一种跟骨测量方法及数据化定制矫形器的方法与流程

1.本发明涉及图像采集和矫形器生产技术领域，具体为一种跟骨测量方法及数据化定制矫形器的方法。


背景技术：

2.随着现代医学的不断发展，人们对骨骼的健康发育也日益关注，尤其是下肢骨骼结构的发育。跟骨外翻作为下肢结构异常的常见病症，其发病率约占人群的7.1%。跟骨外翻好发于青壮年，部分由姿势性平足处理不当发展而来。主要为站立或行走时疼痛严重，可呈八字脚步态。跟骨矫形器作为一种安装固定于足踝部位的用于矫正跟骨外翻的医疗器械，通过其特殊的材质和结构，以人体一部分骨性标记作为支撑点，采用欠定位的方式将力矩施加到需要矫正的关节，实现跟骨外翻的矫正功能。其优势有，不开刀、踝关节无约束、贴合下肢、满足日常穿戴等。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种跟骨测量方法及数据化定制矫形器的方法，以解决上述背景技术提出的问题。
4.为实现上述目的，一种跟骨测量方法，所述方法包括如下步骤：s1. 待测足平踏于测评设备的采集台上，待测人背对跟骨采集摄像头站立；s2. 采用电子摄像装置对所述采集台上待测足的跟骨拍照，得到跟骨图像,并通过usb将所述跟骨图像传输至图像显示处理设备；s3. 使用halcon实现算法实现对所述跟骨图像中跟骨皮肤的提取；s4. 使用halcon实现算法绘制出所述提取到的跟骨皮肤的轮廓图；s5. 在所述提取到的跟骨皮肤图像上手动标记内外踝范围，据此计算机自动识别出关键点踝关节外侧最凸点a、踝关节内侧最凸点b、内外踝中心点c、跟腱中心点d和足跟最低点e；s6. 计算跟骨数据内踝高、外踝高、内外踝倾角；s7. 计算跟骨内外翻度数，由所述跟腱中心点d、所述内外踝中心点c和所述足跟最低点e构成一个三角形dce，∠dce的补角就是跟骨内外翻的度数，其中∠dce在三角形dce中可以使用余弦公式计算得到，∠dce的补角=180
°‑
∠dce。
5.所述电子摄像装置主要是由两个高清图像采集摄像头构成，两个摄像头分别负责采集左右脚跟骨图像。
6.所述使用halcon实现算法实现对所述跟骨图像中跟骨皮肤的提取的步骤是：(1)获取/设置灰度值：输入所述跟骨图像image,先获取到所述跟骨图像中每个像素点的灰度值grayval，然后再将灰度值设置为 0.50000 * grayval0.ꢀ‑ꢀ
0.41869* grayval1.ꢀ‑ꢀ
0.08131 * grayval[2] + 128，完成跟骨皮肤和背景特征区分，得到一个黑白的跟骨图像，其中跟骨部分显示为白色；
(2)二值化：使用binary_threshold算子对所述灰度化后的图像进行二值化，求出此图像的深色和浅色部分的分割阈值，然后用该阈值提取出浅色跟骨图像；(3)提取跟骨皮肤：先使用connection算子按照对比度把所述跟骨图像中的图像按照对比度进行区分，从而分成几个不同的区域块；然后使用area_center算子获取每个区域块的面积和中心,并使用tuple_max算子计算最大面积；当执行完上述操作后，通过特征直方图，按面积特征，使用select_shape算子过滤提取出满足面积范围的目标区域，得到大致的跟骨图像；(4)提取后处理：提取出大致的跟骨图像后，对所述跟骨图像做腐蚀、膨胀操作后得到更细致的跟骨图像；其中腐蚀操作erosion_circle是对所选区域进行收缩的一种操作，可以消除边缘和杂点；膨胀操作dilation_circle算子是对边界点进行扩充，填充内部孔洞；并且使用fill_up算子以给定形状填充所述跟骨图像内部的孔洞；(5)绘制最终图像：执行完以上4个步骤后，得到要提取的跟骨区域，求此区域与原始所述跟骨图像的差集,用到的算子为：complement，得到要提取的跟骨皮肤以外的区域region，使用白色填充所述区域region，得到最终的无干扰项的跟骨皮肤图像，用到的算子为：overpaint_region。
[0007]
所述使用halcon实现算法绘制出所述提取到的跟骨皮肤的轮廓图的步骤是：(1)图像灰度化：加载要提取轮廓的所述跟骨图像，然后使用rgb1_to_gray算子将所述跟骨图像从彩色转换为灰色，可简化矩阵，提高运算速度；(2)提取轮廓：使用edges_sub_pix算子对所述灰度化后的跟骨图像进行亚像素边缘提取，得到所述跟骨图像的轮廓图,参数传递为edges_sub_pix(image, edges1, 'lanser1', 6, 30, 50)，其中image为输入图像，edges1为输出图像，lanser1为滤波器，6、30、50分别为滤波参数、滞后性阈值的下限值和滞后性阈值的上限值；然后使用select_contours_xld算子根据特征选择所述轮廓中轮廓长度满足(80,99999)这个范围内的部分，过滤掉周围的杂点和干扰项；再使用union_adjacent_contours_xld算子连接所有轮廓，使得细小线段拼接起来；(3)绘制轮廓：使用gen_region_contour_xld算子将上述操作后的轮廓图转化为区域，再使用gen_image_proto算子创建一个指定灰度值为255，即白色的图像，然后将所述区域绘制到所述的白色图像上，得到一个白色背景的所述跟骨图像轮廓图。
[0008]
所述标记内外踝范围和识别关键点的步骤是：（1）踝关节外侧最凸点：先点击在所述图像显示处理设备上显示的所述左跟骨图像的踝关节外侧的上下两个点(点a和点b)，确定踝关节外侧最凸点的取值范围，然后计算机识别取出所述左跟骨轮廓上点a和点b范围内的所有点中横坐标最小的点就是踝关节外侧最凸点(右跟骨时取出所述跟骨轮廓上点a和点b范围内的所有点中横坐标最大的点就是踝关节外侧最凸点)；（2）踝关节内侧最凸点：先点击在所述图像显示处理设备上显示的所述左跟骨图像的踝关节内侧的上下两个点(点c和点d)，确定踝关节内侧最凸点的取值范围，然后计算机识别取出所述左跟骨轮廓上点c和点d范围内的所有点中横坐标最大的点就是踝关节内侧最凸点(右跟骨时取出所述跟骨轮廓上点c和点d范围内的所有点中横坐标最小的点就是踝关节内侧最凸点)；
（3）内外踝中心点：根据所述踝关节外侧最凸点和踝关节内侧最凸点可以得到内外踝中心点，即内外踝最凸点的横坐标之和的二分之一与内外踝最凸点的纵坐标之和的二分之一构成内外踝中心点的坐标；（4）跟腱中心点：识别跟骨上三分之一范围内所有像素点中横坐标最大的像素max(x,y)和最小的像素min(x,y)，所述跟腱中心点的横坐标为(minx+maxx)/2,所述跟腱中心点的纵坐标为miny；（5）足跟最低点：识别所述跟骨图像中纵坐标最大的点就是足跟最低点。
[0009]
计算跟骨数据的步骤是：（1）连接坐标(0,所述足跟最低点的纵坐标)、(所述跟骨图片宽度，所述足跟最低点的纵坐标)形成足跟横线d;(2)计算比例尺：确定采集跟骨图像的站位然后对测试参照物进行拍照，在所述图像显示设备上标记一个固定的距离得到图上距离a，然后测量实际的被测距离b，可以计算出图上距离与实际距离的比例尺c=a/b;(3)内踝高：计算踝关节内侧标记点到踝关节内侧标记点与所述足跟横线d的垂直相交的点之间的距离就是内踝高的图上距离，所述内踝高=所述内踝高的图上距离/所述比例尺c；(4)外踝高：计算踝关节外侧标记点到踝关节外侧标记点与所述足跟横线d的垂直相交的点之间的距离就是外踝高的图上距离，所述外踝高=所述外踝高的图上距离/所述比例尺c。
[0010]
(5)内外踝倾角：由所述踝关节外侧最凸点a、所述踝关节内侧最凸点b、所述点a的横坐标和所述点b的纵坐标形成的点f构成一个三角形abf,∠abf就是内外踝倾角，其中∠abf在三角形abf中可以使用余弦公式计算得到。
[0011]
一种跟骨矫形器的数据化定制方法，该方法包含以下步骤：s1，获取双足跟骨的测量数据，包括跟骨角度θ（同∠abf）、内踝高度h1、外踝高度h2、内外踝距离l和足跟宽度w，同时使用皮尺测量受试者双足的第一跖趾关节点a到跟骨内侧最凸点b的足弓长度l；s2，获取受试者踝足部分的石膏原型；s3，根据跟骨的测量数据对受试者踝足部分的石膏原型进行修补处理，获得受试者标准的踝足石膏模型。
[0012]
s4，制作跟骨矫形器；将标准的踝足石膏模型的固定杆固定于夹具上，取合适大小的热塑性板材加热软化后包覆于标准的踝足石膏模型外侧，通过热塑板的自粘性将所有开口封闭，随后开启负压泵，抽出踝足石膏模型和高温软化的热塑板之间的空气，使热塑板吸附在踝足石膏模型表面，冷却后形成与踝足石膏模型匹配的热塑板壳体；s4.1，使用记号笔在热塑板壳体正前方画出l形裁剪区域，使用曲线锯对裁剪区域进行裁剪；s4.2，使用记号笔在热塑板壳体的踝关节处画出分割线，使用曲线锯在分割线处将热塑板壳体分为足部壳体和小腿部壳体两部分；s4.3，使用打磨机对热塑板壳体所有的切口进行抛光打磨；
s4.4，使用电钻对踝关节切口两侧钻出通孔，再通过铰链和铆钉将足部壳体和小腿部壳体连接起来，获得踝足矫形器；s4.5，使用抛光轮将踝足矫形器整体进行打磨抛光，获得成品踝足矫形器。
[0013]
受试者标准的踝足石膏模型是通过石膏浆、锉刀、纱网等工具对石膏原型上的踝关节和足弓部分进行修补处理，获得受试者标准的踝足石膏模型；所述的修补处理是按照已获得的双足跟骨测量数据，包括跟骨角度θ、内踝高度h1、外踝高度h2、内外踝距离l、足弓长度l和足跟宽度w，对石膏原型的踝关节和足弓部分的形状进行调整；所述的踝关节部分的修补处理包括：使用记号笔在石膏原型内外踝的对应高度标记出内踝高度h1、外踝高度h2，再使用石膏浆和锉刀将石膏原型内外踝部位进行补高，高度为5-10mm；所述的足弓部分的修补处理包括：使用记号笔在石膏原型的足弓区域进行挫削，挫削掉的部分是由底面o，侧面q和顶部曲面p组成的实体，所述的底面o区域以第一跖趾关节为起点a，跟骨内侧最凸点为终点b，画出足弓长度线l，在靠近a点l处取点a，取直线aa为l1，直线ab为l2，以点a为圆心l1为半径在足弓一侧画圆，记为圆弧s1，再将点a向圆弧s1另一侧移动l到点b，以点b为圆心，s1终点为起点，l为半径，在s1下方画圆，记为圆弧s2，s1+s2记为曲线s3足弓部分的底面o由l+s3构成；所述的侧面q是以点a为基点，垂直于“d”字形底面向上，高度为tanθ
·
l1，最高点记为c，所述的侧面q的顶部曲线是过点a、c、b的正圆，记为s4，曲线的边界点为a、b两点，即所述的侧面q是由直线ab和曲线s4围成；所述的顶部曲面p与直线ab上点a处垂面的交线满足二次函数在第一象限内的函数图像，其中：a＜0，b=0，c=tanθ
·
l1，即最高点坐标为（0，tanθ
·
l1），与x正半轴交点坐标为（l1，0）x=0时，y=c，y=0时，a=，即顶部曲面p与直线ab上点a处垂面的交线满足函数，顶部曲面p的曲率由函数在第一象限的曲线s约束；l形裁剪区域由足背部区域、胫骨前侧区域组合而成。
[0014]
分割线是连接内外踝直线的延长线在踝关节上的投影。
[0015]
底面o和侧面q的形状大致为“d字形”。
[0016]
与现有技术相比，实施本发明的跟骨测量方法以及根据跟骨选配矫形器的方法，具有以下有益效果：本发明的跟骨测量方法可以方便快捷的自动识别出跟骨的内外翻度数，判断出跟骨的发育情况，避免了手工测量造成测量数据准确性差、测量效率低、不易推广的问题；并根据跟骨的发育情况选配适合的矫形器，可以给穿着者提供更大的舒适性和促进跟骨更健康的发育。
附图说明
[0017]
图1是本发明的产品外观示意图；图2是本发明采集到的跟骨图像示意图；
图3是本发明自动识别提取到的跟骨皮肤示意图；图4是本发明自动识别提取到的跟骨皮肤轮廓示意图；图5至图6是本发明自动识别标记到的关键点示意图；图7是本发明跟骨取值的示意图；图8是需要修补的足弓区域实体示意图；图9是跟骨矫形器的制作过程示意图。
具体实施方式
[0018]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0019]
如图1所示，为本发明的产品外观示意图，本发明的产品也叫跟骨图像采集设备，主要由采集台、收纳箱和电子摄像装置构成，其中电子摄像头内置在测量杆上，用于采集足跟图像。
[0020]
本发明的跟骨测量方法主要包括如下步骤：s1. 待测足平踏于测评设备的采集台上，待测人背对跟骨采集摄像头站立；s2. 采用电子摄像装置对所述采集台上待测足的跟骨拍照，得到跟骨图像(如下图2),并通过usb将所述跟骨图像传输至图像显示处理设备；s3. 使用halcon实现算法实现对所述跟骨图像中跟骨皮肤的提取(如下图3)；s4. 使用halcon实现算法绘制出所述提取到的跟骨皮肤的轮廓图(如下图4)；s5. 在所述提取到的跟骨皮肤图像上手动标记内外踝范围，据此计算机自动识别出关键点踝关节外侧最凸点(如下图5点a)、踝关节内侧最凸点(如下图5点b)、内外踝中心点(如下图5点c)、跟腱中心点(如下图5点d)和足跟最低点(如下图5点e)；s6. 计算跟骨数据内踝高、外踝高、内外踝倾角；s7. 计算跟骨内外翻度数，由所述跟腱中心点d、所述内外踝中心点c和所述足跟最低点e构成一个三角形dce，∠dce的补角就是跟骨内外翻的度数（记为角θ），其中∠dce在三角形dce中可以使用余弦公式计算得到，∠dce的补角=180
°‑
∠dce。
[0021]
本发明所述的电子摄像装置主要是由两个高清图像采集摄像头构成，两个摄像头分别负责采集左右脚跟骨图像。
[0022]
在本发明中所述的使用halcon实现算法实现对所述跟骨图像中跟骨皮肤的提取的步骤是：(1)获取/设置灰度值：输入所述跟骨图像image,先获取到所述跟骨图像中每个像素点的灰度值grayval，然后再将灰度值设置为 0.50000 * grayval0.ꢀ‑ꢀ
0.41869* grayval1.ꢀ‑ꢀ
0.08131 * grayval[2] + 128，完成跟骨皮肤和背景特征区分，得到一个黑白的跟骨图像，其中跟骨部分显示为白色；(2)二值化：使用binary_threshold算子对所述灰度化后的图像进行二值化，求出此图像的深色和浅色部分的分割阈值，然后用该阈值提取出浅色跟骨图像；(3)提取跟骨皮肤：先使用connection算子按照对比度把所述跟骨图像中的图像
按照对比度进行区分，从而分成几个不同的区域块；然后使用area_center算子获取每个区域块的面积和中心,并使用tuple_max算子计算最大面积；当执行完上述操作后，通过特征直方图，按面积特征，使用select_shape算子过滤提取出满足面积范围的目标区域，得到大致的跟骨图像；(4)提取后处理：提取出大致的跟骨图像后，对所述跟骨图像做腐蚀、膨胀操作后得到更细致的跟骨图像；其中腐蚀操作erosion_circle是对所选区域进行收缩的一种操作，可以消除边缘和杂点；膨胀操作dilation_circle算子是对边界点进行扩充，填充内部孔洞；并且使用fill_up算子以给定形状填充所述跟骨图像内部的孔洞；(5)绘制最终图像：执行完以上4个步骤后，得到要提取的跟骨区域，求此区域与原始所述跟骨图像的差集,用到的算子为：complement，得到要提取的跟骨皮肤以外的区域region，使用白色填充所述区域region，得到最终的无干扰项的跟骨皮肤图像，用到的算子为：overpaint_region。
[0023]
在本发明中，所述标记内外踝范围和识别关键点的步骤是：（1）踝关节外侧最凸点：先点击在所述图像显示处理设备上显示的所述左跟骨图像的踝关节外侧的上下两个点(点a和点b)，确定踝关节外侧最凸点的取值范围，然后计算机识别取出所述左跟骨轮廓上点a和点b范围内的所有点中横坐标最小的点就是踝关节外侧最凸点(右跟骨时取出所述跟骨轮廓上点a和点b范围内的所有点中横坐标最大的点就是踝关节外侧最凸点)；（2）踝关节内侧最凸点：先点击在所述图像显示处理设备上显示的所述左跟骨图像的踝关节内侧的上下两个点(点c和点d)，确定踝关节内侧最凸点的取值范围，然后计算机识别取出所述左跟骨轮廓上点c和点d范围内的所有点中横坐标最大的点就是踝关节内侧最凸点(右跟骨时取出所述跟骨轮廓上点c和点d范围内的所有点中横坐标最小的点就是踝关节内侧最凸点)；（3）内外踝中心点：根据所述踝关节外侧最凸点和踝关节内侧最凸点可以得到内外踝中心点，即内外踝最凸点的横坐标之和的二分之一与内外踝最凸点的纵坐标之和的二分之一构成内外踝中心点的坐标；（4）跟腱中心点：识别跟骨上三分之一范围内所有像素点中横坐标最大的像素max(x,y)和最小的像素min(x,y)，所述跟腱中心点的横坐标为(minx+maxx)/2,所述跟腱中心点的纵坐标为miny；（5）足跟最低点：识别所述跟骨图像中纵坐标最大的点就是足跟最低点。
[0024]
在本发明中，计算跟骨数据的步骤是：（1）连接坐标(0,所述足跟最低点的纵坐标)、(所述跟骨图片宽度，所述足跟最低点的纵坐标)形成足跟横线d;（2）计算比例尺：确定采集跟骨图像的站位然后对测试参照物进行拍照，在所述图像显示设备上标记一个固定的距离得到图上距离a，然后测量实际的被测距离b，可以计算出图上距离与实际距离的比例尺c=a/b;（3）内踝高：计算踝关节内侧标记点到踝关节内侧标记点与所述足跟横线d的垂直相交的点之间的距离就是内踝高的图上距离，所述内踝高=所述内踝高的图上距离/所述比例尺c；
（4）外踝高：计算踝关节外侧标记点到踝关节外侧标记点与所述足跟横线d的垂直相交的点之间的距离就是外踝高的图上距离，所述外踝高=所述外踝高的图上距离/所述比例尺c。
[0025]
（5）内外踝倾角：由所述踝关节外侧最凸点a、所述踝关节内侧最凸点b、所述点a的横坐标和所述点b的纵坐标形成的点f构成一个三角形abf,∠abf就是内外踝倾角，其中∠abf在三角形abf中可以使用余弦公式计算得到。
[0026]
以上介绍了本发明的跟骨测量方法是如何实施的，下面介绍跟骨跟骨选配矫形器的方法是如何实施的。
[0027]
一种跟骨矫形器的数据化定制方法，该方法包含以下步骤：（1）获取双足跟骨的测量数据，包括跟骨角度θ（同∠abf）、内踝高度h1、外踝高度h2、内外踝距离l和足跟宽度w，同时使用皮尺测量受试者双足的第一跖趾关节点a到跟骨内侧最凸点b的足弓长度l；（2）在跟骨矫形器的数据化定制方法中，受试者踝足部分的石膏原型是通过将浸湿后的石膏绷带包裹在受试者膝盖以下的踝足部分，待石膏绷带凝固后使用刀具取下后再使用浸湿的石膏绷带封闭开口，待开口处凝固后获得与受试者踝足部分形状大小一致的阴模，最后将混合好的石膏浆注入阴模后在注入口出插入固定杆，待石膏浆凝固后将石膏绷带剥离，获得与受试者踝足部分形状大小一致的石膏原型。
[0028]
（3）受试者标准的踝足石膏模型是通过石膏浆、锉刀、纱网等工具对石膏原型上的踝关节部分按照已获得的双足跟骨测量数据进行修补处理：使用记号笔在石膏原型内外踝的对应高度标记出内踝高度h1、外踝高度h2，再使用石膏浆和锉刀将石膏原型内外踝部位进行补高，高度为5-10mm；（3.1）而对于足弓部分的修补处理是使用记号笔在石膏原型的足弓区域进行挫削，挫削掉的部分是由底面o，侧面q和顶部曲面p组成的实体，其中底面o区域以第一跖趾关节为起点a，跟骨内侧最凸点为终点b，连接ab得出足弓长度线l，在靠近a点l处取点a，取直线aa为l1，直线ab为l2，以点a为圆心l1为半径在足弓一侧画圆，记为圆弧s1，再将点a向圆弧s1另一侧移动l到点b，以点b为圆心，s1终点为起点，l为半径，在s1下方画圆，记为圆弧s2，s1+s2记为曲线s3足弓部分的底面o由l+s3构成；（3.2）侧面q是以点a为基点，垂直于“d”字形底面向上，高度为tanθ
·
l1，最高点记为c，所述的侧面q的顶部曲线是过点a、c、b的正圆，记为s4，曲线的边界点为a、b两点，即所述的侧面q是由直线ab和曲线s4围成。
[0029]
（3.3）顶部曲面p与直线ab上点a处垂面的交线满足二次函数在第一象限内的函数图像，其中：a＜0，b=0，c=tanθ
·
l1，即最高点坐标为（0，tanθ
·
l1），与x正半轴交点坐标为（l1，0）x=0时，y=c，y=0时，a=，即顶部曲面p与直线ab上点a处垂面的交线满足函数，顶部曲面p的曲率由函数在第一象限的曲线s约束。按照踝关节高度参数和足弓部分参数对石膏原型进行调整，制作出标准的石膏模型。
[0030]
（4）制作跟骨矫形器，将标准的踝足石膏模型的固定杆固定于夹具上，取合适大小的热塑性板材加热软化后包覆于标准的踝足石膏模型外侧，通过热塑板的自粘性将所有开口封闭，随后开启负压泵，抽出踝足石膏模型和高温软化的热塑板之间的空气，使热塑板吸附在踝足石膏模型表面，冷却后形成与踝足石膏模型匹配的热塑板壳体；（4.1）使用记号笔在热塑板壳体的足背部区域、胫骨前侧区域画出切割线并使用曲线锯对裁剪区域进行裁剪；（4.2）使用记号笔在热塑板壳体的踝关节位置画出一条过内踝和外踝最凸点的裁剪线，将热塑板壳体分为足部壳体和小腿部壳体两部分；（4.3）使用打磨机对热塑板壳体所有的切口进行抛光打磨；（4.4）使用电钻对踝关节切口两侧钻出通孔，再通过铰链和铆钉将足部壳体和小腿部壳体连接起来，获得踝足矫形器；（4.5）使用抛光轮将踝足矫形器整体进行打磨抛光，获得成品踝足矫形器。
[0031]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。