所述成像装置2安装在所述机械制成与调节装置7中的升降杆11上，可以在不同高度和角度对被检测体进行摄像，优选CCD摄像装置，其中优选地，使用环境为温度5℃-35℃，相对湿度30％-70％，摄像装置的显示象素为786，432(1024H×768V)，采用变焦镜头，投影距离为1.07-11.09m。

所述数字图像记录与采集装置3，可以完成图像的连续采集、数字化信息处理且记录存储，其中，优选地最大帧速率25f/s，优选地，数字图像记录与采集装置3的连续采集可以是如4张图像的多组采图方式。

所述计算机处理模块4根据存储的图像利用四步相移进行图像处理，得出被检测体的三维伪彩色图、等高线图和脊柱线图；四步相移法广泛应用于光学测量中，通过对编码条纹图案的投射和被测物体图像的采集，生成隐含有相位标识的光栅编码条纹图像；计算机模块在标识区域内外分别使用不同的相位求解方法解相位，最后计算机处理模块得出被测体的三维图像。根据脊柱的结构构造，本发明在利用相移法处理图像的时候，根据脊柱的特点，特别地，选取四幅存储在数字图像记录与采集装置3中的图像，如图2所示，提取脊柱图像中的特征点A、B、C1、C2、C3五个点；腰部高度0点为坐标零点，B点在高于A点的参考面上点取，C1、C2和C3为构成直角三角形的三个点，其中C1和C2构成水平边，C2和C3构成垂直边；L12和L23默认50mm，L12是C1和C2之间的距离，L23是C2和C3之间的距离，可根据实际情况测量后输入调整；通过以上的方法来获得的三维高度分布图，等高线图。本发明比传统的四步相移法得到的三维高度分布图，等高线图更加准确，利用脊柱结构的特征，在采集的图像上依次选取左右肩胛点、左右腰凹点，以及左右臀部高点六个坐标点，利用输入装置进行选定脊柱线区域，计算机处理模块可以得到脊柱线图，根据绘图结果分析，使用本发明的选取特征点的方式获得的脊柱线图更加精确。优选地，在点取特征点和脊椎曲线之前可对轮廓高度图进行均值滤波。更优选地，选择均值滤波，设定滤波参数为5-8为宜。

如图1所示，机械支撑与调节装置7包括支撑所述投影设备1和数字化图像记录与采集装置3的升降平台9以及支承所述成像装置2的升降杆11，所述升降平台9具有可调节高度的支撑柱10使得所述机械支撑与调节装置7可以在垂直方向调整投影设备1和数字图像记录与采集装置3以适应不同高度的检测表面；所述升降杆11可以调节成像装置2的高度和角度计算机处理模块4。

如图1所示，所述检测架8由底座12和主体架13构成，所述主体架13通过齿轮和曲轴14连接在底座12上，所述主体架13上半部分可以左右运动幅度0度到45度，所述主体架前倾0度到6度之间；所述主体架13具有固定四肢的固定装置15；优选的检测架上具有显示长度的刻度。

所述输入装置5，为鼠标和键盘，用来框选图像上的位置。

所述输出装置6为显示器，用来显示图像以及相应的处理信息，优选地，输出装置为液晶显示器。

用来测量脊柱的投影栅测量与图像处理装置的各部分连接起来，当投影设备1发出的光栅投影到被检测体表面，使得成像装置摄像并记录下被检测体上的光栅条纹，通过线路连接到数字化图像记录与采集装置3中，将图像采集转化为数字信号并存储，通过线路连接到计算机处理模块，把所述数字化信息通过四步相移进行数据处理，如图3，4所示，得出被检测体的三维伪彩色图、等高线图和如图5所示的脊柱线图，选取需要测试的被检测体的位置点，通过相应在三维伪彩色图和等高线图的位置，获取精确的位置信息。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明保护范围当中。

Claims (3)

1.一种用于背部躯干的测量与图像处理装置，其主要由以下八个部分组成：检测架，投影设备，成像装置，数字图像记录与采集装置，机械支撑与调节装置，计算机处理模块，输入装置和输出装置，其中：

检测架：所述检测架由底座和主体架构成，所述主体架通过齿轮和曲轴连接在底座上，所述主体架上半部分左右运动幅度为0度至45度，所述主体架前倾0度到6度之间，所述主体架具有固定四肢的固定装置；

投影设备：所述投影设备可进行光栅投影到被检测体表面，在2米工作距离内提供至少1.2m×1.0m的投影栅面积，投影设备投影横向的条纹为100条；

成像装置：所述成像装置可在2米工作距离内对被检测体摄像并记录检测对象表面的光栅条纹；

数字图像记录与采集装置：所述数字图像记录与采集装置可以完成图像的连续采集、图像数字化且记录存储；

机械支撑与调节装置：所述机械支撑与调节装置包括支撑所述数字图像记录与采集装置以及投影设备的升降平台，所述升降平台具有可调节高度的支承柱和升降杆，可以在垂直方向调整成像装置以适应不同高度的检测表面；

计算机处理模块：所述计算机处理模块根据利用四步相移方法将存储的图像进行图像处理，得出被检测体的三维伪彩色图和等高线图，其中，提取背部图像中的五个特征点A、B、C1、C2、C3，以腰部高度0点为坐标零点，B点在高于A点的参考面上点取，C1、C2和C3为构成直角三角形的三个点，其中C1和C2构成水平边，C2和C3构成垂直边，L12是C1和C2之间的距离，L23是C2和C3之间的距离，L12和L23为50mm，其中，在点取特征点之前对高度图设定滤波参数5-8的均值滤波，被检测体检测区域的照明强度大于3000流明；

所述输入装置为鼠标和键盘，用来框选图像上的位置；所述输出装置为显示器，用来显示图像以及相应的处理信息。

2.如权利要求1所述的用于背部躯干的测量与图像处理装置，其特征在于：成像装置为CCD摄像装置。

3.如权利要求1所述的用于背部躯干的测量与图像处理装置，其特征在于：输出装置为液晶显示器。