CN108151670B - 一种后背三维对称度评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种后背三维对称度评价装置及方法属于脊柱检测领域。装置包括大于等于两台摄像机形成的立体相机测量系统、结构光投射系统、红外补光系统、粘贴在后背皮肤上的标志点、暗室、计算机六部分组成。立体相机测量系统用于扫描人体后背，以获得后背三维点云数据；结构光投射系统用于生成结构光，简化三维重建难度之用；红外补光系统用于生成红外光，照射至后背所粘贴的反光标记点，用于增强标记点图像的对比度，同时又不影响可见光成像；标志点用于标记并定位脊柱曲线；暗室用于遮挡外部杂散光，用于提供较为黑暗的背景，保护被测者隐私；计算机用于拍摄图像、三维重建、特征计算等任务。本发明提供一种适合常年检测和大面积推广的廉价、安全检测方法。

Description

一种后背三维对称度评价装置及方法

技术领域

本发明涉及一种脊柱检测系统，特别是涉及一种后背三维对称度评价装置。

背景技术

脊柱侧弯是现代矫形外科和脊柱外科学中常见的较复杂的疾病形式。由于现代人长期久坐面对电脑手机等不良生活习惯，脊柱侧弯发病率近年来持续升高，然而早期身体机能并没有明显改变，只有经过预防性普查才能发现。早发现早干预是此类疾病的最佳应对途径，但目前缺乏可靠的脊柱功能评价指标和设备。

现有检测方法和设备包括人工测量，核磁共振检测，CT检测和X光检测。人工检查主要包括观察两侧肩膀是否等高，是否存在一侧肩胛骨比另一侧肩胛骨突出，双腿是否等长等相对主观的观察方式，以及利用卡尺等基本工具进行检查。这种方式主观性非常强，且没有准确定量的对侧弯情况进行描述，不利于后续的矫正方案制定和检查。CT检测只能反映横断面上的脊柱情况，需要有经验的医生进行判断，指标相对不完整。此外，核磁共振检测价格较为昂贵，最为常用的X光检测存在辐射损伤的问题，无法进行多次筛查检测，不便于进行青少年的脊柱侧弯筛查和特种人群的多次检查。

现有的脊柱形态检测手段主要有：直接测量法、内部影像法(包括X光、CT、MRI等造影手段)、云纹成像法等。直接测量法与内部造影法是目前最为普遍的脊柱形态检测方法。

1)直接测量法：健康人体的背部左右两侧关于后背中线对称且等高。通过观测患者体表形态，可间接获取患者脊柱形态的信息。直接测量法是最为经典也是最为原始的脊柱检测手段，其检测设备简单，轻便，是目前最为普及的脊柱形态初步检测手段。

2)内部造影法：现有内部造影成像检测方式以X光、CT、MRI等手段为主。核影像检查对人体会产生辐射损伤，且设备笨重、昂贵，检测成本高，难以应用于大面积筛查。

综上所述，主观法严重依赖检测者的主观经验，其主观、不稳定的描述语句不能作为客观化检测的数据。内部造影手段虽然能为医生提供较为直观、准确的脊柱图像，但其对患者的经济、健康代价高，并不适用于脊柱疾病筛查。

后背三维形貌检测可以间接描述脊柱形态，是一种无损的脊柱检测方法，该方法的核心就是健康人体脊柱两侧形态应对称，但事实上，由于脊柱侧弯等脊柱疾病造成后背脊柱两侧三维形态并不对称，而且由于脊柱侧弯产生了三维变形，脊柱为空间复杂曲线结构，很难找到良好的对称面或对称线结构，相应的也没有合适的方法能够描述该三维对称性。

发明内容

后背对称度是评价脊柱空间形态的重要方法，但对于后背的三维形貌对称度评价的可靠研究尚未见报道。本发明给出了一种后背对称度评价方法和装置，用于对复杂形变的脊柱状态下，后背三维形貌的对称度评价。本发明首先在每个棘突所在的体表粘贴标记点，以避免在后背三维曲面上进行复杂的棘突识别工作，利用立体视觉测量技术，获取后背三维点云及标记点三维坐标，利用棘突标记点三维坐标及三次样条曲线方程，重建脊柱三维空间曲线方程。之后，在整条脊柱曲线上均匀取采样点，获取每个采样点处的三维空间切矢及法矢，并将该点作为该位置处对称性分析的对称中心点，计算该点处的脊柱曲线垂面，该垂面与后背三维点云相交，得到后背点云的截面点集，该点集以脊柱曲线上所取的点为对称中心，向脊柱两侧取每隔固定距离所获得的两侧点云点高差，作为截面二维对称度特征向量值，同时，取与该垂面前后一定距离的两个平行平面，再次截取后背三维点云的一个立体点集，对该立体点集以该点所在的直线为对称轴，直线斜率为该点处的空间切矢斜率，向脊柱两侧方向每隔固定距离截取一片子立体点集，进行空间二次曲面拟合，对称中心两侧距离相同的空间二次曲面曲率相减，得到该位置处的三维对称性特征向量值，如此，即可得到该脊柱曲线位置的二维对称度向量和三维对称度向量，该向量数值即定量描述该位置处的脊柱变形情况。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种后背三维对称度评价系统，其特征在于该系统包括被测者后背三维形貌点云扫描装置和三维对称度计算软件两部分。上述点云扫描装置包括大于等于两台摄像机形成的立体相机测量系统、结构光投射系统、红外补光系统、粘贴在后背皮肤上的标志点、暗室、计算机六部分组成。立体相机测量系统用于扫描人体后背，以获得后背三维点云数据；结构光投射系统用于生成结构光，简化三维重建难度之用；红外补光系统用于生成红外光，照射至后背所粘贴的反光标记点，用于增强标记点图像的对比度，同时又不影响可见光成像；标志点用于标记并定位脊柱曲线；暗室用于遮挡外部杂散光，用于提供较为黑暗的背景，保护被测者隐私；计算机用于拍摄图像、三维重建、特征计算等任务。

检测时，操作者依次完成A-C工作：

A:在待测者后背每个棘突粘贴标记点，打开红外补光系统。

B:利用立体相机测量系统扫描后背三维点云数据和脊柱标记点三维坐标数据

C:计算后背对称度指标。

其中C工作具体计算步骤如下：

步骤1，将获得的粘贴于棘突的标记点三维坐标数据进行三次样条插值，拟合脊柱形态，以获得连续的脊柱曲线和对应的曲线方程。

步骤2，计算脊柱曲线上任意点的垂面方程

步骤3，遍历所有后背点云数据，计算每个点云数据与垂面方程之间的间距，该间距小于设定的数值，如0.5毫米时，即认为该点属于该垂面，所有此类点的集合，构成了该脊柱点的截面点云点集。

步骤4，以脊柱曲线上点为中心将该点在步骤3中获得的截面点云点集数据分为左右两部分。

步骤5，将所有后背点云数据原点平移至臀沟点，即臀沟点世界坐标为(0，0，0)，每个点云点的三维坐标均以臀沟点为基准原点。

步骤6，从脊柱曲线方程臀沟位置开始，每隔设定的距离，如1毫米，向上取一个脊柱曲线点作为对称中心，取出步骤三中的截面数据点集，以对称中心为起点，分别向左右两侧取固定的偏离距离，计算左右这两个偏离距离处的点云点的高度差。该偏移距离不断变化，即可得到一系列高差值，组成高差向量。取遍整个脊柱曲线点并进行类似计算后，会得到整个脊柱曲线的左右高度差值曲线，也就得到了上述所取的偏离距离尺度下的后背对称度曲线。

步骤7，得到对称度曲线后，计算两个指标，一是计算平均偏差，计算方法为将高差曲线上每个点的数值求和，再除以截面个数，得到平均高差偏差，用于总体评价脊柱侧弯程度；另一个指标是直接在对称度偏差曲线上识别曲率突变点，用该位置描述发生错位的脊椎位置。

步骤8，在步骤7选取的对称中心基础上，取与该对称中心所在垂面前后一定距离的两个平行平面，再次截取后背三维点云的一个立体点集，对该立体点集以该点所在的直线为对称轴，直线斜率为该点处的空间切矢斜率，向脊柱两侧方向每隔固定距离截取一片子立体点集，进行空间二次曲面拟合，对称中心两侧距离相同的空间二次曲面曲率半径相减，得到该位置处的三维对称性特征向量值，与对称中心11的距离X1不断变化，即可获得一系列左侧空间二次曲面曲率半径R1和右侧空间二次曲面曲率半径R2之间的差值，组成曲率半径差向量。如此，即可得到该脊柱曲线位置的二维对称度向量和三维对称度向量，该向量数值即定量描述该位置处的脊柱变形情况。

一定的，固定的这些距离可以取每隔腰部宽度的10分之一，但没有必要限定。

本发明的有益效果是

1、提供了一种基于数据点云的后背对称度评价方法和装置，可间接描述脊柱侧弯情况，为非接触无损检测脊柱健康状况提供一种优质装置和方法。

2、为建立人群脊柱生理参数大数据样本提供数字化设备，为大数据知识挖掘提供数据基础。

大数据研究是当前技术和科研领域中一个研究热点。当前对于脊柱形态参数，尤其是动态参数尚未建立规模较大的数据库。我国人群的脊柱形态如何，生长规律是什么，脊柱病变与哪些因素有关？这些问题在没有大数据支撑下是空谈。大数据即要求大面积测试获得基础数据。当前核医学成像技术存在设备庞大、成本高、有损检查等问题，并不适合常年和大面积体检获得上述数据。因此，项目的进行可以提供一种新型的适合常年检测和大面积推广的廉价、安全检测设备。

本发明的实施，为我国人群的脊柱状态摸底，尤其是对青少年脊柱状态的监测具有极为重要的意义。该设备还是动态监测青少年成长状态的重要手段，可以为卫生部门制定相关政策提供决策基础。为我国人群健康数据库及其后续的数据挖掘，寻找脊柱病变与当前生活习惯之间的关联关系提供优质的检测手段。为我国人民的身体健康和相关研究提供新型优质安全的辅助设备。

3、为在体脊柱生物力学研究提供新型设备基础

4、对腰腿痛的发病机制等研究提供设备及数据基础支撑

有关背部形态与腰腿痛的相关研究国内外的报道很少，项目的实施可以给予病人脊柱结构和功能客观的评价，对于临床诊断、疗效评价都有极大价值，应尽快建立标准，推广到临床应用。以辅助建立脊柱康复与疗效评价指标。

5、对人体生长发育规律的研究具有重要学术意义

很多相关医学工作者希望获得脊柱的在体生长规律。但由于长期和大面积监测手段不足，在该领域一直显得滞后。本发明的实施为跟踪随访个体脊柱生长发育规律，横向对比、统计大量人群的脊柱生长规律，与我国人民的生活习惯、环境、教育手段等关联关系的厘清提供重要的技术基础和手段。

6、大面积体检机制的建立必然带动相关产业的发展，具有重要的经济价值

大面积脊柱健康筛查是保证青少年健康成长的重要手段，而类似筛查在很多西方国家均早已开展。本发明的实施为大面积脊柱筛查提供设备，而且也会带动相关的检验检测设备设计制造产业发展。本发明实用化设计以后，可望产生很好的经济价值，推动相关产业的发展和升级。

7、辅助建立青少年脊柱健康检测筛查制度，为卫生部门进行决策提供数据，为居民的个人健康动态监测和管理提供技术手段，具有重要的社会价值。

8、根据大面积筛查与统计分析结果，综合分析国民，尤其是青少年的脊柱状态，指导病变人员康复训练和设计如保健操等日常保健动作具有重要的社会价值。

附图说明

图1为后背三维形貌点云扫描装置总体示意图

图2为后背表皮上标志点示意图

图3为截面数据点集获取示意图

图4为脊柱曲线上某点截面点集偏离确定值时左右点高度差计算示意图

图5为脊柱曲线上某点截面处的平行平面截取后背点云点集示意图

图6为空间二次曲面曲率计算示意图

其中，附图1中：1-立体相机系统、2-红外补光系统、3-计算机、4-被测试者、5-暗室

附图2中：6-标记点

附图3中：7-脊柱曲线上某点处的截面、8-脊柱曲线

附图4中：9-脊柱曲线上某点处的截面上的点云点集、10-与对称中心相距固定距离的点云点获取位置、11-脊柱曲线上的某点(对称中心)

附图5中：12-与截面7相距相同距离的两个平行平面，用于截取平行平面之间的点云点集；13-平行平面截取的后背点云点集；

附图6中：14-被截取的点云点集上与对称中心11相距X1距离的左侧点云点集邻域内的点云子集拟合出来的空间二次曲面，R1为其空间半径；15-被截取的点云点集上与对称中心11相距X1距离的右侧点云点集邻域内的点云子集拟合出来的空间二次曲面，R2为其空间半径；X1不断变化，即可获得一系列R1和R2，组成曲率半径差向量。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

检测前，令被测者裸露后背，进入暗室，背对三维点云扫描装置，三维点云扫描装置置于被测者2.5-3米距离，并连接于计算机上，打开红外补光系统。

检测时，操作者依次完成A-C工作：

A:在待测者后背每个棘突粘贴标记点，打开红外补光系统。

B:利用立体相机测量系统扫描后背三维点云数据和脊柱标记点三维坐标数据

C:计算后背对称度指标。

其中C工作具体计算步骤如下：

步骤1，将获得的粘贴于棘突的标记点三维坐标数据进行三次样条插值，拟合脊柱形态，以获得连续的脊柱曲线和对应的曲线方程。

步骤2，计算脊柱曲线上任意点的垂面方程

步骤3，遍历所有后背点云数据，计算每个点云数据与垂面方程之间的间距，该间距小于设定的数值，如0.5毫米时，即认为该点属于该垂面，所有此类点的集合，构成了该脊柱点的截面点云点集。

步骤4，以脊柱曲线上点为中心将该点在步骤3中获得的截面点云点集数据分为左右两部分。

步骤5，将所有后背点云数据原点平移至臀沟点，即臀沟点世界坐标为(0，0，0)，每个点云点的三维坐标均以臀沟点为基准原点。

步骤6，从脊柱曲线方程臀沟位置开始，每隔设定的距离，如1毫米，向上取一个脊柱曲线点作为对称中心，取出步骤三中的截面数据点集，以对称中心为起点，分别向左右两侧取固定的偏离距离，计算左右这两个偏离距离处的点云点的高度差。该偏移距离不断变化，即可得到一系列高差值，组成高差向量。取遍整个脊柱曲线点并进行类似计算后，会得到整个脊柱曲线的左右高度差值曲线，也就得到了上述所取的偏离距离尺度下的后背对称度曲线。

步骤7，得到对称度曲线后，计算两个指标，一是计算平均偏差，计算方法为将高差曲线上每个点的数值求和，再除以截面个数，得到平均高差偏差，用于总体评价脊柱侧弯程度；另一个指标是直接在对称度偏差曲线上识别曲率突变点，用该位置描述发生错位的脊椎位置。

步骤8，在步骤7选取的对称中心基础上，取与该对称中心所在垂面前后一定距离的两个平行平面，再次截取后背三维点云的一个立体点集，对该立体点集以该点所在的直线为对称轴，直线斜率为该点处的空间切矢斜率，向脊柱两侧方向每隔固定距离截取一片子立体点集，进行空间二次曲面拟合，对称中心两侧距离相同的空间二次曲面曲率半径相减，得到该位置处的三维对称性特征向量值，与对称中心11的距离X1不断变化，即可获得一系列左侧空间二次曲面曲率半径R1和右侧空间二次曲面曲率半径R2之间的差值，组成曲率半径差向量。如此，即可得到该脊柱曲线位置的二维对称度向量和三维对称度向量，该向量数值即定量描述该位置处的脊柱变形情况。本发明的后背对称度评价系统在进行了实际测试和使用后，各项指标均满足了研制的技术要求，且能较为准确地对脊柱功能加以评价，填补了脊柱三维对称性检测领域的空白，且获得的大量数据为后续的研发工作提供了宝贵的大数据资源。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围；凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种后背三维对称度评价装置，其特征在于，该装置包括大于等于两台摄像机形成的立体相机测量系统、结构光投射系统、红外补光系统、粘贴在后背皮肤上的标志点、暗室和计算机；立体相机测量系统用于扫描人体后背，以获得后背三维点云数据；结构光投射系统用于生成结构光；红外补光系统用于生成红外光，照射至后背所粘贴的反光标记点，用于增强标记点图像的对比度，同时又不影响可见光成像；标志点用于标记并定位脊柱曲线；暗室用于遮挡外部杂散光，用于提供较为黑暗的背景，保护被测者隐私；计算机用于三维重建和特征计算；

检测时，操作者依次完成A-C工作：

A:在待测者后背每个棘突粘贴标记点，打开红外补光系统；

B:利用立体相机测量系统扫描后背三维点云数据和脊柱标记点三维坐标数据

C:计算后背对称度指标；

其中C工作具体计算步骤如下：

步骤1，将获得的粘贴于棘突的标记点三维坐标数据进行三次样条插值，拟合脊柱形态，以获得连续的脊柱曲线和对应的曲线方程；

步骤2，计算脊柱曲线上任意点的垂面方程

步骤3，遍历所有后背点云数据，计算每个点云数据与垂面方程之间的间距，该间距小于设定的数值，即认为该点属于该垂面，所有此类点的集合，构成了该脊柱点的截面点云点集；

步骤4，以脊柱曲线上点为中心将该点在步骤3中获得的截面点云点集数据分为左右两部分；

步骤5，将所有后背点云数据原点平移至臀沟点，即臀沟点世界坐标为(0，0，0)，每个点云点的三维坐标均以臀沟点为基准原点；

步骤6，从脊柱曲线方程臀沟位置开始，每隔设定的距离，向上取一个脊柱曲线点作为对称中心，取出步骤3中的截面数据点集，以对称中心为起点，分别向左右两侧取固定的偏离距离，计算左右这两个偏离距离处的点云点的高度差；该偏移距离不断变化，得到一系列高差值，组成高差向量；取遍整个脊柱曲线点并进行计算后，会得到整个脊柱曲线的左右高度差值曲线，也就得到了上述所取的偏离距离尺度下的后背对称度曲线；

步骤7，得到对称度曲线后，计算两个指标，一是计算平均偏差，计算方法为将高差曲线上每个点的数值求和，再除以截面个数，得到平均高差偏差，用于总体评价脊柱侧弯程度；另一个指标是直接在对称度偏差曲线上识别曲率突变点，用该位置描述发生错位的脊椎位置；

步骤8，在步骤7选取的对称中心基础上，取与该对称中心所在垂面前后一定距离的两个平行平面，再次截取后背三维点云的一个立体点集，对该立体点集以该点所在的直线为对称轴，直线斜率为该点处的空间切矢斜率，向脊柱两侧方向每隔固定距离截取一片子立体点集，进行空间二次曲面拟合，对称中心两侧距离相同的空间二次曲面曲率半径相减，得到该位置处的三维对称性特征向量值，与对称中心的距离不断变化，获得一系列左侧空间二次曲面曲率半径和右侧空间二次曲面曲率半径之间的差值，组成曲率半径差向量；得到该脊柱曲线位置的二维对称度向量和三维对称度向量，该向量数值即定量描述该位置处的脊柱变形情况。

Images