TWI395576B - 測量頭顱轉動角度和傾斜角度之偵測模組 - Google Patents

Description

測量頭顱轉動角度和傾斜角度之偵測模組

本發明是有關於一種測量轉動角度和傾斜角度之偵測模組，特別是有關於一種用於測量頭顱轉動角度和傾斜角度之偵測模組。

測顱術(cephalometry)是齒顎矯正(orthodontics)治療過程中，用以分析病人的頭顱型態及評估治療效果相當重要的一種量測技術。請參照第1A圖、第1B圖和第1C圖，第1A圖係繪示測顱片10；第1B圖係繪示側視測顱片10的描軌圖(Tracing Paper)20；第1C圖係繪示應用描軌圖20所製成之病例報表的示意圖。如第1A圖所示之X光片在齒顎矯正學科上傳統稱之為側面(Lateral View)頭顱X光片，簡稱為測顱片10，為測顱分析慣用的影像資料。在臨床齒顎矯正流程中，齒顎矯正專科醫師首先經由測顱片10(X光片)，以徒手描繪的方式來製作如第1B圖所示之描軌圖20，醫師再依解剖學的位置標來定界標點(Landmark)於描軌圖20上，如第1C圖所示之界標點S、Po、Ar、Go、B、Pog、N、ANS、A、Gn和Me等。然後從界標點的相關位置測量特定的角度、距離等數據，藉以提供測顱分析所用之資料，而獲得如第1C圖所示之病例報表。對於進行齒顎矯正或正顎手術的X光片(測顱片10)均會進行上述之步驟，有時在整型外科中顱顏手術分析也會使用這些步驟， 其主要目的係在於了解病患頭顱的型態及齒顎結構，以利進行後續的診斷與治療，評估矯正過程的顏面、齒顎結構變化或手術成效，亦可用於評估追蹤生長過程所造成的頭顱或顏面結構改變的型態變化。

由上述說明可知，描軌圖的正確性與X光片的拍攝品質有很大的相關性。舉例而言，病人若於拍攝X光片時不小心轉動頭顱，此時所攝得之測顱片便會有角度偏差的問題，而使後續描軌圖的製作變的困難。因此，在拍攝X光片時，病人會戴上頭顱固定器。頭顱固定器為類似耳機之結構，但其耳罩部份具有細長之突出物，將此突出物插入耳道內，可限制病人頭顱的轉動角度。

然而，頭顱固定器只能限制病人頭顱的轉動角度，卻不能限制病人頭顱的傾斜度。若醫師需要正面(Posteroanterior View)頭顱X光片來進行治療，病人頭顱的傾斜度所造成的拍攝時的投影誤差，會嚴重影響後續描軌圖以及測顱分析的正確性。

因此，本發明之一方面係在提供一種測量頭顱轉動角度和傾斜角度之偵測模組。

根據本發明之一實施例，此偵測模組至少包含：載具、加速度計、電子羅盤、小型LCD平面顯示器面板和傳送介面，其中載具係用以戴在使用者之頭顱上，而加速度計和電子羅盤則固定於載具上。加速度計係用以測量使用者頭 顱之傾斜角度，電子羅盤係用以測量使用者頭顱之轉動角度，而傳送介面係用以接收傾斜角度和轉動角度，並將其輸出至外部系統和小型LCD平面顯示器面板即時顯示量測出的頭顱角度。

根據本發明之另一實施例，此傳送介面包含無線傳輸模組，其中無線傳輸模組係電性連接至加速度計和電子羅盤，以利用電磁波來傳送轉動角度和傾斜角度至外部系統。

請同時參照第2圖和第3圖，第2圖係繪示根據本發明第一實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組100的功能方塊圖，第3圖係繪示根據本發明第一實施例之顯示器109的結構示意圖。角度偵測模組100包含載具(未示於第2圖)、加速度計104、電子羅盤106傳送介面108和顯示器109，其中載具係用以戴在使用者之頭顱上，而顯示器109包含有顯示螢幕109a。加速度計104和電子羅盤106係設實於載具上，以偵測使用者頭顱的轉動角度和傾斜角度。傳送介面108係電性連至加速度計104和電子羅盤106。傳送介面108可接收加速度計104和電子羅盤106所測得之轉動角度和傾斜角度，並將其輸出至外部系統。

當外部系統接收到無線感測模組所量測到的頭顱旋轉角度後，可透過預設的人機介面來顯示頭顱旋轉角度。在本實施例中，外部系統係利用一般桌上型電腦或筆記型電腦來架構而成，並利用過USB介面方式來與傳送介面108 連接。透過控制器與無線傳輸模組，可即時將頭顱旋轉角度顯示於模組上的顯示器109(例如：小型LCD平面顯示器面板)，以及輸出至電腦螢幕與儲存於資料庫中。因此，醫師或X光攝影人員可透過小型LCD平面顯示器面板或者電腦端的人機介面來得知病人頭顱角度的變化，並進行適當的處理。例如：X光攝影人員可根據病人頭顱角度的變化來即時修正頭顱的位置，以拍攝出偏移角度較小的X光片，又例如：醫師可根據病人頭顱角度的變化，利用影像處理系統來對數位化的X光片進行影像補償，以獲得頭顱偏移角度較小的X光片。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明一實施例之加速度計104的結構示意圖。加速度計104至少包含溫度計104a、加熱器104b和處理器，其中溫度計104a係設置於加速度計104的四個角落，而加熱器104b則設置於溫度計104a中間，用以加熱加速度計104中的氣體。當加速度計104往某一個方向傾斜時，被加熱的氣體因為地心引力的關係，仍可維持與地表水平面垂直向上移動，此時，四周的四個溫度計104a，因為熱氣的接近，便會有不同的溫度變化。而加速度計104即是利用此溫度變化的程度來換算物體傾斜的角度。

請參照第5圖，其係繪示根據本發明一實施例之電子羅盤106的結構示意圖。電子羅盤106包含磁阻偵測器106a和電源電路106b，其中磁阻偵測器106a係藉由磁阻的變化來計算出電子羅盤106的轉動角度θ，而電源電路106b則 用以提供電能給磁阻偵測器106a。在本實例中，電子羅盤106係利用磁通量閘門(flux gate)原理來偵測頭顱轉動角度，然而在本發明之其他實施例中，電子羅盤亦可利用霍爾效應(Hall effect)來偵測頭顱轉動角度。

請參照第6圖，其係繪示根據本發明一實施例之載具150的結構示意圖。在本實施例中，為了能將偵測模組100用以戴在頭顱上，將載具150設計成帽子，此帽子之形狀係與使用者頭顱的形狀匹配，以防止帽子鬆動而影響偵測模組100之準確度。另外，此帽子係由X光可穿透的材質(X-ray transparent material)例如塑膠所製成。此外，根據本發明之載具亦可設計成具有框架及/或皮帶，用以將偵測模組100固定在使用者頭顱上。值得注意的是，顯示器109可設置於偵測模組100之側面，以方便X光攝影人員讀取角度值。

請參照第7圖，其係繪示根據本發明第五實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組200的功能方塊圖。角度偵測模組200係類似於角度偵測模組100。由於使用者頭部轉動時，假如透過有線方式傳送的話，會讓使用者在運動過程中有阻礙，且加重整個角度偵測模組的重量，因此較佳係透過無線傳輸的方式將使用者之頭顱角度的變化傳送到外部系統。在本實施例中，角度偵測模組200之傳送介面108係包含無線傳輸模組202。無線傳輸模組202係電性連接至加速度計104和電子羅盤106，以利用電磁波來傳送加速度計104和電子羅盤106所測得之轉動角 度和傾斜角度。在本實施例中，外部系統(例如前述之桌上型電腦或筆記型電腦)設有無線接收模組(未示於圖中)用以接收無線傳輸模組202所傳送之資料。無線傳輸模組202與無線接收模組係採用相同之通訊協定，例如：ZigBee通訊協定、藍芽無線傳輸。

一般而言，外部系統被設置於監控人員處，加速度計104、電子羅盤106和無線傳輸模組202係設置於載具上，而載具係用以戴在使用者之頭顱上。在X光攝影過程中，X光攝影室會出現大量的放射物質，因此病人拍攝X光片時，監控人員會離開X光攝影室外進行攝影程序。利用無線傳輸模組202來傳輸角度資料，可減少X光攝影室中的資料傳輸線，減少架設資料傳輸裝置之成本。

請參考第8圖，其係繪示根據本發明第六實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組300的功能方塊圖。角度偵測模組300係類似於角度偵測模組200，但不同之處在於，角度偵測模組300更包含控制器310。控制器310用以整合與控制加速度計104、電子羅盤106和無線傳輸模組202，使加速度計104和電子羅盤106所測得之角度能正確地經由無線傳輸模組202來傳輸。在本實施例中，控制器310為美國Parallax公司所開發的微控制器Basic Stamp2，然而本發明並不受限於此。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧測顱片

20‧‧‧描軌圖

100‧‧‧偵測模組

104‧‧‧加速度計

104a‧‧‧溫度計

104b‧‧‧加熱器

106‧‧‧電子羅盤

106a‧‧‧磁阻偵測器

106b‧‧‧電源電路

108‧‧‧傳送介面

109‧‧‧顯示器

109a‧‧‧顯示螢幕

150‧‧‧載具

200‧‧‧偵測模組

202‧‧‧無線傳輸模組

300‧‧‧偵測模組

310‧‧‧控制器

θ‧‧‧轉動角度

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1A圖係繪示測顱片10。

第1B圖係繪示側視測顱片的描軌圖(Tracing Paper)。

第1C圖係繪示應用描軌圖所製成之病例報表的示意圖。

第2圖係繪示根據本發明一實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組的功能方塊圖。

第3圖係繪示根據本發明第一實施例之顯示器109的結構示意圖。

第4圖係繪示根據本發明一實施例之加速度計的結構示意圖。

第5圖係繪示根據本發明一實施例之加速度計的結構示意圖。

第6圖係繪示根據本發明一實施例之載具的結構示意圖。

第7圖係繪示根據本發明一實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組的功能方塊圖。

第8圖係繪示根據本發明另一實施例之測量頭顱轉動角度和傾斜角度的偵測模組的功能方塊圖。

104‧‧‧加速度計

106‧‧‧電子羅盤

108‧‧‧傳送介面

109‧‧‧顯示器

200‧‧‧偵測模組

202‧‧‧無線傳輸模組

Claims (8)

1. 一種測量頭顱轉動角度和傾斜角度之偵測模組，至少包含：一載具，用以戴在一使用者之頭顱上；一加速度計，設置於該載具上，其中該加速度計係用以測量該使用者頭顱之一傾斜角度，該加速度計至少包含四個溫度計、一加熱器及一氣體，該些溫度計分別設置於該加速度計之角落，該加熱器則設置於該些溫度計中間，以加熱該氣體，當該使用者頭顱有該傾斜角度時，各該些溫度計藉由加熱之該氣體的接近，取得不同的溫度變化，藉以換算該傾斜角度；一電子羅盤，設置於該載具上，其中該電子羅盤係用以測量該使用者頭顱之一轉動角度；以及一傳送介面，用以接收該傾斜角度和該轉動角度，並將該傾斜角度和該轉動角度輸出至一外部系統。
2. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，其中該傳送介面包含一無線傳輸模組，該無線傳輸模組係電性連接至該加速度計和該電子羅盤，以利用電磁波來傳送該轉動角度和該傾斜角度至該外部系統。
3. 如申請專利範圍第2項所述之偵測模組，其中該電磁波為紅外線。
4. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，其中該電子羅盤係利用磁通量閘門(flux gate)原理來偵測該轉動角度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，其中該電子羅 盤係利用霍爾效應(Hall effect)來偵測該轉動角度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，其中該加速度計係利用加熱器和溫度計來計算偵測該傾斜角度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，其中載具為一頭套，該頭套之形狀係與該使用者頭顱之形狀匹配，以使該頭套固定於該使用者之頭顱上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之偵測模組，更包含一顯示器，電性連接至該加速度計和該電子羅盤，以顯示該傾斜角度和該轉動角度之值。