CN113951874B - 一种脊柱侧弯风险评估系统 - Google Patents
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Abstract
一种脊柱侧弯风险评估系统，涉及计算机视觉技术领域，解决现有技术在检测过程中，存在测量效率低且无法获得准确数据的问题，该系统包括视觉激光探测器，导轨，支撑结构、控制器和计算机；视觉激光探测器安装在导轨上，导轨安装在所述支撑结构上，计算机与视觉激光探测器以及控制器连接；控制器控制所述视觉激光探测器沿导轨运动方向做直线运动，被测试者以最大幅度向前弯腰站在视觉激光探测器的正下方，视觉激光探测器获取被测试者脊柱的三维轮廓线图像并传送至计算机；并计算所述三维轮廓线相对于水平面的旋转角，获得脊柱侧弯风险值；本发明在短时间内获取大量的人体轮廓线进行系统分析，有效降低人工采样数据存在的误差；缩短了风险评估时间。
Description
技术领域
本发明涉及计算机视觉技术领域，具体涉及一种脊柱侧弯风险评估系统。
背景技术
脊柱侧弯是一种适于青少年时期，涉及冠状面、矢状面和水平面的三维脊柱畸形，其发病机制尚无定论。脊柱侧弯现象在人群中占比大约为2％～3％，特别是10～12岁生长发育旺盛期间，侧弯畸形发展得更快，以至于导致劳动能力下降，还会导致社会心理问题。
目前，国内常用X线摄片、脊柱测量尺等方法进行脊柱侧弯筛查，其中，X线摄片能够清晰看到脊柱骨质的变化，精确测量出Cobb角(Cobb角是脊柱侧弯严重程度的参考标准之一)，但无法实现对大规模人群的批量筛查。
脊柱测量尺是目前最简便的脊柱侧弯筛查工具，脊柱测量尺上的读数能够直观的显示人体的脊柱侧弯程度，医生只需要携带一把脊柱测量尺到学校即可开展青少年脊柱侧弯筛查，但是该技术也存在诸多弊端，首先，在人工筛查中存在主观现象及水平参差不齐等象，导致结果不准确，其次，需要专业医务人员亲自操作，不仅大大增加了人力费用，而且根据我国人口中医务人员的比例，目前无法抽调出足够的医务人员来开展全面的筛查工作。
上述问题严重制约了脊柱侧弯评估工作的全面开展，医疗领域迫切需要一款自动化、无损伤、快速、精准的脊柱侧弯检查仪器。
发明内容
本发明为解决现有人为操作的技术存在效率低、无法获得准确数据的问题，提供一种脊柱侧弯风险评估系统。
一种脊柱侧弯风险评估系统，该系统包括视觉激光探测器，导轨，支撑结构、控制器和计算机；
所述视觉激光探测器安装在所述导轨上，所述导轨安装在所述支撑结构上，所述计算机与视觉激光探测器以及控制器连接；
所述控制器控制所述视觉激光探测器沿导轨运动方向做直线运动，被测试者以最大幅度向前弯腰站在所述视觉激光探测器的正下方，所述视觉激光探测器获取被测试者脊柱的三维轮廓线图像并传送至计算机；
所述计算机计算所述三维轮廓线相对于水平面的旋转角，获得脊柱侧弯风险值；具体过程为：
首先，根据所述三维轮廓线的对称性和梯度变化，对每条三维轮廓线分别进行截取，获得位于脊柱两侧的有效轮廓线；
然后，对每条有效轮廓线进行空间直线拟合，并计算拟合后的空间直线与水平面的夹角，该夹角即为每条三维轮廓线相对于水平面的旋转角；
最后，根据获得的旋转角，采用下式计算脊柱侧弯风险值；
式中，V为脊柱侧弯风险值，N为三维轮廓线的数量，Ai为由第i条三维轮廓线计算得到的旋转角，f(·)为旋转角的权重值，p为影响权重值的因素，k为影响权重值的因素的数量。
本发明的有益效果：本发明采用自动化三维激光扫描系统替代现有手工操作，能够在短时间内获取大量的人体轮廓线进行系统分析，有效降低了人工采样数据存在的误差；本发明系统能够在几秒内自动完成所有的数据采集与分析工作，大大缩短了风险评估时间；本发明采用自动化设备，对于有无医学知识的人员均可使用，在医务人员缺乏的情况下，也可以使用此系统，显著降低了使用要求及难度。
附图说明
图1为本发明所述的一种脊柱侧弯风险评估系统的结构示意图；
图2为脊柱三维轮廓线、空间直线拟合生成的直线和水平面示意图。
图中：1、被测试者，2、视觉激光探测器，3、导轨，4、支撑结构，5、控制器，6、计算机，7、三维轮廓线，8、空间直线拟合生成的直线，9、水平面。
具体实施方式
结合图1和图2说明本实施方式，一种脊柱侧弯风险评估系统，包括视觉激光探测器2、导轨3、支撑结构4、控制器5和计算机6组成，其中，所述视觉激光探测器2由相机和能够发射出一字型激光线的激光器组成，所述视觉激光探测器安装在所述导轨3上，所述导轨3能够使所述视觉激光探测器2沿直线运动，所述导轨3安装在所述支撑结构4上，所述控制器5用于控制所述导轨3的启动、停止、复位等操作，所述计算机6与所述控制器5、所述视觉激光探测器2相连，用于控制所述视觉激光探测器2和所述控制器5，并对所述视觉激光探测器2和所述控制器5的反馈数据进行处理获取人体背部的三维轮廓线。
所述视觉激光探测器2、导轨3、支撑结构4均具有机械调整功能，保证所述导轨3能够使所述视觉激光探测器2在水平面内做直线运动，所述视觉激光探测器2自上而下投射一字型激光线，所述一字型激光线的平面垂直于水平面9，所述视觉激光探测器2的运动方向垂直于所述一字型激光线的平面。
系统启动前，被测试者1以最大幅度向前弯腰(角度范围在85度至105度)站在所述视觉激光探测器2的正下方，被测试者1的脊柱方向尽量与所述视觉激光探测器2的运动方向保持平行，同步启动所述视觉激光探测器2和所述导轨3，使所述视觉激光探测器2发生运动，在运动过程中，根据三角测量原理，所述视觉激光探测器2以固定的距离间隔连续获取人体背部的三维轮廓线。
本实施方式中，由于一字型激光线是在垂直于水平面方向自上而下投射到被测试者1背部的，视觉激光探测器2的运动方向垂直于一字型激光线的平面，被测试者1的脊柱方向平行于视觉激光探测器2的运动方向，因此，每条脊柱三维轮廓线即为被测试者1背部垂直于脊柱方向的截面轮廓线。
所述计算机6计算每条人体背部三维轮廓线相对于水平面的旋转角；
首先，根据人体背部三维轮廓线的对称性和梯度变化趋势，对每条三维轮廓线分别进行截取，获得位于脊柱两侧的有效轮廓线，然后，对每条有效轮廓线进行空间直线拟合，并计算拟合后的空间直线与水平面的夹角，该角度即为每条三维轮廓线相对于水平面的旋转角。
图2中，脊柱三维轮廓线7进行空间直线拟合生成直线8，该直线与水平面9的夹角即为该条三维轮廓线的旋转角。脊柱侧弯风险值的计算公式为：
式中，V为脊柱侧弯风险值，N为人体背部三维轮廓线的数量，Ai为由第i条人体背部三维轮廓线计算得到的旋转角，f(·)为旋转角的权重值，权重值受到采集部位等多个因素的影响，p为影响权重值的因素，k为影响权重值的因素的数量。
这里需要说明的是，权重值f(·)是影响因素的函数，影响因素包括旋转角采集部位、整体变化趋势等多种，相关技术人员可以根据实际情况构建不同的权重值函数，如果不考虑任何特殊因素，则所有旋转角的权重值相等，由上式可知，脊柱侧弯风险值即为所有旋转角的平均值。
本实施方式中，还包括划定脊柱侧弯风险区，对脊柱侧弯进行风险评估。
设定多个脊柱侧弯风险阈值作为脊柱侧弯风险区的界限，即：设定两个阈值T1和T2，其中，T1<T2，当被测试者的脊柱侧弯风险值小于阈值T1，则处于低风险区；
当脊柱侧弯风险值处于T1和T2之间时，则处于中风险区；
当脊柱侧弯风险值大于阈值T2时，则处于高风险区。
当被测试者的脊柱侧弯风险值处于低风险区时，无需进行预警；当被测试者的脊柱侧弯风险值处于中风险区时，需要对被测试者1进行跟踪监测；当被测试者的脊柱侧弯风险值处于高风险区时，则说明被测试者脊柱侧弯较为严重。
Claims (2)
1.一种脊柱侧弯风险评估系统，其特征是：该系统包括视觉激光探测器(2)，导轨(3)，支撑结构(4)、控制器(5)和计算机(6)；
所述视觉激光探测器(2)安装在所述导轨(3)上，所述导轨(3)安装在所述支撑结构(4)上，所述计算机(6)与视觉激光探测器(2)以及控制器(5)连接；
所述控制器(5)控制所述视觉激光探测器(2)沿导轨(3)运动方向做直线运动，被测试者以最大幅度向前弯腰站在所述视觉激光探测器(2)的正下方，所述视觉激光探测器(2)获取被测试者脊柱的三维轮廓线图像并传送至计算机(6)；
所述计算机(6)计算所述三维轮廓线相对于水平面的旋转角，获得脊柱侧弯风险值；具体过程为：
首先，根据所述三维轮廓线的对称性和梯度变化，对每条三维轮廓线分别进行截取，获得位于脊柱两侧的有效轮廓线；
然后，对每条有效轮廓线进行空间直线拟合，并计算拟合后的空间直线与水平面的夹角，该夹角即为每条三维轮廓线相对于水平面的旋转角；
最后，根据获得的旋转角，采用下式计算脊柱侧弯风险值；
式中，V为脊柱侧弯风险值，N为三维轮廓线的数量，Ai为由第i条三维轮廓线计算得到的旋转角，f(·)为旋转角的权重值，p为影响权重值的因素，k为影响权重值的因素的数量；
所述视觉激光探测器在获取三维轮廓线过程中，要求脊柱方向与所述视觉激光探测器的移动方向保持平行，所述视觉激光探测器(2)以固定的距离间隔连续获取脊柱的三维轮廓线；
所述视觉激光探测器(2)自上而下出射一字型激光线，该激光线的平面垂直于水平面，所述视觉激光探测器(2)的移动方向垂直于所述一字型激光线的平面。
2.根据权利要求1所述的一种脊柱侧弯风险评估系统，其特征在于：还包括对获得的风险值进行划分，确定低风险区、中风险区和高风险区；
设定两个阈值T1和T2，其中，T1<T2，当被测试者的脊柱侧弯风险值小于阈值T1，则处于低风险区；
当脊柱侧弯风险值处于T1和T2之间时，则处于中风险区；
当脊柱侧弯风险值大于阈值T2时，则处于高风险区。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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