[发明专利]脊柱三维动态测量分析系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程研究领域，具体地说是涉及一种基于计算机视觉的脊柱三维动态测量分析系统及方法。

背景技术

脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段在冠状面偏离中线向侧方弯曲，形成带有弧度的脊柱畸形，通常伴有脊柱的旋转和矢状面上生理性前凸和后凸的增加和减少。其中以青少年先天性脊柱侧凸最为常见，约占全部脊柱侧凸的75％～80％。先天性脊柱侧凸是指在胚胎期脊柱生长发育过程中，脊椎分节不全和(或)形成不良所致的一种先天性畸形，是由于脊柱两侧的生长发育不平衡而出现脊柱侧向弯曲生长。患儿往往出生后即发生畸形，其病变随着年龄增长而呈进行性加重，具有进展快、畸形重、较僵硬、矫形效果差、并发症多等特点，是造成青少年残疾的主要疾病之一。据统计该病的发病率为1.04％，无家族脊柱畸形遗传史。

X线片是目前临床诊断和评价脊柱侧凸的主要手段。X线片作为脊柱侧凸患者的常规检查，在显示脊椎畸形的整体改变、柔韧性等方面有优势。但是X射线平片是将三维景物显示在二维的胶片或者荧光屏上，不同深度方向的信息重叠在一起，容易引起脊柱畸形分类的混淆和错误的判断，并且由于侧凸部位层次较多和周围组织密度差异较大很难选择适当的投影条件清晰显示脊柱全貌。比如，由于X线片中顶椎附近结构的前后重叠、分节不全椎体间的软骨性骨桥不显影，使其不能全面显示脊柱侧凸的病理改变。对于畸形严重的患者，由于椎体的旋转，通常无法通过X线片法判断畸形的类型。

许多研究者将数字化重建和快速成型技术应用于脊柱外科临床，并得出结论：脊柱三维重建能够精确和直观地反映脊柱畸形情况，从而指导制定手术计划和手术操作，因而三维重建对于观察脊柱畸形的可行性和必要性。

目前，国内外学者多采用CT扫描数据建立三维模型，而且只对脊柱的一个或者数个节段建模，而很少对整个脊柱进行三维建模及分析。而在对整个全脊柱建模时，采用的是通过获取尸体标本的断层扫描的CT数据进行建模，由于该建模方法耗时长，数据量大，更重要的是对患者的辐射严重，因此该建模方法难以适用于临床应用。近20年来，基于两张X光图像的三维重建技术不断发展，该重建技术为外科整形医师提供了精确的三维骨重建模型，弥补了仅用一张X光图像研究侧弯脊柱发病和矫形机理的不足，同时相对于三维CT扫描重建，减少了对病人的辐射。

但已有的基于平面X光图像的脊柱三维成像系统，都只能用于静态成像，不能用于动态成像，因此，也限制了这些系统的应用。脊柱运动情况的观察和测定对脊柱运动功能研究、发病机理、疾病诊断和功能评定都有重要意义，但至今仍缺乏精确的脊柱运动测量方法，特别是对脊柱每一活动节段的运动学观察，始终停留在尸体标本、脊柱模型或静态X线片的研究水平上。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种动态的脊柱三维重建及测量分析的方法和设备。它采用X线动态摄影技术和相应的图像重建及三维测量技术实现对脊柱动态观察、测量及分析评价。

根据本发明的一个实施例的方法包括：通过两个高速X射线摄像机同时对运动的人体连续成像获取不同时刻相对应的两张X光图像对，将每一时刻的两幅X光图像传送给计算机并根据计算机视觉的原理和方法确定脊柱上任一特征点的三维空间坐标，依据所测多个特征点的三维坐标，确定脊柱的几何参数并进行三维建模，可用于对所建模型进行三维几何测量以及力学性能分析。

本发明的设备包括六个部分：X射线成像装置，方位调节装置，校准装置，压力测量装置，同步发射控制装置，分析处理与显示部分。

X射线成像装置包括两个高速X射线发射器机头和两个X射线探测器。X射线发生器发射X射线，穿过被测人体后被X射线探测器接收，形成X光图像。

方位调节装置包括一个方位调控器和四个机车构成。每个机车上有机架和机架臂。X线发生器机头和X线探测器通过机架臂设置于机架上。机架臂和机架之间能够旋转，从而可以调节X线发生器机头和X线探测器的方向。机架由内外嵌套的两个部分组成，它们之间能够相对移动，从面调节X线发生器机头和X线探测器在空间中的高度。而方位调控器能够发射无线电调控信号，从而通过调控机车在空间中的移动、机架臂和机架之间的转动及机架内外两部分的相对移动来实现对X线发生器机头和X线探测器的方位进行调控。

校准装置是由两块相互垂直的矩形平板组成，其上有许多校准标志点，这些校准标志点的坐标已知。

压力测量装置采用平板式压力测量系统，包括感应平板，压力数据存储器及相应的数据接口，数据接口分别与同步信号发射控制装置和分析处理与显示部分的相应接口相连。