CN117414129A - 一种脊柱活动度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脊柱活动度测量系统及方法，涉及计算机视觉技术领域，所述系统包括：用于供被测者穿戴、且分别设有多个反光标记点的背甲和头罩，双目相机视觉系统，用于在被测者端正坐姿和完成测试动作过程中拍摄，以获取背甲和头罩上各反光标记点的图像；双目相机视觉系统连接有计算机，用于在端正坐姿和动作时，根据反光标记点图像计算标记点空间坐标，进而得到脊柱活动度。本发明的脊柱活动度测量系统及方法，结构简单，容易操作，架设方便，只需被测者穿戴好背甲和头盔做脊柱活动动作，双目相机视觉系统实时拍摄图像，计算机便可实时计算脊柱活动度，简化测量过程，提高测量效率；采用双目相机视觉系统拍摄，可获取高精度的标记点空间坐标。

Description

一种脊柱活动度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，尤其涉及一种脊柱活动度测量系统及方法。

背景技术

在脊柱相关疾病的检查、诊断以及康复过程中，脊柱活动度的量化测量是一个重要指标，例如在脊柱侧弯、椎间盘脱出、骨质增生、骨质破坏、软组织损伤、脊椎骨折外伤等病症中，脊柱活动度都将受到限制，而不能达到正常的活动范围。因此，脊柱活动度测量对脊柱相关疾病的预测、诊断、疗效评价等具有重要意义。

脊柱中腰椎段与颈椎段活动范围最大，胸椎段活动范围较小，其它几乎无活动，因此脊柱活动度测量主要包括：腰椎左右旋转、左右侧屈、前后屈伸和颈椎左右旋转、左右侧屈、前后屈伸的角度范围。目前脊柱活动度测量的方法，主要包括：使用直尺、量角器等传统测量工具的人工测量方法，使用X射线、CT、MRI等影像学检测的测量方法，以及使用针对性研制的测量仪器、设备、传感器等专用工具测量方法。采用传统测量工具的人工测量方法，受到操作人员经验影响，并引入了人为误差，测量精度较差；采用影像学检测的测量方法，虽然精度较高，但测量费用偏高，并且具有放射性，无法长期多次测量；采用专用工具的测量方法，往往操作复杂，需要被测量者较高的配合度，且由于针对性较强，测量颈椎活动度和腰椎活动度需要采用完全不同的专用测量工具。

因此，亟需一种脊柱活动度测量系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种脊柱活动度测量系统及方法，以解决上述现有技术中的问题，能够准确、安全、方便、快速地测量脊柱活动度。

本发明提供了一种脊柱活动度测量系统，其中，包括：用于供被测者穿戴的背甲和头罩，所述背甲与所述头罩上分别设置有多个反光标记点，设置在被测者身后斜上方的双目相机视觉系统，所述双目相机视觉系统连接有计算机，其中：

所述双目相机视觉系统用于在穿戴所述头罩和所述背甲的被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，对穿戴所述头罩和所述背甲的被测者进行拍摄，以获取所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像；

所述计算机用于在被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，根据所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并根据被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中所述背甲和所述头罩对应的标记点空间坐标，得到脊柱活动度。

如上所述的脊柱活动度测量系统，其中，优选的是，所述双目相机视觉系统包括两个相机和辅助照明光源。

如上所述的脊柱活动度测量系统，其中，优选的是，所述背甲包括一个刚性多边形平板和若干条第一可调松紧绑带，各所述第一可调松紧绑带的末端设置有锁紧卡扣，所述背甲上的多个所述反光标记点设置在所述刚性多边形平板上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第一预设阈值。

如上所述的脊柱活动度测量系统，其中，优选的是，所述头罩包括刚性半球形头盔、内衬和第二可调松紧绑带，所述头罩上的多个所述反光标记点设置在所述刚性半球形头盔上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第二预设阈值。

如上所述的脊柱活动度测量系统，其中，优选的是，所述计算机具体用于：根据被测者端正坐姿时，所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，以建立背甲标记点基准和头罩标记点基准；并根据被测者完成预设测试动作过程中，所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并计算出运动时刻背甲标记点到背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和运动时刻头罩标记点到头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>；根据所述旋转平移矩阵/>和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

如上所述的脊柱活动度测量系统，其中，优选的是，所述预设测试动作包括：腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个；对应地，所述脊柱活动度包括：腰椎左右旋转活动度、腰椎左右侧屈活动度、腰椎前后屈伸活动度、颈椎左右旋转活动度、颈椎左右侧屈活动度和颈椎前后屈伸活动度中的至少一个。

本发明还提供一种采用上述系统的脊柱活动度测量方法，包括：

在被测者端正坐姿时，根据双目相机视觉系统所获取的背甲和头罩上的各反光标记点的图像，建立背甲标记点基准和头罩标记点基准；

在被测者完成预设测试动作的过程中，根据双目相机视觉系统所获取的所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像，计算背甲标记点到所述背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和头罩标记点到所述头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>；

根据所述旋转平移矩阵和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

如上所述的脊柱活动度测量方法，其中，优选的是，所述在被测者端正坐姿时，根据双目相机视觉系统所获取的背甲和头罩上的各反光标记点的图像，建立背甲标记点基准和头罩标记点基准，具体包括：

双目相机视觉系统拍摄被测者端正坐姿后的图像；

计算机根据所述双目相机视觉系统所拍摄的被测者端正坐姿后的图像，计算所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的空间坐标；

计算机以所述背甲和/或所述头罩上的任意一个反光标记点开始，计算出空间距离最近的另一个反光标记点，建立标记点集；

遍历计算剩余反光标记点到标记点集中每一个反光标记点的空间距离，若存在小于相邻标记点间距的背甲所对应的第一预设阈值或头罩所对应的第二预设阈值的反光标记点，则将该反光标记点加入标记点集/>，直到某一次遍历过程中，没有满足第一预设阈值或第二预设阈值的反光标记点，结束遍历；

将同样满足相邻标记点间距小于第二预设阈值或第一预设阈值的条件的剩余反光标记点，构成另一个标记点集；

分别对标记点集和标记点集/>进行平面拟合，将平面度高的点集作为背甲标记点，则另一个点集中的标记点作为头罩标记点；

将背甲标记点所对应的空间坐标构成背甲标记点基准，将头罩标记点所对应的空间坐标构成头罩标记点基准/>。

如上所述的脊柱活动度测量方法，其中，优选的是，所述在被测者完成预设测试动作的过程中，根据双目相机视觉系统所获取的所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像，计算背甲标记点到所述背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和头罩标记点到所述头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>，具体包括：

被测者做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个至最大程度，双目相机视觉系统实时采集被测者运动过程中背甲和头罩上的各反光标记点的图像；

计算机识别并计算运动过程中，背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标；

在计算得到的背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中，分别找到与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>和与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>；

根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与背甲标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，背甲标记点到背甲标记点基准/>的旋转平移矩阵/>；并根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与头罩标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，头罩标记点到头罩标记点基准/>的旋转平移矩阵/>，

在计算得到的背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中，所述分别找到与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>和与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>，具体包括：

计算背甲标记点基准中每一个背甲标记点到其它背甲标记点的空间距离，计算头罩标记点基准/>中每一个头罩标记点到其它头罩标记点的空间距离，构成各反光标记点的空间编码；

在被测者完成预设测试动作的过程中，将与背甲标记点基准或头罩标记点基准中的反光标记点具有相同空间编码的反光标记点，作为对应的同名标记点。

如上所述的脊柱活动度测量方法，其中，优选的是，所述根据所述旋转平移矩阵和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度，具体包括：

被测者同一时刻做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作、颈椎前后屈伸动作中的一种动作至最大程度；

将旋转平移矩阵中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到背甲旋转向量/>，将旋转平移矩阵/>中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到头罩旋转向量/>；

计算旋转向量和/>的模，并对旋转向量/>和旋转向量/>进行归一化，得到背甲旋转角度/>和头罩旋转角度/>，背甲旋转轴/>和头罩旋转轴/>；

根据背甲旋转轴和头罩旋转轴/>确定对应的旋转方向，根据背甲旋转角度/>和头罩旋转角度/>确定对应的活动度，从而计算得到腰椎左右旋转角度、腰椎左右侧屈角度、腰椎前后屈伸角度，颈椎左右旋转角度、颈椎左右侧屈角度和颈椎前后屈伸角度，则测量出相应的脊柱活动度。

本发明提供一种脊柱活动度测量系统及方法，结构简单，容易操作，架设方便，只需被测者穿戴好背甲和头盔做脊柱活动动作，双目相机视觉系统实时拍摄图像，计算机便可实时计算测量脊柱活动度，简化了测量过程，提高了测量效率；采用双目相机视觉系统拍摄，可以获取较高精度的标记点空间坐标，并且在背甲和头罩上分布反光标记点，提高识别效率和准确率，大大提高了脊柱活动度的测量精度；不需要对背甲和头罩上的标记点进行预先标定，也不需要建立背甲坐标系和头罩坐标系，标记点分布随机，大大降低背甲和头罩制作难度；且测量过程中无辐射，安全可靠。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的脊柱活动度测量系统实施例的结构示意图；

图2为背甲的结构示意图；

图3为头罩的侧视图；

图4为头罩的后视图；

图5为头罩的俯视图；

图6为本发明提供的脊柱活动度测量方法实施例的流程图；

图7为建立标记点集M过程中以背甲上任意一个标记点为开始标记点示意图；

图8为开始标记点在背甲上建立标记点集M的初始点集示意图；

图9为开始标记点在背甲上遍历剩余标记点加入标记点集M示意图；

图10为开始标记点在背甲上遍历标记点结束后建立标记点集M和标记点集N完成示意图；

图11为建立标记点集M过程中以头罩上任意一个标记点为开始标记点示意图；

图12为开始标记点在头罩上建立标记点集M的初始点集示意图；

图13为开始标记点在头罩上遍历剩余标记点加入标记点集M示意图；

图14为开始标记点在头罩上遍历标记点结束后建立标记点集M和标记点集N完成示意图；

图15为被测者端正坐姿时建立的头罩标记点基准的示意图；

图16为被测者做向左侧屈动作时，运动过程中头罩同名标记点的示意图；

图17为腰椎左旋转动作的旋转向量、右旋转动作的旋转向量/>、左侧屈动作的旋转向量/>、右侧屈动作的旋转向量/>、前屈动作的旋转向量/>和后伸动作的旋转向量/>的示意图；

图18为颈椎左旋转动作的旋转向量、右旋转动作的旋转向量/>、左侧屈动作的旋转向量/>、右侧屈动作的旋转向量/>、前屈动作的旋转向量/>和后伸动作的旋转向量/>的示意图。

附图标记说明：1-双目相机视觉系统，2-计算机，3-背甲，4-头罩。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”：以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件。当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件，也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如图1所示，本实施例提供的脊柱活动度测量系统包括：用于供被测者穿戴的背甲3和头罩4，所述背甲3与所述头罩4上分别设置有多个反光标记点，设置在被测者身后斜上方的双目相机视觉系统1，所述双目相机视觉系统1连接有计算机2，其中：

所述双目相机视觉系统1用于在穿戴所述头罩4和所述背甲3的被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，对穿戴所述头罩4和所述背甲3的被测者进行拍摄，以获取所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像；

所述计算机2用于在被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，根据所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并根据被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中所述背甲和所述头罩对应的标记点空间坐标，得到脊柱活动度。

其中，所述预设测试动作包括：腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个；对应地，所述脊柱活动度包括：腰椎左右旋转活动度、腰椎左右侧屈活动度、腰椎前后屈伸活动度、颈椎左右旋转活动度、颈椎左右侧屈活动度和颈椎前后屈伸活动度中的至少一个。

进一步地，所述双目相机视觉系统1包括两个相机和辅助照明光源，经过标定获得高精度相机内外参数，拍摄穿戴背甲3和头罩4的被测者，以获取背甲3和头罩4上的反光标记点的图像。在本发明的一种实施方式中，采用张正友标定法标定双目相机内部参数，并采用Newton迭代法或LM迭代法标定双目相机之间的外部参数同时进行双目相机内外参数全局优化。

如图2所示，所述背甲3包括一个刚性多边形平板和若干条第一可调松紧绑带，各所述第一可调松紧绑带的末端设置有锁紧卡扣，所述背甲3上的多个所述反光标记点设置在所述刚性多边形平板上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第一预设阈值，便于区分头罩4上的各反光标记点。示例性地，刚性多边形平板的形状为不规则六边形平板，需要说明的是，本发明对多边形平板的形状及第一可调松紧绑带的数量不作具体限定，在本发明的一种实施方式中，第一可调松紧绑带的数量；在本发明的其他实施方式中，第一可调松紧绑带的数量还可以是2条、6条等。测量时，通过若干条第一可调松紧绑带，并利用锁紧卡扣将背甲贴合固定于被测者的后背上部胸段；多个反光标记点在背甲3的刚性多边形平板上随机分布，需要说明的是，本发明对反光标记点在背甲3上的数量及分布方式不作具体限定。在具体实现中，可以根据不同年龄段人体胸段背部面积，而设置多种不同大小型号的背甲，以适应不同人群。

如图3-图5所示，所述头罩4包括刚性半球形头盔、内衬和第二可调松紧绑带，所述头罩4上的多个所述反光标记点设置在所述刚性半球形头盔上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第二预设阈值，便于区分背甲3上的各反光标记点。其中，多个反光标记点在头罩4上随机分布，需要说明的是，本发明对反光标记点在头罩4上的数量及分布方式不作具体限定。测量时，通过第二可调松紧绑带将头罩4贴合被测者头部，使头罩4整体与被测者头部固定；所述内衬具有增大摩擦力，使佩戴舒适的作用。在具体实现中，可以根据头围大小，而设置多种尺寸的头罩，使头罩4对不同人群具有更佳适配度。

更进一步地，所述计算机2具体用于：根据被测者端正坐姿时，所述背甲3和所述头罩4上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，以建立背甲标记点基准和头罩标记点基准；并根据被测者完成预设测试动作过程中，所述背甲3和所述头罩4上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并计算出运动时刻背甲标记点到背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和运动时刻头罩标记点到头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>；根据所述旋转平移矩阵/>和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

本发明实施例提供的脊柱活动度测量系统，结构简单，容易操作，架设方便，只需被测者穿戴好背甲和头盔做脊柱活动动作，双目相机视觉系统实时拍摄图像，计算机便可实时计算测量脊柱活动度，简化了测量过程，提高了测量效率；采用双目相机视觉系统拍摄，可以获取较高精度的标记点空间坐标，并且在背甲和头罩上分布反光标记点，提高识别效率和准确率，大大提高了脊柱活动度的测量精度；不需要对背甲和头罩上的标记点进行预先标定，也不需要建立背甲坐标系和头罩坐标系，标记点分布随机，大大降低背甲和头罩制作难度；且测量过程中无辐射，安全可靠。

如图6所示，本实施例提供的脊柱活动度测量方法在实际执行过程中，具体包括如下步骤：

步骤S1、在被测者端正坐姿时，根据双目相机视觉系统1所获取的背甲3和头罩4上的各反光标记点的图像，建立背甲标记点基准和头罩标记点基准。

在本发明中，背甲标记点基准和头罩标记点基准是被测者端正坐姿后，背甲3和头罩4上两组反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标集合，分别代表了测量腰椎脊柱活动度和颈椎脊柱活动度的起始姿态，可以表示被测者端正坐姿后的腰椎姿态和颈椎姿态。在本发明的脊柱活动度测量方法的一种实施方式中，所述步骤S1具体可以包括：

步骤S11、双目相机视觉系统1拍摄被测者端正坐姿后的图像。

步骤S12、计算机2根据所述双目相机视觉系统1所拍摄的被测者端正坐姿后的图像，计算所述背甲3和所述头罩4上的各所述反光标记点的空间坐标。

具体的计算过程为：首先，在拍摄的背甲3与头罩4的反光标记点图像上做二值化轮廓提取，并对轮廓进行椭圆拟合；其次，根据反光标记点圆形特征，以及内外灰度值差异，识别出二维标记点；最后，对双目图像进行极线校正，二维标记点双目匹配，根据三角测量原理计算标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标。

步骤S13、计算机2以所述背甲3和/或所述头罩4上的任意一个反光标记点开始，计算出空间距离最近的另一个反光标记点，建立标记点集。

步骤S14、遍历计算剩余反光标记点到标记点集中每一个反光标记点的空间距离，若存在小于相邻标记点间距的背甲所对应的第一预设阈值或头罩所对应的第二预设阈值的反光标记点，则将该反光标记点加入标记点集/>，直到某一次遍历过程中，没有满足第一预设阈值或第二预设阈值的反光标记点，结束遍历。

步骤S15、将同样满足相邻标记点间距小于第二预设阈值或第一预设阈值的条件的剩余反光标记点，构成另一个标记点集。

示例性地，若选择的任意一个开始标记点在背甲3上，则具体的遍历过程示意图如图7-图10所示，图7以任意一个标记点开始，图8计算出空间距离最近的另一个标记点，二者间距小于第一预设阈值，建立标记点集M，图9遍历计算剩余标记点到标记点集中每一个标记点的空间距离，若存在小于相邻标记点间距的第一预设阈值的标记点，则加入标记点集/>，图10直到某一次遍历过程中，没有满足第一预设阈值的标记点，结束遍历；剩余标记点同样满足相邻标记点空间距离小于第二预设阈值的条件，构成另一个标记点集/>。若选择的任意一个开始标记点在头罩4上，则具体遍历过程示意图如图11到图14所示。

步骤S16、分别对标记点集和标记点集/>进行平面拟合，将平面度高的点集作为背甲标记点，则另一个点集中的标记点作为头罩标记点。

由于背甲3上的反光标记点分布于背甲3的平面上，而头罩4上的反光标记点分布于头罩4的球面上，通过对两个点集分别进行平面拟合，平面度高的点集则是背甲3上的反光标记点。

步骤S17、将背甲标记点所对应的空间坐标构成背甲标记点基准，将头罩标记点所对应的空间坐标构成头罩标记点基准/>。

步骤S2、在被测者完成预设测试动作的过程中，根据双目相机视觉系统1所获取的所述背甲3和所述头罩4上的各所述反光标记点的图像，计算背甲标记点到所述背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和头罩标记点到所述头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>。

步骤S1建立的背甲标记点基准和头罩标记点基准在步骤S2中起到测量基准的作用，也就是测量时，被测者做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作至最大程度所产生的角度是相对于背甲标记点基准产生的；被测者做颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作、颈椎前后屈伸动作至最大程度所产生的角度是相对于头罩标记点基准产生的。

在本发明的脊柱活动度测量方法的一种实施方式中，所述步骤S2具体可以包括：

步骤S21、被测者做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个至最大程度，双目相机视觉系统1实时采集被测者运动过程中背甲3和头罩4上的各反光标记点的图像。

步骤S22、计算机2识别并计算运动过程中，背甲3和头罩4上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标。

在本发明的一种实施方式中，如图1所示，以两相机镜头中心连线中点为坐标原点O，沿两镜头的中心连线指向上方相机的镜头中心为Y轴，垂直于Y轴指向双目相机视觉系统1后方为Z轴，符合右手定则方向为X轴，建立双目相机视觉系统坐标系。可选地，在本发明的另一实施例中，可以以任意相机坐标系作为双目相机视觉系统坐标系。

其中，计算运动过程中背甲和头罩上的反光标记点空间坐标的具体方法与非运动过程（端正坐姿）时的计算方法是相同的，可以参照步骤S12，在此不再赘述。

步骤S23、在计算得到的背甲3和头罩4上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中，分别找到与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>和与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>。

在本发明的脊柱活动度测量方法的一种实施方式中，所述步骤S23具体可以包括：

步骤S231、计算背甲标记点基准中每一个背甲标记点到其它背甲标记点的空间距离，计算头罩标记点基准/>中每一个头罩标记点到其它头罩标记点的空间距离，构成各反光标记点的空间编码。

步骤S232、在被测者完成预设测试动作的过程中，将与背甲标记点基准或头罩标记点基准/>中的反光标记点具有相同空间编码的反光标记点，作为对应的同名标记点。

下面以颈椎左侧屈动作为例说明运动过程中的标记点与标记点基准的对应关系，如图15和图16所示，图15为被测者端正坐姿时建立的头罩标记点基准的示意图，图16为被测者做向左侧屈动作时，运动过程中头罩同名标记点/>的示意图，则/>与/>为相对应的一对同名标记点，/>与/>为相对应的一对同名标记点，即/>中的/>与/>中的/>为一一对应的同名标记点，/>=[/>,/>,……, />]，/>=/>,/>,……, />]，其中，/>表示运动过程中头罩标记点与头罩标记点基准/>具有的同名标记点数量。显然/>相对于/>有一个姿态变化，进一步地，/>经过一个旋转平移矩阵/>的作用可以变换回/>，也就是/>=/> ，进一步展开表达式为：/>，其中，/>为头罩标记点基准/>中每个标记点在双目视觉系统坐标系下的空间坐标，/>为运动过程中头罩标记点在双目视觉系统坐标系下的空间坐标，其中，旋转平移矩阵/>的解算过程将在后文进行说明。

步骤S24、根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与背甲标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，背甲标记点到背甲标记点基准/>的旋转平移矩阵/>；并根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与头罩标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，头罩标记点到头罩标记点基准/>的旋转平移矩阵/>。

其中，旋转平移矩阵是腰椎运动时刻，背甲3上的反光标记点相对于背甲标记点基准发生姿态变化而产生的旋转平移矩阵，运动时刻背甲3上的反光标记点经旋转平移矩阵/>可变换至背甲标记点基准。旋转平移矩阵/>是颈椎运动时刻，头罩4上的反光标记点相对于头罩标记点基准发生姿态变化而产生的旋转平移矩阵，运动时刻头罩4上的反光标记点经旋转平移矩阵/>可变换至头罩标记点基准。

具体而言，在计算得到的运动时刻标记点坐标中，分别找到与背甲标记点基准和头罩标记点基准/>中的标记点为相同点的同名标记点/>和/>后，则背甲标记点基准/>与/>中各同名标记点的空间坐标对应关系为/>，头罩标记点基准/>与/>中各同名标记点的空间坐标对应关系为/>，其中，/>和/>分别表示运动过程中背甲标记点到背甲标记点基准/>的旋转矩阵和平移矩阵，并一起构成旋转平移矩阵/>，/>和/>分别为运动过程中头罩标记点到头罩标记点基准/>的旋转矩阵和平移矩阵，并一起构成旋转平移矩阵/>。

步骤S3、根据所述旋转平移矩阵和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

在本发明的脊柱活动度测量方法的一种实施方式中，所述步骤S3具体可以包括：

步骤S31、被测者同一时刻做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作、颈椎前后屈伸动作中的一种动作至最大程度。

步骤S32、将旋转平移矩阵中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到背甲旋转向量/>，将旋转平移矩阵/>中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到头罩旋转向量/>。

其中，罗德里格斯变换用于旋转矩阵和旋转向量之间的转换，也就是通过一个旋转向量来表示旋转操作，旋转向量的长度即旋转向量的模表示旋转的角度，旋转向量的方向即旋转轴代表旋转方向。

步骤S33、计算旋转向量和/>的模，并对旋转向量/>和旋转向量/>进行归一化，得到背甲旋转角度/>和头罩旋转角度/>，背甲旋转轴/>和头罩旋转轴/>。

步骤S34、根据背甲旋转轴和头罩旋转轴/>确定对应的旋转方向，根据背甲旋转角度/>和头罩旋转角度/>确定对应的活动度，从而计算得到腰椎左右旋转角度、腰椎左右侧屈角度、腰椎前后屈伸角度，颈椎左右旋转角度、颈椎左右侧屈角度和颈椎前后屈伸角度，则测量出相应的脊柱活动度。

如图17所示，为被测者做腰椎活动度检测动作时，经罗德里格斯变换解算运动时刻背甲标记点到背甲标记点基准的旋转矩阵/>，而得到的做相应动作的旋转向量示意图，具体包括：腰椎左旋转动作的旋转向量/>、右旋转动作的旋转向量/>、左侧屈动作的旋转向量/>、右侧屈动作的旋转向量/>、前屈动作的旋转向量/>和后伸动作的旋转向量/>。如图18所示，为被测者做颈椎活动度检测动作时，经罗德里格斯变换解算运动时刻头罩标记点到头罩标记点基准的旋转矩阵/>，而得到的做相应动作的旋转向量示意图，具体包括颈椎左旋转动作的旋转向量/>、右旋转动作的旋转向量/>、左侧屈动作的旋转向量/>、右侧屈动作的旋转向量/>、前屈动作的旋转向量/>和后伸动作的旋转向量/>。

本发明实施例提供的脊柱活动度测量方法，采用双目相机视觉系统拍摄在被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，被测者穿戴的背甲和头罩上分布的多个反光标记点，计算标记点空间坐标，以建立背甲标记点基准和头罩标记点基准，并得到背甲标记点和头罩标记点到对应的背甲标记点基准和头罩标记点基准的旋转平移矩阵，进而解算运动过程中标记点绕其空间轴的旋转角度，得到脊柱活动度；不需要对背甲和头罩标记点进行预先标定，也不需要建立背甲坐标系和头罩坐标系，即可实时、方便、快速、准确地测量脊柱活动度；标记点分布随机，大大降低背甲和头罩制作难度；且测量过程中无辐射，安全可靠。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种脊柱活动度测量系统，其特征在于，包括：用于供被测者穿戴的背甲和头罩，所述背甲与所述头罩上分别设置有多个反光标记点，设置在被测者身后斜上方的双目相机视觉系统，所述双目相机视觉系统连接有计算机，其中：

所述双目相机视觉系统用于在穿戴所述头罩和所述背甲的被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，对穿戴所述头罩和所述背甲的被测者进行拍摄，以获取所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像；

所述计算机用于在被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中，根据所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并根据被测者端正坐姿和完成预设测试动作的过程中所述背甲和所述头罩对应的标记点空间坐标，得到脊柱活动度。

2.根据权利要求1所述的脊柱活动度测量系统，其特征在于，所述双目相机视觉系统包括两个相机和辅助照明光源。

3.根据权利要求1所述的脊柱活动度测量系统，其特征在于，所述背甲包括一个刚性多边形平板和若干条第一可调松紧绑带，各所述第一可调松紧绑带的末端设置有锁紧卡扣，所述背甲上的多个所述反光标记点设置在所述刚性多边形平板上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第一预设阈值。

4.根据权利要求1所述的脊柱活动度测量系统，其特征在于，所述头罩包括刚性半球形头盔、内衬和第二可调松紧绑带，所述头罩上的多个所述反光标记点设置在所述刚性半球形头盔上，并且相邻反光标记点之间的间距小于第二预设阈值。

5.根据权利要求1所述的脊柱活动度测量系统，其特征在于，所述计算机具体用于：根据被测者端正坐姿时，所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，以建立背甲标记点基准和头罩标记点基准；并根据被测者完成预设测试动作过程中，所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像计算标记点空间坐标，并计算出运动时刻背甲标记点到背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和运动时刻头罩标记点到头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>；根据所述旋转平移矩阵/>和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

6.根据权利要求5所述的脊柱活动度测量系统，其特征在于，所述预设测试动作包括：腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个；对应地，所述脊柱活动度包括：腰椎左右旋转活动度、腰椎左右侧屈活动度、腰椎前后屈伸活动度、颈椎左右旋转活动度、颈椎左右侧屈活动度和颈椎前后屈伸活动度中的至少一个。

7.一种采用权利要求1-6中任一项所述系统的脊柱活动度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

在被测者端正坐姿时，根据双目相机视觉系统所获取的背甲和头罩上的各反光标记点的图像，建立背甲标记点基准和头罩标记点基准；

在被测者完成预设测试动作的过程中，根据双目相机视觉系统所获取的所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像，计算背甲标记点到所述背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和头罩标记点到所述头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>；

根据所述旋转平移矩阵和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度。

8.根据权利要求7所述的脊柱活动度测量方法，其特征在于，所述在被测者端正坐姿时，根据双目相机视觉系统所获取的背甲和头罩上的各反光标记点的图像，建立背甲标记点基准和头罩标记点基准，具体包括：

双目相机视觉系统拍摄被测者端正坐姿后的图像；

计算机根据所述双目相机视觉系统所拍摄的被测者端正坐姿后的图像，计算所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的空间坐标；

计算机以所述背甲和/或所述头罩上的任意一个反光标记点开始，计算出空间距离最近的另一个反光标记点，建立标记点集；

遍历计算剩余反光标记点到标记点集中每一个反光标记点的空间距离，若存在小于相邻标记点间距的背甲所对应的第一预设阈值或头罩所对应的第二预设阈值的反光标记点，则将该反光标记点加入标记点集/>，直到某一次遍历过程中，没有满足第一预设阈值或第二预设阈值的反光标记点，结束遍历；

将同样满足相邻标记点间距小于第二预设阈值或第一预设阈值的条件的剩余反光标记点，构成另一个标记点集；

分别对标记点集和标记点集/>进行平面拟合，将平面度高的点集作为背甲标记点，则另一个点集中的标记点作为头罩标记点；

将背甲标记点所对应的空间坐标构成背甲标记点基准，将头罩标记点所对应的空间坐标构成头罩标记点基准/>。

9.根据权利要求7所述的脊柱活动度测量方法，其特征在于，所述在被测者完成预设测试动作的过程中，根据双目相机视觉系统所获取的所述背甲和所述头罩上的各所述反光标记点的图像，计算背甲标记点到所述背甲标记点基准的旋转平移矩阵，和头罩标记点到所述头罩标记点基准的旋转平移矩阵/>，具体包括：

被测者做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作和颈椎前后屈伸动作中的至少一个至最大程度，双目相机视觉系统实时采集被测者运动过程中背甲和头罩上的各反光标记点的图像；

计算机识别并计算运动过程中，背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标；

在计算得到的背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中，分别找到与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>和与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>；

根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与背甲标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，背甲标记点到背甲标记点基准/>的旋转平移矩阵/>；并根据双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>与头罩标记点基准/>中各同名标记点的空间坐标的对应关系，采用SVD分解法，求解出运动过程中，头罩标记点到头罩标记点基准/>的旋转平移矩阵/>，

在计算得到的背甲和头罩上的各反光标记点在双目相机视觉系统坐标系下的空间坐标中，所述分别找到与背甲标记点基准中的反光标记点为相同点的同名标记点/>和与头罩标记点基准/>中的反光标记点为相同点的同名标记点/>，具体包括：

计算背甲标记点基准中每一个背甲标记点到其它背甲标记点的空间距离，计算头罩标记点基准/>中每一个头罩标记点到其它头罩标记点的空间距离，构成各反光标记点的空间编码；

在被测者完成预设测试动作的过程中，将与背甲标记点基准或头罩标记点基准/>中的反光标记点具有相同空间编码的反光标记点，作为对应的同名标记点。

10.根据权利要求7所述的脊柱活动度测量方法，其特征在于，所述根据所述旋转平移矩阵和所述旋转平移矩阵/>得到脊柱活动度，具体包括：

被测者同一时刻做腰椎左右旋转动作、腰椎左右侧屈动作、腰椎前后屈伸动作、颈椎左右旋转动作、颈椎左右侧屈动作、颈椎前后屈伸动作中的一种动作至最大程度；

将旋转平移矩阵中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到背甲旋转向量/>，将旋转平移矩阵/>中的旋转矩阵/>经罗德里格斯变换，解算得到头罩旋转向量/>；

计算旋转向量和/>的模，并对旋转向量/>和旋转向量/>进行归一化，得到背甲旋转角度和头罩旋转角度/>，背甲旋转轴/>和头罩旋转轴/>；

根据背甲旋转轴和头罩旋转轴/>确定对应的旋转方向，根据背甲旋转角度/>和头罩旋转角度/>确定对应的活动度，从而计算得到腰椎左右旋转角度、腰椎左右侧屈角度、腰椎前后屈伸角度，颈椎左右旋转角度、颈椎左右侧屈角度和颈椎前后屈伸角度，则测量出相应的脊柱活动度。