способ воссоздания трехмерной поверхности тела человека и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ воссоздания трехмерной поверхности тела человека, включающий проецирование регулярной геометрической структуры на тело человека и фиксирование картины искажений геометрической структуры, производимых при перекрещивающихся оптических осях проектора и фиксирующего устройства, передачу последним картины искажений, прием и компьютерную обработку первичной информации, воссоздание трехмерной формы обследуемой поверхности, отличающийся тем, что проектор и фиксирующее устройство размещают так, чтобы поле проецирования проектора и поле зрения фиксирующего устройства во фронтальной плоскости, проходящей через позвоночник обследуемого человека, вмещало бы тело человека с максимальными антропологическими признаками, и чтобы при перекрещивании оптических осей в одной плоскости угол наклона последней к горизонтали находился в пределах от 1 до 89^o в зависимости от антропологических признаков обследуемого человека.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве регулярной геометрической структуры используют сетчатую структуру, которая может быть представлена в виде периодически повторяющихся квадратов, треугольников, кругов и/или их элементов в любом сочетании.

3. Установка для воссоздания трехмерной поверхности тела человека, содержащая проектор для проецирования регулярной геометрической структуры на тело человека и устройство фиксирования картины искажений геометрической структуры, размещенные относительно друг друга с перекрещиванием их оптических осей, компьютер для приема и обработки поступающей из фиксирующего устройства информации и воссоздания обследуемой трехмерной поверхности, отличающаяся тем, что проектор и фиксирующее устройство установлены так, чтобы вертикальная плоскость, проходящая через оптическую ось фиксирующего устройства, была наклонена к плоскости, совпадающей с проходящей через позвоночник обследуемого человека фронтальной плоскостью, а поле проецирования проектора и поле зрения фиксирующего устройства в фронтальной плоскости вмещало тело обследуемого с максимальными антропологическими признаками, при этом установка снабжена плоскостным и объемным тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что величина угла наклона вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось фиксирующего устройства, по отношению к плоскости, совпадающей с условной фронтальной плоскостью, в зависимости от удаления этой плоскости от фиксирующего устройства находится в пределах от 45 до 90^o.

5. Установка по п. 3 и/или 4, отличающаяся тем, что при перекрещивании оптических осей проектора и фиксирующего устройства в одной плоскости угол наклона последней к горизонтали находится в пределах от 1 до 89^o, в зависимости от антропологических признаков обследуемого человека.

6. Установка по п. 3 и/или 4 и 5, отличающаяся тем, что в качестве фиксирующего устройства используется цветной цифровой фотоаппарат высокого разрешения.

7. Установка по п. 3 и/или 4-6, отличающаяся тем, что объемный тест-объект выполнен в виде двух прямоугольных планшетов, смонтированных один горизонтально, второй под фиксированным углом к первому и ориентированных наружной наклонной поверхностью к проектору и фиксирующему устройству, при этом угол наклона выбирается в пределах от 30 до 60^o.

8. Установка по п. 3 и/или 4-6, отличающаяся тем, что в качестве плоскостного тест-объекта используется строительный уровень.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, в частности к способам и устройствам, предназначенным для воспроизведения и регистрации трехмерной поверхности тела человека, используемого, например, при диагностике заболеваний позвоночника при его деформациях. Изобретение может быть использовано в ортопедии, травматологии, реабилитации, при проведении массовых профилактических осмотров в стационарных условиях или в режиме скрининга - на выезде.

Известен метод бесконтактного воспроизведения и регистрации формы туловища человека, так называемый метод муаровой топографии (Takasaki, 1970; Inoue et al., 1977; Pope et al., 1978; Suzuki, 1979; Kamal et al., 1981). Этот метод позволяет практически мгновенно зарегистрировать графическое представление формы обследуемой поверхности в целом в виде линий равного уровня, подобно топографическим картам.

Однако использование этого метода при диагностике заболеваний позвоночника связано с большой трудоемкостью обработки муаровых топограмм, т.к. диагностика по таким топограммам основана на визуальном их анализе.

Известен метод сканирования обследуемой поверхности светлой линией, при котором обследуемый пациент устанавливается на определенной дистанции спиной к проектору и на него проецируется изображение светлой прямой линии, форма которой принимает вид профиля горизонтального сечения поверхности спины, полученная картинка фиксируется ТВ-камерой, при этом проецирование и фиксирование производится при пересечении оптических осей проектора и ТВ-камеры. Изображение деформированной линии с помощью ТВ-камеры вводится в компьютер, который выделяет эту линию и по координатам ее точек с учетом известной ориентации сканера рассчитывает трехмерные координаты соответствующих точек поверхности. Последовательно меняя угол наклона сканера, вводится серия (50-100) изображений линии, и по совокупности найденных точек путем интерполяции восстанавливается вся поверхность в целом. Реализация этого метода осуществляется топографическая система "ISIS (Csongradi I., Jefferson R., Furner-Smith A. R. Predictive valie of surface topography in the management of scoliosis // Surface topography and spinal defrmity, Stuttgart, New York, 1987, p. 21-28).

Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является необходимость пространственного сканирования обследуемой поверхности, что требует усложнения оборудования и приводит к значительному увеличению времени съемки пациентов (2-5 с). Удержание неподвижной позы в течение столь длительного промежутка времени - трудновыполнимая задача, особенно для детей младшего возраста, а непроизвольные движения туловища в момент сканирования приводят к потере точности восстановления ею формы.

Наиболее близким способом воссоздания и регистрации трехмерной поверхности тела человека является способ, основанный на проецировании светлых и темных вертикально ориентированных полос одинаковой ширины на тело человека и эталонную плоскость и фиксирование полученной на теле человека топограммы фиксирующим устройством - телевизионной камерой. Проецирование и фиксирование производятся при пересекающихся оптических осях проектора и фиксирующего устройства, расположенных в горизонтальной плоскости. Спроецированные на дорсальную поверхность туловища обследуемого полосы деформируются в поперечном направлении пропорционально форме рельефа этой поверхности. Первичная информация о проекциях полос и пространственном детектировании фазы поступает на компьютерную обработку информации для визуального восстановления реальной формы обследуемой поверхности (Травматология и ортопедия, 1994, 3, с.43-51).

Для реализации этого способа используется устройство (Новосибирский НИИ травматологии и ортопедии. Пособие для врачей "Мониторинг детской и подростковой патологии позвоночника методом компьютерной оптической топографии", 1997, с. 8-16), в котором проектор и ТВ-камера расположены горизонтально и смонтированы на одной стойке, имеющей механизмы для их точной юстировки, при этом их оптические оси пересекаются и лежат в одной горизонтальной плоскости. Проецирование светлых и темных полос осуществляется с помощью слайдов на обследуемую поверхность пациента, находящегося перед эталонной поверхностью, в виде вертикально ориентированного непрозрачного экрана, при этом проектор расположен сбоку, а ТВ-камера - по нормали к эталонной плоскости. В зависимости от антропологических характеристик пациента (его роста) положение эталонной плоскости регулируется путем перемещения экрана по специальным рельсам вдоль оптической оси ТВ-камеры. На основании эталонной плоскости смонтирована подставка для размещения пациента, которая перемещается совместно с эталонной плоскостью.

Недостатками этого способа являются:

- необходимость точной настройки аппаратуры, предназначенной для реализации способа, т.к. воссоздание трехмерной формы тела в виде топограммы обследуемого человека возможно только при расположении оптических осей в горизонтальной плоскости, при этом точка их пересечения должна находится в эталонной плоскости, материально реализуемой в виде экрана, расположенного за обследуемым человеком, и не совпадающей с условной фронтальной плоскостью, проходящей через позвоночник человека;

- обязательное использование маркеров из светоотражательной пленки, размещаемых на теле человека, для обеспечения контрастности изображения на топографии;

- компьютерная программа обработки первичной информации о проекциях полос и пространственном детектировании фазы предусматривает обработку информации, полученную при расположении пересекающихся оптических осей только в горизонтальной плоскости.

Недостатками устройства для осуществления известного способа являются:

- сложность конструкции, ограничивающая использование устройства для воссоздания трехмерной поверхности тела при диагностике, проводимой в режиме скрининга - на выезде,

- наличие механизма регулирования расстояния между эталонной плоскостью с обследуемым и места размещения проектора и ТВ-камеры, выполненного в виде специальной стойки и направляющих в виде специальных рельс для перемещения эталонной плоскости и установочного места обследуемого человека на расстояние, зависящее от антропологических данных (роста) последнего, усложняет и удлиняет процесс настройки устройства и предъявляет специальные требования к качеству пола в помещении, предназначенном для проведения обследования;

- наличие точно фиксируемых позиций для размещения обследуемого человека (в количестве пяти), требующих каждый раз настройки оптической системы;

- оптическая схема требует обязательного затемнения помещения при работе устройства;

- конструкция устройства не позволяет обследовать состояние нижних и верхних конечностей.

Задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, связанных настолько, что образуют единый изобретательский замысел:

- повышение точности воссоздания и регистрации трехмерной поверхности тела человека, что необходимо для повышения точности диагностики деформации позвоночника человека;

- упрощение системы настройки оборудования при осуществлении способа;

- сокращение времени при настройке и проведении обследования.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения - способ, это:

повышение эффективности диагностики при установлении нарушений позвоночника обследуемого, например:

- нарушений осанки,

- сколиозов I-IV степени,

- нарушений физиологических изгибов позвоночника (уплощение и усиление кифоза и лордоза), кифотической болезни различной степени тяжести,

- перекоса таза и плечевого пояса,

- функциональных укорочений нижних конечностей,

- варусной и вальгусной деформации нижних конечностей,

- состоянии и напряженности паравертебральных мышц,

- взаимном расположении и функциональном состоянии позвоночных двигательных сегментов;

осуществление проецирования и фиксирования при перекрещивающихся (а не пересекающихся) оптических осях проектора и фиксирующего устройства, что расширяет возможности и упрощает процесс воссоздания трехмерной поверхности;

расширение его диагностических возможностей, позволяющих диагностировать не только состояние позвоночника, но и состояние костей нижних и верхних конечностей.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения - установка для осуществления способа, это:

упрощение конструкции, т. к. проецирование и фиксирование производится при перекрещивающихся (а не пересекающихся) оптических осях проектора и фиксирующего устройства, что расширяет возможности и упрощает процесс воссоздания трехмерной поверхности;

повышение точности воссоздания и регистрации трехмерной поверхности тела человека;

расширение функциональных возможностей за счет воссоздания трехмерной поверхности верхних и нижних конечностей;

сокращение времени настройки установки в реальных условиях эксплуатации;

сокращение времени проведения конкретного обследования.

Поставленная задача решается тем, что в способе воссоздания трехмерной поверхности тела человека, включающем проецирование регулярной геометрической структуры на тело человека и фиксирование картины искажений геометрической структуры, передачу последним картины искажений, прием и компьютерную обработку первичной информации, воссоздание трехмерной формы обследуемой поверхности, проецирование и фиксирование производят при перекрещивающихся оптических осях проектора и фиксирующего устройства, при этом проектор и фиксирующее устройство размещают в пространстве таким образом, чтобы, соответственно, поле проецирования и поле зрения в плоскости, совпадающей с условной, проходящей через позвоночник обследуемого человека, фронтальной плоскостью, вмещало условного обследуемого, имеющего максимально возможные антропологические признаки, а в качестве регулярной геометрической структуры используют сетчатую структуру, которая может быть представлена в виде периодически повторяющихся квадратов, треугольников, кругов и их элементов в любом сочетании.

Поставленная задача решается также и тем, что, если проецирование и фиксирование осуществляют с перекрещиванием оптических осей проектора и фиксирующего устройства в одной плоскости, то угол наклона последней к горизонтали выбирают в пределах от 1 до 89^o в зависимости от антропологических признаков обследуемого человека.

Поставленная задача решается тем, что в установке для осуществления способа, содержащей проектор для проецирования регулярной геометрической структуры на тело человека и устройство фиксирования картины искажений геометрической структуры, компьютер для приема и обработки поступающей из фиксирующего устройства информации и воссоздания обследуемой трехмерной поверхности, проектор и фиксирующее устройство установлены друг относительно друга с перекрещиванием их оптических осей, вертикальная плоскость, проходящая через оптическую ось фиксирующего устройства, наклонена к плоскости, совпадающей с условной, проходящей через позвоночник обследуемого человека, фронтальной плоскостью, а поле проецирования проектора и поле зрения фиксирующего устройства в плоскости, совпадающей с условной фронтальной плоскостью, вмещают условного обследуемого с максимально возможными антропологическими признаками, при этом величина угла наклона вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось фиксирующего устройства, по отношению к плоскости, совпадающей с условной фронтальной плоскостью, в зависимости от удаления этой плоскости от фиксирующего устройства находится в пределах от 45 до 90^o, а если проектор и фиксирующее устройство расположены так, что, если оптические оси проектора и фиксирующего устройства перекрещиваются в одной плоскости, то последняя наклонена к горизонтали, и величина угла наклона, в зависимости от антропологических признаков обследуемого человека, находится в пределах от 1 до 89^o.

Поставленная задача решается также тем, что установка снабжена плоскостным и объемным тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации, при этом объемный тест-объект выполнен в виде двух прямоугольных планшетов, смонтированных один горизонтально, второй - под фиксированным углом к первому и ориентированных наружной наклонной поверхностью к проектору и фиксирующему устройству, при этом угол наклона выбирается в пределах от 30 до 60^o, в качестве плоскостного тест-объекта используется строительный уровень, а в качестве фиксирующего устройства используется цветной цифровой фотоаппарат высокого разрешения.

Перечень фигур чертежей и иных материалов:

на фиг. 1 представлен общий вид установки для реализации способа (вид в плане),

на фиг.2 - структурная схема установки,

на фиг.3 - схема настройки оптической системы установки с использованием плоскостного тест-объекта,

на фиг.4 - схема настройки оптической системы установки с использованием объемного тест-объекта,

на фиг.5 - схема установки в изометрии,

на фиг.6-8 - варианты исполнения сетчатой регулярной структуры.

Сущность способа заключается в следующем.

Для воссоздания и регистрации трехмерной поверхности тела человека на спину последнего проецируют регулярную геометрическую структуру и фиксируют картину искажений геометрической структуры, передают фиксирующим устройством картину искажений в компьютер, который принимает и обрабатывает первичную информацию и воссоздает трехмерную форму обследуемой поверхности, при этом проецирование и фиксирование производят при перекрещивающихся оптических осях проектора и фиксирующего устройства, при этом проектор и фиксирующее устройство размещают в пространстве таким образом, чтобы, соответственно, поле проецирования и поле зрения в плоскости, совпадающей с условной, проходящей через позвоночник обследуемого человека, фронтальной плоскостью, вмещали условного обследуемого, имеющего максимально возможные антропологические признаки.

В частном случае для проецирования и фиксирования проектор и фиксирующее устройство из-за антропологических признаков обследуемого человека могут быть размещены с перекрещиванием их оптических осей в одной плоскости, при этом угол наклона последней к горизонтали выбирают в пределах от 1 до 89^o в зависимости от тех же антропологических признаков обследуемого человека.

При реализации способа в качестве регулярной геометрической структуры используют сетчатую структуру, которая может быть представлена в виде периодически повторяющихся квадратов, треугольников, кругов и их элементов в любом сочетании.

Установка для осуществления способа содержит проектор 1 (фиг.1) для проецирования регулярной геометрической сетчатой структуры 2 на тело обследуемого человека 3, фиксирующее устройство 4 для фиксирования картины искажений сетчатой структуры, экран 5, являющийся фотографическим фоном, подставку 6 для размещения обследуемого 3, смонтированную в горизонтальной плоскости, компьютер 7 для приема и обработки поступающей из фиксирующего устройства 4 информации и воссоздания и регистрации трехмерной формы обследуемой поверхности тела 3, соединенный через шину связи 8 с фиксирующим устройством 4.

Проектор 1 и фиксирующее устройство 4 установлены друг относительно друга с перекрещиванием оптической оси проектора 9 (фиг.1, 2) и оптической оси фиксирующего устройства 10, при этом эти оптические оси могут не пересекаться в одной плоскости, но их проекции на горизонтальную плоскость составляют , находящийся в пределах от 5 до 40^o в зависимости от поля зрения фиксирующего устройства и поля проецирования проектора.

Фиксирующее устройство 4 смонтировано так, что вертикальная плоскость 11 (фиг. 5), проходящая через его оптическую ось 10, расположена под к плоскости 12, совпадающей с условной плоскостью фронтального сечения позвоночника обследуемого человека 3. находится в пределах от 45 до 90^o, в зависимости от величины удаления фронтальной плоскости от фиксирующего устройства.

Взаимное расположение проектора 1 и фиксирующего устройства 4 выбрано таким, чтобы, соответственно, поле проецирования и поле зрения в плоскости 12 вмещало условного обследуемого с максимально возможными антропологическими признаками, например с ростом 2400 мм.

При этом, если в частном случае из-за антропологических признаков обследуемого человека взаимное расположение проектора 1 и фиксирующего устройства 4 выбрано таким, что их оптические оси перекрещиваются и пересекаются, то условная плоскость 13, в которой они расположены, наклонена к горизонтальной плоскости 14 под , находящемся в пределах от 1 до 89^o.

В качестве фиксирующего устройства 4 используется цветной цифровой фотоаппарат высокого разрешения.

Установка снабжена плоскостным 15 (фиг.3) и объемным 16 (фиг.4) тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации. Объемный тест-объект 16 выполнен в виде прямоугольных планшетов 17, 18, смонтированных: 17 - горизонтально, 18 - под фиксированным углом к планшету 17, при этом планшет 18 ориентирован наружной наклонной поверхностью к проектору 1 и фиксирующему устройству 4. Угол наклона планшета 18 выбирается в пределах от 30 до 60^o. В качестве плоскостного тест-объекта 15 используется строительный уровень. При корректировке оптической системы установки тест-объекты монтируются на подставке 19.

Способ воссоздания трехмерной поверхности тела человека осуществляется следующим образом.

Человека располагают на подставке 6 спиной к проектору 1 и фиксирующему устройству 4. Проецируют на его спину сетчатую структуру 2 и фиксируют устройством 4 полученную картину геометрических искажений координат точек, составляющих проецируемую сетчатую структуру, представленную в виде периодически повторяющихся квадратов, треугольников, кругов и/или их элементов в любом сочетании, с шагом дискретизации, равным единице разрешения фиксирующего устройства 4, при этом проецирование и фиксирование производят при перекрещивающихся оптических осях проектора 9 и фиксирующего устройства 10. Зафиксированную картину геометрических искажений передают в компьютер 7 для интерполяции результата по определенным математическим алгоритмам для воссоздания трехмерной формы обследуемой поверхности тела.

По взаиморасположению функциональных точек на теле, расстояниям и углам между ними врач имеет возможность производить диагностику с выводами о нарушениях осанки пациента или состоянии костей нижних и верхних конечностей.

Выполнение обследования осуществляется с помощью установки следующим образом.

В помещении, имеющем обычный пол и не имеющем затемнения от дневного света, располагают установку. Устанавливают стационарно экран 5 и подставку 6. Устанавливают фиксирующее устройство 4 так, чтобы в кадре устройства вместился расположившийся на подставке 6 человек 3 с максимально высоким ростом (2400 мм), а проектор 1 - на расстоянии, обеспечивающем резкое изображение сетчатой регулярной структуры 2 на поверхности тела обследуемого человека 3, при этом оптические оси проектора 9 фиксирующего устройства 10 перекрещиваются, при этом их проекции на горизонтальную плоскость определяется в зависимости от поля зрения фиксирующего устройства и поля проецирования проектора в конкретных условиях работы, но не менее 5 и не более 40^o, а угол наклона условной вертикальной плоскости 11, проходящей через оптическую ось 10 фиксирующего устройства 4, к плоскости условной 12, совпадающей с условной плоскостью фронтального сечения позвоночника обследуемого человека 3 определяется в зависимости от удаления этой плоскости от фиксирующего устройства также в конкретных условиях работы и не менее 1 и не более 89^o.

Угол наклона условной плоскости 13, в которой расположены перекрещивающиеся оптические оси 9 и 10 проектора 1 и фиксирующего устройства 4, к горизонтальной плоскости произвольно располагается в пределах 189^o.

С помощью тест-объектов 15 и 16, смонтированных на подставке 19 и подставке для обследуемого 6, определяют параметры плоскостных и объемных искажений фиксирующего устройства 4 и формируют корректирующие коэффициенты, так называемый профиль оптической системы, для конкретной настройки установки.

Человека 3 располагают на подставке 6 спиной к проектору 1 и фиксирующему устройству 4. Проецируют на его спину сетчатую структуру 2, представленную в виде периодически повторяющихся квадратов, треугольников, кругов и/или их элементов, исполненных в любом сочетании. Фиксируют устройством 4 полученную картину геометрических искажений координат точек, составляющих проецируемую сетчатую структуру, с шагом дискретизации, равным единице разрешения фиксирующего устройства 4. Через шину связи 8 первоначальная информация поступает в компьютер 7 для интерполяции результата по определенным математическим алгоритмам для визуального воссоздания трехмерной формы обследуемой поверхности тела, которая выводится на экран монитора 20.

По изображению на экране монитора врач может производить диагностику, при которой по взаиморасположению функциональных точек на теле, расстояниям и углам между ними делаются выводы о нарушениях осанки пациента.

Программа компьютера 7 предназначена также для фиксации формализованных заключений и рекомендаций, формирования индивидуальных и статистических отчетов и хранения всей информации в базе данных. С помощью мыши 21 и клавиатуры 22 в компьютер вводятся необходимые данные об обследуемом человеке. Принтер 23 предназначен для распечатки отчетов.

Пример конкретного исполнения установки для реализации способа.

Установка для осуществления способа содержит диапроектор 1 со световым потоком не менее 600 лм и с установленным слайдом 50х50 мм, на котором изображена штриховая или сетчатая мира 2 с шагом три линии на один миллиметр для проецирования регулярной геометрической сетчатой структуры на тело обследуемого человека 3, цифровую фотокамеру 4 с разрешением не менее 1280х960 пикселей для фиксирования картины искажений сетчатой структуры, экран 5, являющийся фотографическим фоном голубого или синего цвета, подставку 6 для размещения обследуемого 3, смонтированную в горизонтальной плоскости, компьютер 7 для приема и обработки поступающей из цифровой фотокамеры 4 информации и воссоздания трехмерной формы обследуемой поверхности тела 3, соединенный через шину связи 8 с цифровой фотокамерой 4.

Компьютер 7 имеет конфигурацию, включающую, как минимум:

- процессор Intel Pentium II Celeron 400 МГц;

- оперативную память не менее 64 Мб;

- НЖМД емкостью не менее 8 Gb;

- LCD (жидкокристаллический) монитор с диагональю 15"" и более с предустановленным программным обеспечением и лазерным черно-белым принтером,

и оснащен программным обеспечением, включающим:

- операционную систему MS WINDOWS 98 SE (русская версия);

- драйверы и утилиты, обеспечивающие нормальную работу подключаемых к компьютеру устройств;

- программу KODiT, просчитывающую искажения линий миры и восстанавливающую трехмерную поверхность спины пациента.

Установка снабжена плоскостным тест-объектом 15 в виде простого строительного уровня и объемным 16 тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации. Объемный тест-объект 16 выполнен в виде прямоугольных пластиковых пластин (12х12 мм) 17, 18, смонтированных: 17 - горизонтально, 18 - под углом к пластине 17, при этом пластина 18 ориентирована наружной наклонной поверхностью к диапроектору 1 и цифровой фотокамере 4. В качестве плоскостного тест-объекта 15 используется строительный уровень. При корректировке оптической системы установки тест-объекты монтируются на подставке 19 высотой 1000 мм.

Систему может обслуживать один человек, имеющий квалификационную группу по технике безопасности не ниже III.