基于姿态与位置传感器的人体脊柱侧弯角度的测量方法与流程

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于姿态与位置传感器的人体背部脊柱侧弯角度测量方法。

背景技术：

目前，中小学的脊柱发病率正在急速上升，成为危害我国青少年成长的重大问题。青少年学生脊柱如果发生侧弯，不仅会影响他们的形体美，还会对他们的心理与精神方面造成巨大创伤。同时，脊柱侧弯严重的会压迫心脏内部器官，对血液循环、呼吸等造成严重影响。如果不及时采取治疗将会导致患者残疾和截瘫。

脊柱侧弯又称为脊柱侧凸，是由于人体冠状面上脊柱节段对背部中心线形成偏离，并向侧方弯曲造成的。一般还伴有脊柱旋转以及矢状面上的前凸或者后凸等症状。目前对于脊柱侧弯的衡量标准不尽相同，但是大部分学者均采用cobb氏角来定量评估脊柱的畸形程度。他们认为cobb角>10度的患者可以诊断为脊柱侧弯患者。临床上认为：若cobb角<25度，无需手术治疗，可以在康复治疗师的指导下进行姿势矫正的动作训练，每隔4-6个月随访一次，进行动态观察；若25度<cobb角45度，建议手术治疗。

根据现有青少年脊柱侧弯普查结果可知，脊柱侧弯在青少年中具有一定的患病比例，而对于脊柱侧弯的治疗，就是早发现早治疗。目前，脊柱侧弯检测中使用的最常规的方法是x光线，而x光线具有强放射性，对正处于发育期青少年的身体不利。同时，使用x光线不适用于对中小学生进行脊柱侧弯普查。因此，研究出便携、无创、快速的脊柱侧弯检测方法的具有很重要的现实意义。

目前，对于脊柱侧弯检测主要有两种方法：直接测量法与间接测量法

直接测量法：使用测量工具直接接触人体背部，测量角度、长度等信息以获取脊柱形态反映在的体表的信息。如使用脊柱侧凸测量尺进行adams前屈测试等。

间接测量法：使用测量工具不接触人体表面，通过获取图像等方式以获取脊柱形态信息。如x光片测量法等。

使用脊柱侧凸测量尺进行adams前屈测试是利用脊柱侧凸测量尺来测量患者在adams前屈测试下躯干倾斜角。x光片测量法通过脊柱标准全长的正位相二维的x线片来计算冠状面上的cobb角。这两种测量方法都侧重于获取人体脊柱在冠状面上信息，而忽略脊柱在矢状面上的信息。

为了获取更加准确的识别出脊柱侧弯，不少研究者提出从人体背部三维信息中提取特征来识别出脊柱侧弯。许真达等利用深度相机采集到人体背部深度图像，进行三维重构来计算人体背部脊柱侧弯角度。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够便携、无创、快速的识别出脊柱侧弯的基于姿态与位置传感器的人体脊柱侧弯角度的测量方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于姿态与位置传感器的人体脊柱侧弯角度的测量方法，包括以下步骤：

步骤a、采用姿态传感器与位置传感器获取人体脊柱棘突线上各个固定线长标记点邻域内的三轴角度；

步骤b、对各个相距固定线长标记点邻域内的三轴角度进行数据阈值判断与计算平均值处理，得到标记点处精确的三轴角度；

步骤c、根据各个标记点的三轴角度与其任意相邻两点之间的固定线长，采用空间解析几何的方法，计算出各个标记点相对的三维坐标,步骤如下：

步骤c1、起始标记点的三维坐标为坐标轴原点(0,0,0)；

步骤c2、根据步骤a1中标记点之间的固定线长l与步骤b2中计算的第二个标记点处精确的三轴角度来计算出第二个的三维坐标(x1,y1,z1)；将曲线长度l看作直线长度l′，计算公式为：

步骤c3、根据步骤c2通过迭代计算出所有标记点的三维坐标，具体迭代公式为：其中l＝1,2,3…；

步骤d、通过整数插值法插补各个标记点之间的数值点，从而得到人体背部脊柱的空间曲线；

步骤e、根据统计标记点个数确定人体脊柱主体长度，带入相关性模型得出每块椎骨中心点在曲线上的位置，重构出脊柱椎骨形态的三维曲线；

步骤f、通过脊柱椎骨形态的三维曲线与结合空间向量解析空间角的方法，计算出用于定量评估脊柱的畸形程度的cobb氏角,步骤如下：

步骤f1、利用步骤d得到的人体背部脊柱的空间曲线与步骤e得到的椎骨中心点在曲线上的位置，并在椎骨中心点的左邻域与右邻域内选取两点a(xa,ya,za)、b(xb,yb,zb)组成空间向量

步骤f2、根据步骤f1的方法，得到每块椎骨对应的空间向量

其中n＝1,2,3…；

步骤f3、通过空间向量计算空间夹角的公式：计算出任意两块椎骨对应空间向量的夹角θ，寻找出θ最大值，即为步骤f所述的cobb角。

优选的：所述步骤a采用姿态与位置传感器获取人体脊柱棘突线上各个固定线长标记点邻域内的三轴角度信息的方法如下：

步骤a1、采用位置传感器测量出人体脊柱棘突线上两点之间线长为固定长度l的两个以上的标记点，且每当距离上一个标记点的曲线长度到达l时，位置传感器发出一个标记信号；

步骤a2、采用姿态传感器测量出步骤a1中位置传感器发出一个标记信号后一段时间内的n组三轴角度，即为标记点邻域内的三轴角度。

优选的：所述步骤b对各个相距固定线长标记点邻域内的三轴角度进行数据阈值判断与计算平均值处理，得到标记点处精确的三轴角度的方法如下：

步骤b1、对各个相距固定线长标记点邻域内的三轴角度进行数据阈值判断，就是对步骤a2中的n组三轴角度(αi,βi,γi)进行阈值判断，判断这n组数据三轴角度(αi,βi,γi)是否分别处于两个角度阈值之间，即α′1<αi<α′2、γ′1<γi<γ′2,其中，α′1、α′2、β′1、γ′1、γ′2为阈值，i＝1,2,…,n,若一组三轴角度数据(αi,βi,γi)都处于两个角度阈值之间，则数据保持不变；若一组三轴角度数据(αi,βi,γi)有一个不处于两个角度阈值之间，则剔除该数据，用前一组数据代替之；

步骤b2、将步骤b1中阈值处理后的n组三轴角度，进行计算平均值，提取标记点处精确的三轴角度，即使用公式：

其中，表示标记点处精确的三轴角度，max、min分别表示n组三轴角度中模的最大值对应的角度与模的最小值对应的角度。

优选的：所述步骤d通过整数插值法插补各个标记点之间的数值点，从而得到人体背部脊柱的空间曲线的方法如下：

步骤d1、在三维空间坐标系中绘出各个标记点的三维坐标值；

步骤d2、使用插值法对空间坐标系中的散点进行插补数值，得到空间曲线。

优选的：所述步骤e根据统计标记点个数确定人体脊柱主体长度，带入相关性模型重构出脊柱椎骨形态的三维曲线的方法如下：

步骤e1、标记点个数为lmax,则人体脊柱长度为t＝l*lmax；

步骤e2、将人体脊柱长度t带入相关性模型，得出每块椎骨中心点在曲线上的位置，重构出脊柱椎骨形态。

优选的：姿态传感器集成陀螺仪、加速度计以及地磁场传感器。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明采用姿态传感器与位置传感器获取标记点邻域内的三轴角度信息，并对各个标记点邻域内的三轴角度信息进行预处理，计算出各个标记点相对的三维坐标，从而得到人体背部脊柱的空间曲线，最后根据标记点个数确定脊柱主体长度，再代入相关性模型重构出脊柱椎骨形态的三维曲线，通过得到空间曲线信息，再结合空间向量解析空间角的方法，计算出用于定量评估脊柱的畸形程度的cobb氏角，因此本发明能够便携、无创、快速的识别出脊柱侧弯。

附图说明

图1是本发明的基于姿态与位置传感器的人体背部脊柱侧弯角度测量方法流程示意图。

图2是本发明实施例中采用姿态与位置传感器获取的人体脊柱固定线长上的三维坐标图。

图3是本发明实施例中人体脊柱空间三维曲线图。

图4是本发明实施例中人体脊柱矢状面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于姿态与位置传感器的人体脊柱侧弯角度的测量方法，首先采用姿态传感器与位置传感器获取人体背部脊柱棘突线上各个固定线长标记点邻域内的三轴角度信息，并对各个标记点邻域内的三轴角度信息进行预处理，精确获取标记点处的姿态传感器三轴角度，再利用空间解析几何的方法，计算出各个标记点相对的三维坐标，配合整数插值获取各标记点之间点，从而得到人体背部脊柱的空间曲线，最后根据标记点个数确定脊柱主体长度，再代入相关性模型重构出脊柱椎骨形态的三维曲线，通过得到空间曲线信息，再结合空间向量解析空间角的方法，计算出用于定量评估脊柱的畸形程度的cobb氏角，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤a、采用姿态与位置传感器获取人体脊柱棘突线上各个固定线长标记点邻域内的三轴角度信息；

步骤a1、采用位置传感器测量出人体背部棘突线上两点之间线长为固定长度l的若干标记点，且每当距离上一个标记点曲线长度到达l时，位置传感器发出一个标记信号；采用由槽型光耦传感器构成的位置传感器，当移动固定位移长度时，光耦传感器就会被遮挡一次，有遮挡时输出高电平，无遮挡时输出电平，这里的高电平即为所述的标记信号。

a2、采用姿态传感器测量出步骤a1中位置传感器发出一个标记信号后一段时间内(若干毫秒)的n组三轴角度信息，即为步骤a中所述的标记点邻域内的三轴角度信息；采用姿态传感器模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，通过能快速解析出模块当前的实时运动姿态，从而获得模块在标记信号后以100hz速率回传500ms内的50组标记点邻域内的三轴角度信息。

步骤b、对各个相距固定线长标记点邻域内的三轴角度进行数据阈值判断与计算平均值处理，得到标记点处精确的三轴角度；

步骤b1、对各个相距固定线长标记点邻域内的三轴角度进行数据阈值判断，就是对步骤a2中的n组三轴角度(αi,βi,γi)进行阈值判断，判断这n组数据三轴角度(αi,βi,γi)是否分别处于两个角度阈值之间，即α′1<αi<α′2、γ′1<γi<γ′2,其中，α′1、α′2、β′1、γ′1、γ′2为阈值，i＝1,2,…,n,α′1、α′2、β′1、γ′1、γ′2分别按照被测脊柱实际情况选取，本实施例中选取-20°，+20°，-40°，+40°，-30°，+30°。若一组三维角度数据(αi,βi,γi)都处于两个角度阈值之间，则数据保持不变；若一组三维角度数据(αi,βi,γi)有一个不处于两个角度阈值之间，则剔除该数据，用前一组数据代替之；

如图2所示，步骤b2、将步骤b1中阈值处理后的n组三维角度，去除角度模值最大的角度max与角度模值最小的角度min后进行计算平均值，提取标记点处精确的三轴角度，即使用公式：

步骤c、根据各个标记点的三轴角度与其任意相邻两点之间的固定线长，根据空间解析几何的方法，计算出各个标记点相对的三维坐标；

步骤c1、设起始标记点的三维坐标为坐标轴原点(0,0,0)；

步骤c2、根据a1中标记点之间的固定线长l与b2中计算的第二个标记点处精确的三轴角度，来计算出第二个的三维坐标(x1,y1,z1)；(注：这里将曲线长度l近似看作直线长度l′)具体计算公式为：

步骤c3、类似步骤c2的方法，通过迭代可以计算出所有标记点的三维坐标，具体迭代公式为：其中l＝1,2,3…；

如图3所示步骤，d、通过整数插值法插补各个标记点之间的数值点，从而得到人体背部脊柱的空间曲线；

步骤d1、在三维空间坐标系中绘出各个标记点的三维坐标值；

步骤d2、使用插值法对空间坐标系中的散点进行插补数值，得到空间曲线。

步骤e、根据统计标记点个数确定人体脊柱主体长度，带入相关性模型重构出脊柱椎骨形态的三维曲线；

步骤e1、设标记点个数为lmax,则人体脊柱长度为t＝l*lmax；个数为lmax＝24，l为2cm,则t为48cm。

步骤e2、根据步骤e1所述的t，带入相关性模型，即根据人体解剖学脊柱特点来确定每块椎骨(7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎)中心点(xi,yi,zi)在脊柱上的预估位置，计算出每块椎骨中心点在曲线上的位置，重构出脊柱椎骨形态；本实施例中所述相关模型公式可表示为：其中(x0,y0,z0)为坐标轴原点，根据步骤d所述的空间曲线方程为约束条件，再通过迭代的方式计算出24块椎骨的中心点坐标。

步骤f、通过脊柱椎骨形态的三维曲线与结合空间向量解析空间角的方法，计算出用于定量评估脊柱的畸形程度的cobb氏角。

步骤f1、利用步骤d2所述的人体背部脊柱的空间曲线与步骤e2所述的椎骨中心点在曲线上的位置，并在椎骨中心点的左邻域与右邻域内选取两点a(xa,ya,za)、b(xb,yb,zb)组成空间向量

步骤f2、根据步骤f1所述方法，可以得到每块椎骨对应的空间向量

其中n＝1,2,3…；

步骤f3、通过空间向量计算空间夹角的公式：可以计算出任意两块椎骨对应空间向量的夹角θ，寻找出θ最大值，即为步骤f所述的cobb角，图4所示，本实施例计算出被测人员的cobb角为0.71°。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。