CN117338285A - 一种脊柱侧弯检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脊柱侧弯检测装置及方法，包括顶盖、底座、第一伸缩支撑杆、第二伸缩支撑杆、压力薄膜；所述顶盖通过第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆连接底座，顶盖和底座之间设置有压力薄膜；所述压力薄膜内设置有压力传感器，用于检测压力薄膜上特定位置所受到的压力；所述顶盖上设置有调节伸缩杆的控制模块、用于数据信息录入和输出的交互模块、获取压力薄膜的数据获取模块、用于计算棘突数据的计算分析模块。本发明通过对被测试者脊柱棘突的探寻按压复刻了被测试者脊柱棘突的位置数据，通过棘突位置数据绘制脊柱形状并通过棘突中心位置数据计算cobb角度，检测精度和稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及脊柱侧弯检测技术领域，具体涉及一种脊柱侧弯检测装置及方法。
背景技术
脊柱侧弯是指脊柱在水平面上出现不正常的侧向曲度，通常在胸椎或腰椎区域出现。它可能会导致脊柱在侧面呈现S形或C形的曲线，影响脊柱的结构和功能，不利于身体健康的同时还会造成体态外观问题。脊柱侧弯已经成为国民体质健康种较为高发的病症，且已经成为“危害青少年健康的第三大疾病”。
目前脊柱侧弯检测技术方案通常有：（1）医生临床检查或X光造影检测，医生通过观察患者的体态、肩膀、髋部和背部的不对称情况，以及测量胸廓和骨盆的高度差来初步判断是否存在脊柱侧弯；或者借助X光机等医疗设备造影获得详细的脊柱图像，包括侧面和正面视图，帮助医生准确测量脊柱的曲度角度和方向；存在的缺点是需要专业的医生和特定的X光医用设备，检测效率较低，不够方便快捷，不适用于大规模人群的脊柱侧弯检测和初步筛查。（2）基于AI技术人体背部图像的脊柱侧弯检测：采用摄像头进行图像采集，获取人体背部的图像，通过图像处理和数学计算对脊柱侧弯方向和侧弯程度进行判断，存在的缺点是由于人体肌肉和皮肤对骨骼的包裹遮挡，基于图像处理技术的脊柱棘突位置推断计算容易存在较大的误差，检测精度和稳定性较差。（3）装有压力传感器的手持式脊柱侧弯检测装置：安装有壳体、行进轮、测量轮以及传感组件的脊柱检测手持设备，通过传感组件采集脊柱测量时各位置坐标的压力数据，基于所述各位置坐标的压力数据及其变化，计算得到颈七棘突位置，再以颈七棘突位置作为找准测量的起始点；基于距离传感器采集所述伸缩弹簧的伸缩长度变化，计算脊柱测量时各位置坐标的压力数据；基于所述电容传感器的接触间隔时间和弧长，计算当前运动速度和滚动距离；基于三轴角度传感器获取设备移动过程中角度变化数据；基于三组电容传感器采集的电容数据，区分颈椎区段、胸椎区段和腰椎区段；基于当前运动速度、滚动距离和三轴角度传感器采集的各位置坐标，获取设备运动过程空间曲线数据；基于所述空间曲线数据和所述空间角度变化数据，测量脊柱侧弯cobb角，以根据所述cobb角确定脊柱侧弯程度；存在的缺点是所用传感器种类多、数量大，成本较高，且影响最终结果的测量数据种类较多导致多种数据的误差会放大整体检测结果的误差；严重脊柱侧弯、肥胖等人群的背部并非都满足颈椎区域棘突高、胸椎区域棘突中等高两侧肌肉平坦、腰椎区域棘突低两侧肌肉高的特征，基于三组电容传感器采集的电容数据将脊柱划分为颈椎区段、胸椎区段和腰椎区段的方法不具备普适性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种脊柱侧弯检测装置及方法。
一种脊柱侧弯检测装置，其特征在于，包括顶盖、底座、第一伸缩支撑杆、第二伸缩支撑杆、压力薄膜；所述顶盖通过第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆连接底座，顶盖和底座之间设置有压力薄膜；
所述压力薄膜内设置有压力传感器，用于检测压力薄膜上特定位置所受到的压力；
所述顶盖上设置有调节第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆的控制模块、用于数据信息录入和输出的交互模块、获取压力薄膜的数据获取模块、用于计算棘突数据的计算分析模块。
进一步的，所述底座设置有弹性卷轴，用于第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆伸长和收缩的过程中释放和收起压力薄膜。
本发明的另一方面提供一种脊柱侧弯检测方法，包括如下步骤：
步骤1:将装置放置于水平地面上，开机并操作顶盖上的控制模块，控制伸缩杆升降调整高度使得压力薄膜的高度适合被测试者的身高；
步骤2：被测试者背靠装置自然站立于装置中间区域，并使背部贴近压力薄膜，向压力薄膜施加压力并按压被测试者的脊柱棘突；压力薄膜上压力传感器测量得到压力区域数据；
步骤3：顶盖中数据获取模块实时获取压力薄膜上压力传感器测量得到的压力区域数据；
当压力区域数据大于设定阈值时，判定为棘突位置区域，棘突位置区域中压力最大的点为棘突中心点；
步骤4：棘突数据分析处理，剔除异常点并判断数据的合理性；
步骤5：生成最终脊柱模拟图像，并计算脊柱侧弯cobb角度。
进一步的，所述棘突数据分析处理具体步骤如下：
步骤4.1：将所有棘突中心点按从上到下，从左至右的顺序进行1至m编号;
步骤4.2：对第i个棘突中心点计算n个数据值,所述1≤i≤m;
步骤4.3:将m个棘突点的的所有数值组成数据样本矩阵，其中m为个样本数量，n为特征值数量；
步骤4.4：对样本进行归一化处理，得到，其中/>为/>矩阵的第j列数据进行归一化后得到的向量，/>,其中/>为/>矩阵的第j列数据构成的向量，/>和/>分别为/>向量中数据的均值和方差；
步骤4.5：对矩阵中的n个维度的列向量，基于分位数计算每个维度上数据的中心c，取某分位数区间的数据作为主要数据，记c为该主要数据的均值，得到数据中心点构成的向量C=(/>)，其中/>为第j个特征维度数据的中心点；
步骤4.6：计算归一化后的样本矩阵中每个维度数值与中心向量对应中心数值的差/>，得到矩阵H，其中/>为/>中的第i行第j个元素，/>为向量C的第j个元素，/>为结果矩阵H中的第i行第j个元素；
步骤4.7：计算m个样本对应H矩阵数值行的p阶范数，，得到向量h=(/>)，其中p取正整数，1≤i≤m；
步骤4.8：用向量h中各个值除以向量所有值的均值或最大值或中位数，得到；
步骤4.9：选择阈值α，将向量中元素大于α的值标记为异常值，若存在异常值，则标记其对应棘突中心点为异常点，提示操作者是否进行异常的剔除；
步骤4.10：判断处理后数据的合理性，当棘突点位数量低于预设阈值a，判定为不合理；当棘突点位数量高于预设阈值b，判定不合理；
当数据判定为不合理时，提示操作者可选择重新检测。
进一步的，所述步骤5计算脊柱侧弯cobb角度的具体步骤为：获取数据处理后的N个棘突中心点，将两两相邻的棘突中心点连线，再将所有连线延长使得连线两两相交得到N-1个夹角，记最大值θ为cobb角度。
进一步的，所述步骤4.2中对于第i个棘突点的n个数据值包括到压力薄膜的中线距离为、与第i-1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，与第i+1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，/>与/>的差值为/>。
本发明的有益效果是：
1、本装置方便携带操作简单，检测效率高，不需要专业的医生和特定的X光医用设备，适合于大规模人群的脊柱侧弯检测和初步筛查。
2、通过对被测试者脊柱棘突的探寻按压复刻了被测试者脊柱棘突的位置数据，通过棘突位置数据绘制脊柱形状并通过棘突中心位置数据计算cobb角度，检测精度和稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明脊柱模拟图像示意图；
图中：
1-顶盖、2-压力薄膜、3-第一伸缩支撑杆、4-底座
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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图2所示，一种脊柱侧弯检测装置，包括顶盖1、底座4、第一伸缩支撑杆3、第二伸缩支撑杆、压力薄膜2；所述顶盖1通过第一伸缩支撑杆3和第二伸缩支撑杆连接底座4，顶盖1和底座4之间设置有压力薄膜2；第一伸缩支撑杆3和第二伸缩支撑杆以调整顶盖1和压力薄膜2的高度从而对压力薄膜2进行释放和收起，第一伸缩支撑杆3和第二伸缩支撑杆在完全收缩的状态下，顶盖1贴合底座4使得装置处于收纳状态；所述底座4设置有弹性卷轴，用于第一伸缩支撑杆3和第二伸缩支撑杆伸长和收缩的过程中释放和收起压力薄膜2。
所述压力薄膜2内设置压力传感器，用于检测压力薄膜上特定位置所受到的压力；所述顶盖1上设置有调节第一伸缩支撑杆3和第二伸缩支撑杆的控制模块、用于数据信息录入和输出的交互模块、获取压力薄膜的数据获取模块、用于计算棘突数据的计算分析模块。
一种脊柱侧弯检测方法，包括如下步骤：
步骤1:将装置放置于水平地面上，开机并操作顶盖上的控制模块，控制第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆升降调整高度使得压力薄膜的高度适合被测试者的身高。
步骤2：被测试者背靠装置自然站立于装置中间区域，并使背部贴近压力薄膜，向压力薄膜施加压力并按压被测试者的脊柱棘突；压力薄膜上压力传感器测量得到压力区域数据。
步骤3：顶盖中数据获取模块实时获取压力薄膜上压力传感器测量得到的压力区域数据。
当压力区域数据大于设定阈值时，判定为棘突位置区域，棘突位置区域中压力最大的点为棘突中心点。
步骤4：棘突数据分析处理，剔除异常点并判断数据的合理性。
所述棘突数据分析处理具体步骤如下：
步骤4.1：将所有棘突中心点按从上到下，从左至右的顺序进行1至m编号。
步骤4.2：对第i个棘突中心点计算n个数据值,所述1≤i≤m。
所述步骤4.2中对于第i个棘突点的n个数据值包括到压力薄膜的中线距离为；与第i-1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，特别地，记/>；与第i+1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，特别地，记与/>的差值为/>。
步骤4.3:将m个棘突点的的所有数值组成数据样本矩阵，其中m为个样本数量，n为特征值数量；
步骤4.4：对样本进行归一化处理，得到，其中/>为/>矩阵的第j列数据进行归一化后得到的向量，/>,其中/>为/>矩阵的第j列数据构成的向量，/>和/>分别为/>向量中数据的均值和方差；
步骤4.5：对矩阵中的n个维度的列向量，基于分位数计算每个维度上数据的中心c，取某分位数区间（如5%~95%）的数据作为主要数据，记c为该主要数据的均值，得到数据中心点构成的向量C=(/>)，其中/>为第j个特征维度数据的中心点；
步骤4.6：计算归一化后的样本矩阵中每个维度数值与中心向量对应中心数值的差/>，得到矩阵H。
步骤4.7：计算m个样本对应H矩阵数值行的p阶范数，，得到向量h=(/>)，其中p取正整数，1≤i≤m；
步骤4.8：用向量h中各个值除以向量所有值的均值或最大值或中位数，得到。
步骤4.9：选择阈值α，将向量中元素大于α的值标记为异常值，若存在异常值，则标记其对应棘突中心点为异常点，提示操作者是否进行异常的剔除。
步骤4.10：判断处理后数据的合理性，当棘突点位数量低于预设阈值a，判定为不合理；当棘突点位数量高于预设阈值b，判定不合理；
当数据判定为不合理时，提示操作者可选择重新检测。
步骤5：生成最终脊柱模拟图像，并计算脊柱侧弯cobb角度。
所述步骤5计算脊柱侧弯cobb角度的具体步骤为：获取数据处理后的所有N个棘突中心点，将两两相邻的棘突中心点连线，再将所有连线延长使得连线两两相交得到N-1个夹角，记最大值θ为cobb角度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种脊柱侧弯检测装置，其特征在于，包括顶盖、底座、第一伸缩支撑杆、第二伸缩支撑杆、压力薄膜；所述顶盖通过第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆连接底座，顶盖和底座之间设置有压力薄膜；
所述压力薄膜内设置有压力传感器，用于检测压力薄膜上特定位置所受到的压力；
所述顶盖上设置有调节第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆的控制模块、用于数据信息录入和输出的交互模块、获取压力薄膜的数据获取模块、用于计算棘突数据的计算分析模块。
2.根据权利要求1所述一种脊柱侧弯检测装置，其特征在于，所述底座设置有弹性卷轴，用于第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆伸长和收缩的过程中释放和收起压力薄膜。
3.一种采用如权利要求1-2任一项所述一种装置的脊柱侧弯检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1:将装置放置于水平地面上，开机并操作顶盖上的控制模块，控制第一伸缩支撑杆和第二伸缩支撑杆升降调整高度使得压力薄膜的高度适合被测试者的身高；
步骤2：被测试者背靠装置自然站立于装置中间区域，并使背部贴近压力薄膜，向压力薄膜施加压力并按压被测试者的脊柱棘突；压力薄膜上压力传感器测量得到压力区域数据；
步骤3：顶盖中数据获取模块实时获取压力薄膜上压力传感器测量得到的压力区域数据；
当压力区域数据大于设定阈值时，判定为棘突位置区域，棘突位置区域中压力最大的点为棘突中心点；
步骤4：棘突数据分析处理，剔除异常点并判断数据的合理性；
步骤5：生成最终脊柱模拟图像，并计算脊柱侧弯cobb角度。
4.根据权利要求3所述一种脊柱侧弯检测方法，其特征在于，所述棘突数据分析处理，剔除异常点并判断数据的合理性的具体步骤如下：
步骤4.1：将所有棘突中心点按从上到下，从左至右的顺序进行1至m编号;
步骤4.2：对第i个棘突中心点计算n个数据值,所述1≤i≤m;
步骤4.3:将m个棘突点的的所有数值组成数据样本矩阵，其中m为个样本数量，n为特征值数量；
步骤4.4：对样本进行归一化处理，得到，其中/>为/>矩阵的第j列数据进行归一化后得到的向量，/>,其中/>为/>矩阵的第j列数据构成的向量，/>和/>分别为/>向量中数据的均值和方差；
步骤4.5：对矩阵中的n个维度的列向量，基于分位数计算每个维度上数据的中心c，取某分位数区间的数据作为主要数据，记c为该主要数据的均值，得到数据中心点构成的向量C=(/>)，其中/>为第j个特征维度数据的中心点；
步骤4.6：计算归一化后的样本矩阵中每个维度数值与中心向量对应中心数值的差/>，得到矩阵H，其中/>为/>中的第i行第j个元素，/>为向量C的第j个元素，为结果矩阵H中的第i行第j个元素；
步骤4.7：计算m个样本对应H矩阵数值行的p阶范数，，得到向量h=(/>)，其中p取正整数，1≤i≤m；
步骤4.8：用向量h中各个值除以向量所有值的均值或最大值或中位数，得到；
步骤4.9：选择阈值α，将向量中元素大于α的值标记为异常值，若存在异常值，则标记其对应棘突中心点为异常点，提示操作者是否进行异常的剔除；
步骤4.10：判断处理后数据的合理性，当棘突点位数量低于预设阈值a，判定为不合理；当棘突点位数量高于预设阈值b，判定不合理；
当数据判定为不合理时，提示操作者可选择重新检测。
5.根据权利要求3所述一种脊柱侧弯检测方法，其特征在于，所述步骤5计算脊柱侧弯cobb角度的具体步骤为：获取数据处理后的N个棘突中心点，将两两相邻的棘突中心点连线，再将所有连线延长使得连线两两相交得到N-1个夹角，记最大值θ为cobb角度。
6.根据权利要求4所述一种脊柱侧弯检测方法，其特征在于，所述步骤4.2中对于第i个棘突点的n个数据值包括：到压力薄膜的中线距离为、与第i-1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，与第i+1个棘突中心点的连线和压力薄膜的中线的夹角/>，与/>的差值为/>。
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