專利名稱：脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域，具體地說是涉及一種基于計(jì)算機(jī)視覺的脊 柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
脊柱側(cè)凸是指脊柱的一個(gè)或數(shù)個(gè)節(jié)段在冠狀面偏離中線向側(cè)方彎曲，形成帶有 弧度的脊柱畸形，通常伴有脊柱的旋轉(zhuǎn)和矢狀面上生理性前凸和后凸的增加和減少。其 中以青少年先天性脊柱側(cè)凸最為常見，約占全部脊柱側(cè)凸的75% 80%。先天性脊柱側(cè) 凸是指在胚胎期脊柱生長(zhǎng)發(fā)育過程中，脊椎分節(jié)不全和(或)形成不良所致的一種先天性 畸形，是由于脊柱兩側(cè)的生長(zhǎng)發(fā)育不平衡而出現(xiàn)脊柱側(cè)向彎曲生長(zhǎng)?；純和錾蠹?發(fā)生畸形，其病變隨著年齡增長(zhǎng)而呈進(jìn)行性加重，具有進(jìn)展快、畸形重、較僵硬、矯形 效果差、并發(fā)癥多等特點(diǎn)，是造成青少年殘疾的主要疾病之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)該病的發(fā)病率為 1.04%,無家族脊柱畸形遺傳史。
X線片是目前臨床診斷和評(píng)價(jià)脊柱側(cè)凸的主要手段。X線片作為脊柱側(cè)凸患者的 常規(guī)檢查，在顯示脊椎畸形的整體改變、柔韌性等方面有優(yōu)勢(shì)。但是X射線平片是將三 維景物顯示在二維的膠片或者熒光屏上，不同深度方向的信息重疊在一起，容易引起脊 柱畸形分類的混淆和錯(cuò)誤的判斷，并且由于側(cè)凸部位層次較多和周圍組織密度差異較大 很難選擇適當(dāng)?shù)耐队皸l件清晰顯示脊柱全貌。比如，由于X線片中頂椎附近結(jié)構(gòu)的前后 重疊、分節(jié)不全椎體間的軟骨性骨橋不顯影，使其不能全面顯示脊柱側(cè)凸的病理改變。 對(duì)于畸形嚴(yán)重的患者，由于椎體的旋轉(zhuǎn)，通常無法通過X線片法判斷畸形的類型。
許多研究者將數(shù)字化重建和快速成型技術(shù)應(yīng)用于脊柱外科臨床，并得出結(jié)論 脊柱三維重建能夠精確和直觀地反映脊柱畸形情況，從而指導(dǎo)制定手術(shù)計(jì)劃和手術(shù)操 作，因而三維重建對(duì)于觀察脊柱畸形的可行性和必要性。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用CT掃描數(shù)據(jù)建立三維模型，而且只對(duì)脊柱的一個(gè)或者 數(shù)個(gè)節(jié)段建模，而很少對(duì)整個(gè)脊柱進(jìn)行三維建模及分析。而在對(duì)整個(gè)全脊柱建模時(shí)，采 用的是通過獲取尸體標(biāo)本的斷層掃描的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，由于該建模方法耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù) 量大，更重要的是對(duì)患者的輻射嚴(yán)重，因此該建模方法難以適用于臨床應(yīng)用。近20年 來，基于兩張X光圖像的三維重建技術(shù)不斷發(fā)展，該重建技術(shù)為外科整形醫(yī)師提供了精 確的三維骨重建模型，彌補(bǔ)了僅用一張X光圖像研究側(cè)彎脊柱發(fā)病和矯形機(jī)理的不足， 同時(shí)相對(duì)于三維CT掃描重建，減少了對(duì)病人的輻射。
但已有的基于平面X光圖像的脊柱三維成像系統(tǒng)，都只能用于靜態(tài)成像，不能 用于動(dòng)態(tài)成像，因此，也限制了這些系統(tǒng)的應(yīng)用。脊柱運(yùn)動(dòng)情況的觀察和測(cè)定對(duì)脊柱運(yùn) 動(dòng)功能研究、發(fā)病機(jī)理、疾病診斷和功能評(píng)定都有重要意義，但至今仍缺乏精確的脊柱 運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法，特別是對(duì)脊柱每一活動(dòng)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)觀察，始終停留在尸體標(biāo)本、脊柱 模型或靜態(tài)X線片的研究水平上。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種動(dòng)態(tài)的脊柱三維重建及測(cè)量分 析的方法和設(shè)備。它采用X線動(dòng)態(tài)攝影技術(shù)和相應(yīng)的圖像重建及三維測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)脊 柱動(dòng)態(tài)觀察、測(cè)量及分析評(píng)價(jià)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法包括通過兩個(gè)高速X射線攝像機(jī)同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng) 的人體連續(xù)成像獲取不同時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的兩張X光圖像對(duì)，將每一時(shí)刻的兩幅X光圖像傳 送給計(jì)算機(jī)并根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺的原理和方法確定脊柱上任一特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，依 據(jù)所測(cè)多個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，確定脊柱的幾何參數(shù)并進(jìn)行三維建模，可用于對(duì)所建模 型進(jìn)行三維幾何測(cè)量以及力學(xué)性能分析。
本發(fā)明的設(shè)備包括六個(gè)部分X射線成像裝置，方位調(diào)節(jié)裝置，校準(zhǔn)裝置，壓 力測(cè)量裝置，同步發(fā)射控制裝置，分析處理與顯示部分。
X射線成像裝置包括兩個(gè)高速X射線發(fā)射器機(jī)頭和兩個(gè)X射線探測(cè)器。X射線 發(fā)生器發(fā)射X射線，穿過被測(cè)人體后被X射線探測(cè)器接收，形成X光圖像。
方位調(diào)節(jié)裝置包括一個(gè)方位調(diào)控器和四個(gè)機(jī)車構(gòu)成。每個(gè)機(jī)車上有機(jī)架和機(jī)架 臂。X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器通過機(jī)架臂設(shè)置于機(jī)架上。機(jī)架臂和機(jī)架之間能夠旋 轉(zhuǎn)，從而可以調(diào)節(jié)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器的方向。機(jī)架由內(nèi)外嵌套的兩個(gè)部分組 成，它們之間能夠相對(duì)移動(dòng)，從面調(diào)節(jié)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器在空間中的高度。 而方位調(diào)控器能夠發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，從而通過調(diào)控機(jī)車在空間中的移動(dòng)、機(jī)架臂和 機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)及機(jī)架內(nèi)外兩部分的相對(duì)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器的 方位進(jìn)行調(diào)控。
校準(zhǔn)裝置是由兩塊相互垂直的矩形平板組成，其上有許多校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)，這些校 準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)已知。
壓力測(cè)量裝置采用平板式壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括感應(yīng)平板，壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及相 應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口分別與同步信號(hào)發(fā)射控制裝置和分析處理與顯示部分的相應(yīng)接 口相連。
同步發(fā)射控制裝置由信號(hào)轉(zhuǎn)換器和同步控制電路組成。信號(hào)轉(zhuǎn)換器與壓力平板 相連，接收壓力平板力觸發(fā)信號(hào)，同步控制電路隨之產(chǎn)生同步發(fā)射控制信號(hào)。同步控制 電路輸出端直接與X射線發(fā)射控制電路相連，從而控制兩X射線發(fā)射器機(jī)頭同步發(fā)射X 光射線。
分析處理與顯示部分包括雙平面X射線成像系統(tǒng)校準(zhǔn)單元，標(biāo)志點(diǎn)提取單元， 三維重建單元以及測(cè)量分析單元。雙平面X射線成像系統(tǒng)校準(zhǔn)單元采用相應(yīng)的校準(zhǔn)算 法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙平面X射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定，從而確定攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系 之間的關(guān)系。標(biāo)志點(diǎn)提取單元采用相應(yīng)的圖像分割算法實(shí)現(xiàn)對(duì)脊柱上解剖標(biāo)志點(diǎn)的提 取。三維重建單元包括簡(jiǎn)易模型的重建及高精度模型的重建兩個(gè)部分。測(cè)量分析單元包 括幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析兩個(gè)部分。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)。其特征在于 包括至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭，用于發(fā)射X射線；以及，與所述至少兩個(gè)X射線發(fā) 射器機(jī)頭分別對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)X射線探測(cè)器，用于對(duì)脊柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)X射線成像。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于包括從至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭發(fā)射X射線；用與所述至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī) 頭分別對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)X射線成像裝置，對(duì)脊柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)X射線成像。
本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明設(shè)計(jì)的影像系統(tǒng)以常規(guī)的X線機(jī)為主，再結(jié)合非常靈活的校準(zhǔn)裝置，采 用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)視覺方法實(shí)現(xiàn)脊柱動(dòng)態(tài)三維重建及測(cè)量分析，可應(yīng)用于臨床脊柱畸形疾 病的診斷。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、相對(duì)于CT等三維重建系統(tǒng)，本系統(tǒng)對(duì)病人輻射??；
2、相對(duì)于一般的三維脊柱影像系統(tǒng)，本系統(tǒng)能夠?qū)怪M(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而可 用于如一個(gè)受試者呼吸周期或者步態(tài)周期不同時(shí)的脊柱三維重建及測(cè)量分析；
3、本發(fā)明的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)脊柱的幾何測(cè)量，而 且還能進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能分析；
4、本發(fā)明設(shè)計(jì)具備安全性高，精確度高，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性和耐用性好等特 點(diǎn)，可用于臨床診斷及評(píng)價(jià)。


圖1是脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)的組成示意圖。
圖2是脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)中校準(zhǔn)裝置的示意圖。
圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施方法流程圖。
圖4是脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)的俯視示意圖。
圖5是本發(fā)明的同步發(fā)射控制裝置產(chǎn)生的同步發(fā)射控制信號(hào)。
具體實(shí)施方式
如圖1所示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)包括四 個(gè)機(jī)車1、2、3、4，分別裝在機(jī)車2和3上的兩個(gè)高速X射線發(fā)射器機(jī)頭5、6，分別裝 在機(jī)車1和4上的兩個(gè)X射線探測(cè)器7、8，分別與發(fā)射器機(jī)頭5、6相連的兩個(gè)機(jī)架臂10、11，分別與X射線探測(cè)器7、8相連的兩個(gè)機(jī)架臂9和12，分別支持機(jī)架臂9、10、11、12的四個(gè)機(jī)架13、14、15、16，跑道18，壓力測(cè)量裝置19，影像處理計(jì)算機(jī)20，操 作及顯示界面21，同步信號(hào)發(fā)射控制裝置22。
其中，X射線發(fā)射器機(jī)頭5、6發(fā)射X射線，穿過被測(cè)人體后被對(duì)應(yīng)的X射線探 測(cè)器7、8接收，形成X光圖像，所得圖像儲(chǔ)存于影像處理計(jì)算機(jī)20中，操作及顯示界面 21用于顯示。一個(gè)方位調(diào)控器(圖上未標(biāo)出)和四個(gè)機(jī)車1-4構(gòu)成方位調(diào)節(jié)裝置。X線 發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器通過機(jī)架臂設(shè)置在機(jī)架上。機(jī)架臂和機(jī)架之間能夠旋轉(zhuǎn)，從而 可以調(diào)節(jié)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器的方向。機(jī)架13-16各可以由內(nèi)外嵌套的兩個(gè)部 分組成，它們這間能夠相對(duì)移動(dòng)，從面調(diào)節(jié)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器在空間中的高 度。方位調(diào)控器能夠發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，從而通過調(diào)控機(jī)車1-4在空間的移動(dòng)以及各 架臂9-12和相應(yīng)機(jī)架13-16之間的轉(zhuǎn)動(dòng)和各機(jī)架9-12內(nèi)外兩部分的相對(duì)移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì) 各X線發(fā)生器機(jī)頭5、6和對(duì)應(yīng)的X線探測(cè)器7、8的方位進(jìn)行調(diào)控。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，壓力測(cè)量裝置19采用平板式壓力測(cè)量系統(tǒng)，包 括感應(yīng)平板、壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口(圖上未標(biāo)出)，數(shù)據(jù)接口分別與同步發(fā)射控制裝置22和分析與顯示部分的影像處理計(jì)算機(jī)20的相應(yīng)接口相連。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，同步發(fā)射控制裝置22包括信號(hào)轉(zhuǎn)換器和同步控 制電路。信號(hào)轉(zhuǎn)換器與壓力平板相連。壓力平板所接收的力觸發(fā)信號(hào)，同步控制電路隨 之產(chǎn)生同步發(fā)射控制信號(hào)。同步控制電路輸出端直接與X射線發(fā)射控制電路相連，從而 使兩X射線發(fā)射器機(jī)頭同步發(fā)射X光射線。
如圖2所示的，是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)的校 準(zhǔn)裝置，它包括兩塊相互垂直的平板201和校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)202。這些校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)已 知。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，平板201采用有機(jī)玻璃矩形平板，校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)采用直徑 為0.5cm的鋼球。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法的流程 圖，包括以下步驟
步驟S301 方位調(diào)節(jié)步驟。
在進(jìn)行測(cè)量前，先調(diào)整X射線發(fā)射器機(jī)頭和X射線探測(cè)器到合適方位。通過方 位調(diào)控器發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，控制機(jī)車1-4移動(dòng)到空間合適位置，調(diào)節(jié)架臂9-12和相 應(yīng)機(jī)架13-16之間的角度和機(jī)架內(nèi)外兩部分的相對(duì)位置，來調(diào)整X射線發(fā)射器機(jī)頭5、6 和X射線探測(cè)器7、8到合適方位。如圖4所示，為方位調(diào)整后系統(tǒng)的俯視簡(jiǎn)易示意圖。 圖4中，X射線發(fā)射器機(jī)頭401、402分別發(fā)射的X射線束被X射線探測(cè)器403、404所 接收，形成X光圖像。兩X射線相交的部分406為進(jìn)行測(cè)試及成像的區(qū)域。
步驟S302 系統(tǒng)校準(zhǔn)步驟。
系統(tǒng)校準(zhǔn)包括對(duì)兩X線成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定是基于計(jì)算機(jī)視覺的基本原理 進(jìn)行的。計(jì)算機(jī)視覺的基本任務(wù)之一，是根據(jù)攝像機(jī)獲取的圖像信息來計(jì)算三維空間中 物體的幾何信息，并由此重建和識(shí)別物體，而空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在 圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就 是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)過程被 稱為攝像機(jī)標(biāo)定。標(biāo)定過程就是確定攝像機(jī)的幾何和光學(xué)參數(shù)以及攝像機(jī)相對(duì)于世界坐 標(biāo)系的方位。
如圖4所示，為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)的俯視 示意圖。在成像區(qū)域406中心選取一個(gè)點(diǎn)作為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，分別以平行于壓力平板 的兩個(gè)軸和垂直于壓力平板的一個(gè)軸作為世界坐標(biāo)系的X、Y、Z軸。在進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn) 時(shí)，將校準(zhǔn)裝置的原點(diǎn)與世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)相重合，相對(duì)于校準(zhǔn)平板的χ軸、y軸、ζ軸 分別與世界坐標(biāo)系的X軸、Y軸和Z軸重合，這時(shí)，校準(zhǔn)裝置上的坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系 相重合。成像時(shí)，兩個(gè)X射線發(fā)射器401、402同時(shí)發(fā)射X射線束，對(duì)校準(zhǔn)裝置成像， 獲得校準(zhǔn)裝置的X光圖像對(duì)。對(duì)X光圖像上的校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行提取獲取其在圖像坐標(biāo)中 的坐標(biāo)。然后根據(jù)這些校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo) 定，從而確定兩個(gè)X光機(jī)的幾何和光學(xué)參數(shù)及其相對(duì)于世界坐標(biāo)系的方位。
步驟S303:數(shù)據(jù)采集。
在對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，將校準(zhǔn)裝置移開，保持成像系統(tǒng)方位不變，隨后進(jìn) 行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，包括X光圖像的采集及足底壓力的采集。如圖1所示，受試者17在跑 道18上行走或者跑動(dòng)，為了減少X射線對(duì)人體的損害，受試者到達(dá)壓力平板區(qū)域前X射線機(jī)不發(fā)射X射線。當(dāng)受試者到達(dá)壓力平板19上后，壓力平板中傳感器(未顯示)感受 到人體的壓力，一方面將其存儲(chǔ)于壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中和/或傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，另一 方面，經(jīng)過數(shù)據(jù)接口與同步發(fā)射控制裝置22相連。同步發(fā)射控制裝置22中的信號(hào)轉(zhuǎn)換 器接收到壓力平板19傳來的觸發(fā)信號(hào)，而同步發(fā)射控制裝置22中的同步控制電路隨之產(chǎn) 生同步發(fā)射控制信號(hào)，控制X射線發(fā)射器機(jī)頭5、6同步發(fā)射X光射線。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的同步發(fā)射控制裝置產(chǎn)生的同步發(fā)射控制信號(hào)如圖5 所示。
步驟S304，處理分析。
分析處理包括三維模型的建立和測(cè)量分析兩個(gè)部分。
一種示例性的三維模型的建立步驟如下①提取特征點(diǎn)采用角點(diǎn)檢測(cè)，區(qū)域 生長(zhǎng)及模板匹配方法，分割出脊柱上的解剖標(biāo)志點(diǎn)。包括椎體終板的上中點(diǎn)，椎體終板 的下中點(diǎn)，椎弓根左上端點(diǎn)，椎弓根右上端點(diǎn)，椎弓根左下端點(diǎn)，椎弓根右下端點(diǎn)。② 特征點(diǎn)的三維重建通過步驟S302所得的校準(zhǔn)信息以及提取的解剖標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)， 采用立體攝影原理通過解方程求出解剖標(biāo)志點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。③對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的 CT模型，通過插值變形方法與用所測(cè)出的解剖標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行匹配，形成個(gè)性化的高精度的 脊柱三維模型。
—種示例性的測(cè)量分析包括諸如幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析。
幾何測(cè)量可包括靜態(tài)指標(biāo)脊柱三維曲線形狀，脊柱長(zhǎng)度，每個(gè)椎骨的高 度，椎骨旋轉(zhuǎn)方向，COlDb角等。動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括運(yùn)動(dòng)中相鄰椎骨間相對(duì)位移及相對(duì)旋轉(zhuǎn) 方向，椎間盤形變，韌帶形變及脊柱運(yùn)動(dòng)的顯示等。
力學(xué)性能的分析，通過所測(cè)的足底壓力，采用力傳遞模型，求出椎骨上的力， 通過不同時(shí)刻間力的變化以及形態(tài)變化，求出椎間盤的彈性模量。
實(shí)施例非侵入性腰椎屈伸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)觀察及測(cè)量分析。
脊柱的運(yùn)動(dòng)以頸椎和腰椎活動(dòng)度最大，而脊柱腰段是脊柱負(fù)荷量最大的一段， 勞損和退變的發(fā)生率也最高，因此，對(duì)腰椎運(yùn)動(dòng)學(xué)觀察具有重要意義。采用本發(fā)明可以 實(shí)現(xiàn)非侵入性活體腰椎屈伸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)觀察及測(cè)量分析。
進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，首先通過方位調(diào)控器發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，控制機(jī)車1、2、 3、4移動(dòng)到空間合適位置，調(diào)節(jié)架臂9、10、11、12和機(jī)架13、14、15、16之間的角度 和機(jī)架13、14、15、16內(nèi)外兩部分的相對(duì)位置，來調(diào)整X射線發(fā)射器機(jī)頭5、6和X射 線探測(cè)器7、8到合適方位。在在成像區(qū)域406中心選取一個(gè)點(diǎn)作為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，分 別以平行于壓力平板407的軸、垂直于壓力平板407的軸以及垂直于水平面的軸作為世界 坐標(biāo)系的X、Y、Z軸。在進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，將校準(zhǔn)平板的原點(diǎn)與世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)相 重合，校準(zhǔn)平板的χ軸、y軸、ζ軸分別與世界坐標(biāo)系的X軸、Y軸和Z軸重合，這時(shí)， 校準(zhǔn)裝置上的坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系相重合。兩X射線發(fā)射器同時(shí)發(fā)射X射線束，對(duì)校準(zhǔn) 裝置成像，獲得校準(zhǔn)裝置的X光圖像對(duì)。根據(jù)這些校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)及 世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，從而確定兩X光機(jī)的幾何和光學(xué)參數(shù)及其相對(duì)于世界坐 標(biāo)系的方位。在對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，將校準(zhǔn)裝置移開，保持成像系統(tǒng)方位不變，受 試者由全屈位到全伸位進(jìn)行勻速移動(dòng)，高速X光機(jī)每20ms對(duì)人體成像一次，并由壓力裝 置獲取力學(xué)信息。對(duì)于該過程中獲取的每一時(shí)刻的X光圖像對(duì)，進(jìn)行三維重建并進(jìn)行分析。包括五個(gè)方面的分析(1)脊柱屈伸運(yùn)動(dòng)的三維顯示對(duì)每一時(shí)刻的脊柱模型進(jìn)行 動(dòng)態(tài)播放顯示，用以直觀的觀賽脊柱的屈伸運(yùn)動(dòng)。( 角運(yùn)動(dòng)分析獲取全屈位，半屈 位，中立位，半伸位，全伸位5個(gè)時(shí)刻重建出的脊柱三維模型，分別對(duì)L1-L5椎體的上 邊緣作切線，記錄下來。分別算出Ll-2，L2-3，L3-4，L4-5上緣切線的交角。對(duì)于 屈伸運(yùn)動(dòng)5個(gè)時(shí)刻逐一進(jìn)行上述計(jì)算，用于分析角運(yùn)動(dòng)的變化。在分析時(shí)，將屈伸運(yùn)動(dòng) 時(shí)分為4個(gè)階段，即全屈到半屈，半屈-中立，中立-半伸，半伸-全伸，計(jì)算比較這 4個(gè)階段中腰椎各節(jié)段的活動(dòng)特點(diǎn)。( 平移量分析測(cè)量腰椎在屈伸時(shí)相鄰椎體之間 的平移量。獲取全屈位，半屈位，中立位，半伸位，全伸位5個(gè)時(shí)刻重建出的脊柱三維 模型，以下一椎體的后緣中點(diǎn)作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，計(jì)算不同時(shí)刻間相鄰椎體間的相對(duì) 位移。(4)變形的測(cè)量①測(cè)量椎間盤的變形，用于分析有無存在脊神經(jīng)卡壓等癥狀出 現(xiàn)。由于椎骨比較硬，可看作剛體，可認(rèn)為在脊柱運(yùn)動(dòng)中不變形。因此，脊柱的運(yùn)動(dòng)主 要是椎間盤的變形造成的。分別對(duì)各椎骨的的上邊緣和下邊緣作切線，然后計(jì)算相鄰椎 骨中下位椎骨上邊緣與上位椎骨下邊緣切線的夾角，該角夾的變化可近似作為椎間盤的 變化。②韌帶的變形測(cè)量不同時(shí)刻椎骨上韌帶起止點(diǎn)之間距離的變化，可作為韌帶的 變形。( 力學(xué)性能分析通過不同時(shí)態(tài)所測(cè)力的變化，以及椎間盤形態(tài)的變化，可以 測(cè)量椎間盤的彈性模量。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在以上敘述和說明中對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的描述只是說明而非限定 性的，且在不脫離如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的前提下，可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行 各種改變、變形、和/或修正。
附圖標(biāo)號(hào)說明
1-4:機(jī)車 5、6: X射線發(fā)射器機(jī)7、8: X射線探測(cè)器
9-12 機(jī)架臂13-16、機(jī)架 17、受試者
18、跑道 19、壓力測(cè)量裝置 20、影像處理計(jì)算機(jī)
21、操作及顯示界面
22、同步信號(hào)發(fā)射控制裝置
權(quán)利要求
1.一種脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)。其特征在于包括 至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)，用于發(fā)射X射線；與所述至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)分別對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)X射線探測(cè)器(7、 8)，用于對(duì)脊柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)X射線成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括 同步發(fā)射控制裝置(22)，用于控制所述至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)的X射線同步發(fā)射；分析處理與顯示部分，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)雙/多平面X射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定、實(shí)現(xiàn)三維重 建、進(jìn)行幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于 所述X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)是高速X射線發(fā)射器機(jī)頭；所述分析處理與顯示部分進(jìn)一步包括雙/多平面X射線成像系統(tǒng)校準(zhǔn)單元，用于采用相應(yīng)的校準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙平面X 射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定，從而確定攝像機(jī)的圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，標(biāo)志點(diǎn)提取單元，用于采用相應(yīng)的圖像分割算法實(shí)現(xiàn)對(duì)脊柱上解剖標(biāo)志點(diǎn)的提取， 三維重建單元，用于進(jìn)行簡(jiǎn)易模型的重建及高精度模型的重建， 以及測(cè)量分析單元，用于進(jìn)行幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一 步包括方位調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)X光機(jī)的方向和位置；校準(zhǔn)裝置用于成像系統(tǒng)的校準(zhǔn)；壓力測(cè)量裝置用于壓力測(cè)量及產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)，其特征在于所述方位調(diào)節(jié)裝置包括一個(gè)方位調(diào)控器和四個(gè)機(jī)車，每個(gè)機(jī)車上有機(jī)架和機(jī)架臂。 機(jī)架臂和機(jī)架之間能夠旋轉(zhuǎn)，機(jī)架包括內(nèi)外嵌套的兩個(gè)部分，它們之間能夠相對(duì)移動(dòng)， 而方位調(diào)控器能夠發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，從而通過調(diào)控機(jī)車在空間的移動(dòng)、機(jī)架臂和機(jī) 架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)及機(jī)架內(nèi)外兩部分的相對(duì)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器的方 位進(jìn)行調(diào)控；所述同步發(fā)射控制裝置包括信號(hào)轉(zhuǎn)換器和同步控制電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換器與壓力平板相 連，接收壓力平板力觸發(fā)信號(hào)，同步控制電路隨之產(chǎn)生同步發(fā)射控制信號(hào)，同步控制電 路輸出端直接與X射線發(fā)射控制電路相連，從而控制兩X射線發(fā)射器機(jī)頭同步發(fā)射X光 射線；所述校準(zhǔn)裝置包括兩塊互相垂直的矩形平板，其上有許多校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)，這些校準(zhǔn)標(biāo) 志點(diǎn)的坐標(biāo)已知；所述壓力測(cè)量裝置采用平板式壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括感應(yīng)平板，壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及相 應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口分別與同步信號(hào)發(fā)射控制裝置和分析處理與顯示部分的相應(yīng)接 口相連。
6.一種脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于包括 從至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)發(fā)射X射線；用與所述至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)分別對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)X射線成像裝置 (8、7)，對(duì)脊柱進(jìn)行動(dòng)態(tài)X射線成像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于進(jìn)一步包括 用一個(gè)同步發(fā)射控制裝置(22)控制所述至少兩個(gè)X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)的X射線同步發(fā)射；分析處理與顯示步驟，對(duì)雙/多平面X射線成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定、三維重建、幾何測(cè)量 及力學(xué)性能分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于 所述X射線發(fā)射器機(jī)頭(5、6)是高速X射線發(fā)射器機(jī)頭；所述分析處理與顯示步驟進(jìn)一步包括采用相應(yīng)的校準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙平面X射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定，從而確定攝像機(jī)的圖 像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，采用相應(yīng)的圖像分割算法實(shí)現(xiàn)對(duì)脊柱上解剖標(biāo)志點(diǎn)的提取， 進(jìn)行簡(jiǎn)易模型的重建及高精度模型的重建， 進(jìn)行幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任何一項(xiàng)所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于進(jìn)一 步包括用方位調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)X光機(jī)的方向和位置；用校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)成像系統(tǒng)；用壓力測(cè)量裝置進(jìn)行壓力測(cè)量及產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析方法，其特征在于所述方位調(diào)節(jié)裝置包括一個(gè)方位調(diào)控器和四個(gè)機(jī)車，每個(gè)機(jī)車上有機(jī)架和機(jī)架臂。 機(jī)架臂和機(jī)架之間能夠旋轉(zhuǎn)，機(jī)架包括內(nèi)外嵌套的兩個(gè)部分，它們之間能夠相對(duì)移動(dòng)， 而方位調(diào)控器能夠發(fā)射無線電調(diào)控信號(hào)，從而通過調(diào)控機(jī)車在空間的移動(dòng)、機(jī)架臂和機(jī) 架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)及機(jī)架內(nèi)外兩部分的相對(duì)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)X線發(fā)生器機(jī)頭和X線探測(cè)器的方 位進(jìn)行調(diào)控；所述同步發(fā)射控制裝置包括信號(hào)轉(zhuǎn)換器和同步控制電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換器與壓力平板相 連，接收壓力平板力觸發(fā)信號(hào)，同步控制電路隨之產(chǎn)生同步發(fā)射控制信號(hào)，同步控制電 路輸出端直接與X射線發(fā)射控制電路相連，從而控制兩X射線發(fā)射器機(jī)頭同步發(fā)射X光 射線；所述校準(zhǔn)裝置包括兩塊互相垂直的矩形平板，其上有許多校準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)，這些校準(zhǔn)標(biāo) 志點(diǎn)的坐標(biāo)已知；所述壓力測(cè)量裝置采用平板式壓力測(cè)量系統(tǒng)，包括感應(yīng)平板，壓力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及相 應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)接口分別與同步信號(hào)發(fā)射控制裝置和分析處理與顯示部分的相應(yīng)接 口相連， 其中通過兩個(gè)高速X射線攝像機(jī)同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體連續(xù)成像獲取不同時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的兩張 X光圖像對(duì)，將每一時(shí)刻的兩幅X光圖像傳送給計(jì)算機(jī)并根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺的原理和方法 確定脊柱上任一特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，依據(jù)所測(cè)多個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，確定脊柱的幾何參數(shù)并進(jìn)行三維建模，對(duì)所建模型進(jìn)行三維幾何測(cè)量以及力學(xué)性能分析；所述幾何測(cè)量包括對(duì)靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)的測(cè)量，所述靜態(tài)指標(biāo)包括脊柱三維曲線 形狀、脊柱長(zhǎng)度、每個(gè)椎骨的高度、椎骨旋轉(zhuǎn)方向，CObb角；所述動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括運(yùn)動(dòng)中 相鄰椎骨間相對(duì)位移及相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向、椎間盤形變、韌帶形變及脊柱運(yùn)動(dòng)。所述力學(xué)性能的分析包括通過所測(cè)的足底壓力，采用力傳遞模型，求出椎骨上的 力，通過不同時(shí)刻間力的變化以及形態(tài)變化，得到椎間盤的力學(xué)性能指標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種脊柱三維動(dòng)態(tài)測(cè)量分析系統(tǒng)及方法，包括X射線成像裝置，用于動(dòng)態(tài)X射線成像；方位調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)X光機(jī)的方向和位置；同步發(fā)射控制裝置，用于控制兩X射線機(jī)同時(shí)發(fā)射X射線成像；校準(zhǔn)裝置，用于成像系統(tǒng)的校準(zhǔn)；壓力測(cè)量裝置，用于壓力測(cè)量及產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；分析處理與顯示部分，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)三維脊柱的幾何測(cè)量及力學(xué)性能分析。本發(fā)明所采用的方法和設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，且有很強(qiáng)的魯棒性，在臨床上有很大的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)A61B6/03GK102018527SQ20101054074
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者吳志宏, 張明崢, 李德玉, 楊陽, 樊瑜波, 蘇宏倫, 蒲放 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院, 北京航空航天大學(xué), 國(guó)家康復(fù)輔具研究中心