专利名称：测量肢体部分的方法
技术领域：
本发明涉及测量人体肢体部分的方法。
这种方法被需要特别是用于制造例如用于四肢残肢部分的假肢、矫正或医疗支撑部件、如止血袜，以便使假肢或矫正件能够与相应的肢体部分独特地匹配。
各肢体部分的测量一方面要求高的精度，以便使以测量数据为基础随后制成的假肢或矫正件，能提供一种高的配戴舒适性。另一方面，肢体部分的测量，应该用尽量短的时间，并且用相对少的仪器花费，使病人能在相对短的时间的内被测量，并且能使病人免除到达一个特殊的或许在很远处才有的测量装置，以及节省测量过程所需要的长的时间。
另外，用卷尺测量肢体部分是人所共知的，其中，在四肢残肢部分中除了长度外还必须进行多次圆周测量，这些测量一般不会有高的精度。另外，还公知，对于涉及的肢体部分做印模。这样的一种方法显然是昂贵的，并且需要很长时间，另外，用于制做假肢或矫正件的肢体部分的印模，首先必须提供给相应的制造者，这除了要花费运费外，还要拖延很长时间。
该发明的基本任务是，对于现有技术进行改进，并特别提供一种以相对少的花费和相对短的时间对肢体部分进行精确测量的一种方法。
这一任务将这样来解决，通过把带有一个长度已知的参考段和一个角度调节装置的参照物以相对于肢体部分固定的空间关系、例如安置在肢体部分上。借助于该角度调节装置，将照相机安置在与参考段相垂直的第一个观测方向上在第一个拍摄位置上，在这一位置，照相机借助于参照物测出肢体部分，并拍摄了第一个图象。借助于该角度调节装置，将照相机安置在与参考段相垂直的第二个观测方向上，在第二个拍摄位置上，在这一位置，照相机借助参照物测出肢体部分，并拍摄了第二个图象。根据参考段长度和参考段在图象上的影象，求出参照物到拍摄位置之间的距离，作为第一个参考距离和第二个参考距离。对于每一图象，以事先存贮的参考模型为基础，根据参考距离和轮廓线的影象来确定一个在三维空间上分布的轮廓线。而一个肢体部分的特定模型，由轮廓线和参考模型来确定。
按照本发明，一个参考模型被用于所涉及的肢体部分。这一参考模型在支撑肢体的矫正件中一般情况下具有相对高的精度，因为参考模型复制了至少在很大程度上完好的身体的一个部分。这种参考模型在假肢的匹配中也是有意义的。在假肢中，一个缺少的肢体部分被补偿，因为所涉及的肢体部分、例如四肢残肢部分，在一般情况下，以公知的方式进行了手术技术的预先处理。对此，特别是相应的肢体部位的骨骼和肌肉被以公知的方式暴露出来。
按照本发明，相对于所涉及的肢体部分以固定的空间关系安装仅仅一个参照物，特别是安装在所涉及的肢体部分上，并且必须至少对所涉及的肢体部分从不同的拍摄位置上拍摄两个图象，这样，肢体部分就能相对快地被测量。对此，仅仅要求使用一个参照物和一部照相机。图象随后能向假肢或矫正件的制造者邮寄，有必要的话，还可以发传真。通过确定参考距离，并以参考模型为基础，根据图象确定轮廓线以及肢体部分特定模型的计算，都能在制造者那儿实现。于是，例如肢体部分的印模或铸模的耗费的运输就可以免去了。
按照本发明，参照物不仅具有一个已知长度的参考段，而且还有一个例如视觉上用于调整观测方向、特别是照相机光轴方向的角度调节装置，以便使照相机能借助于角度调节装置，相对简单地被定位于一个与参考段相垂直的方向上，而不必将要测量的肢体部分定位或夹紧在一个支承件或框架里。肢体部分的轮廓线能够由一个简单的事后测量，并借助于拍摄的图象来确定，而不必对肢体部分现场进行直接测量或者扫描，这样，一个特定的模型不需要通过计算求出，或者，不需要计算匹配。为了确定轮廓线，能够以有利的方式照亮所涉及的肢体部分，并且在一个黑暗的背影下拍摄，特别是能在肢体部分上设置上改善对比度的、例如明亮的涂层或套上套子，假如有必要的话，可在涂层或套子上标记区域或部位。
由于按照本发明，照相机到参照物的距离可以由图象求出，因此，一个耗费的、把肢体部分定位在距照相机一个事先给定的固定距离的作法，就是多余的了。这种作法，要求将病人固定，并且，在一般情况下，将导致一个高的不精确性。
参照物可以按有利的方式直接固定、例如直接粘接在肢体部分上，以便给出参照物到肢体部分的明确的空间关系，这样，病人在拍摄之间甚至能稍微移动其所涉及的肢体部分，因为通过在肢体部分上固定的参照物，一个肢体自身的参照系统被定义，在肢体部分移动时基本上不变。
参考段在参照物上特别是可以通过两个标记来形成，两个标记间的距离是事先知道的。角度调节装置能由一个或两个凸起来构成，这两个凸起由长度标度件垂直伸出，因此在观测方向定向时，保证长度标度件与光轴垂直配置。以有利的方式，这些凸起能同时作为标记来用，它们相互间以已知距离来安置。在此，这些凸起也可以在一个轨道上被推移，这样，就可事先调节一个距离。
凸起可以特别作为筋、接片或条构成，它们垂直于长度标度件伸出。凸起的侧面上或者说上面和下面设置成有颜色的，由此可实现垂直观测方向的简单调节，即照相机被这样定位，即看不出带颜色的侧面，或仅仅在可被忽略的范围内能被看出。
由于相同的照相机用于不同的拍摄，这样，用于测量的仪器花费就相对少了，另外，在这种情况下，就避免了叠加不同照相机的不同光学误差，例如光轴的失调，然而，原理上来说，也能使用不同的照相机。
按照本发明，实际的在三维空间上分布的轮廓线的确定，可借助于参考模型来实现，以有利的方式首先确定一个参考平面，参考段位于该平面上，并且它与照相机观测方向垂直伸展。这个平面到摄像机位置的距离，因此与被确定的参考距离相一致。轮廓线的影象，能够以有利的方式首先引到该参考平面上，其中，参考平面的位置，在一般情况下，与包络肢体部分的轮廓线的实际位置并不一致，紧接着，由轮廓线投影和参考距离确定轮廓线和特定模型。
另外应可以考虑至少在一个影象中可被识别的肢体部分的显著位置或部分区域，代替这种显著位置或者部分区域，相应地也可标记肢体部分的位置或部分区域，特别是通过在肢体部分的涂层上未标记。这种显著的或者标记的位置或者部分区域除轮廓线外能附加地被考虑，用于确定特定模型。因此，可以由轮廓线和肢体部分的其它位置或部分区域，借助于一个参考模型来确定一个特定模型。
本发明的方法可以特别地用于四肢测量，特别是对四肢残肢部分如对一个小腿残肢部分的测量，使后来假肢的匹配成为可能。另外，为了使一个矫正件例如止血袜后来的匹配成为可能，也可以测量肢体部分、例如一支脚。
下面借助几个附图示出的实施形式详细解释本发明。其中
图1是对作为肢体部分的小腿残余部分进行测量的本发明测量装置；图2是小腿残余部分的通过带有标入的参考模型的轮廓线的剖视图；图3是一个带有轮廓线的参考模型；图4是用于说明一个参考平面在一个三维模型上的投影的简图；图5是图4中通过拍摄点的剖视图。
按照图1，把一个用作参照物的参考板条2固定、例如粘接在作为待测肢体的一个小腿残余部分1上。参考板条例如大致对准小腿残余部分的长度方向，参考板条端部具有接片4，这些接片例如可以作为筋或板构成，并且与参考板条成直角地凸出。有利的方式是，接片4的上下侧都有颜色，例如，上侧为红色，下侧为绿色，或者接片的外侧，即上接片的上侧和下接片的下侧是红色；并且接片的内侧为绿色，以便使接片4能作角度调节装置来用，来调节与参考板条相垂直的观测方向，这样，借助于检查接片4有颜色的内外侧能否被辩认，可以将摄像机与参考板条成垂直定位。在图1中位置B与参考板条不成直角，因为摄像机能识别上接片带颜色的上侧面，或者说，可看到上接片的外侧以及下接片4的带颜色的上侧、或者说下接片4的内侧。通过相应的调整，摄像机3被调节在A的位置，在这个位置，观测方向与参考板条2相垂直。因此，摄像机3的光轴线5垂直于推荐平板2，并穿过其中点。该推荐平板有一个带有已知参考长度的参考段，该参考段有利地通过接片4相互间的距离来形成。
作为摄像机，最好用一个数字摄像机，例如，一个CCD摄像机。
照相机3沿两个相互基本垂直方向绕小腿残余部分1定位，小腿残余部分将以有利的方式被照射，并且在一个黑暗背景前被拍摄下来，这样，作为图象上的反差使小腿残余部分轮廓线的随后确定变得容易些。轮廓线的实际的在三维空间坐标上的分布，从图象里轮廓线的影象还认不出来，特别是轮廓线离照相机3的距离，还不是已知的。在有足够对比度的情况下，轮廓线能够根据图象通过图象数据处理来被求出。在图象数据处理中，形成例如相邻像素的差，这种边缘辨识，例如由自动聚焦系统公知。
由于推荐平板2与照相机3的光轴相垂直，推荐长度就能直接被用以定标由照相机3所拍摄的图象。因此，对于通过推荐线段且与光轴线5相垂直的参考平面r1来说，定标是已知的。
照相机3然后按图5调整到第二个位置D处，同样与参考板条相垂直，其调整借助于接片4进行，而不改变参考板条2。因此，照相机在第二个测量位置上的光轴也与参考板条2相垂直，而与第一次测量的参考平面r1并不垂直。通过观测方向，或者说，通过在第二个摄像位置D上的照相机3的光轴，第二个参考平面r2就能被定义，参考板条2的轴线又位于该平面内。所以，可以在不同的(至少两个)摄像位置，拍摄两个或更多的图象，其中，分别形成参考平面，参考板条2的轴线位于这些平面上，并且每次都与照相机的光轴相垂直。
图2给出一个通过小腿残余部分在这样一个平面内的切面，该平面通过两个拍摄位置A，D。为了复制小腿部分外面，应用了一个参考模型R，在此，该推荐模型可以为每次观测的肢体单独地构造，这样，当时的肢体例如小腿残余部分1的粗略造型，通过推荐模型R大概再一次给出。按照本发明，随后根据照相机所拍图象，使推荐模型R与小腿残余部分1外表面的实际曲线相匹配，另外，按照本发明，小腿部分1外表面的实际轮廓线K1和K2，必须由图象里轮廓线的影象来确定，并且必须使参考模型与轮廓线K1和K2相匹配。问题是，在三维空间里轮廓线K1和K2的实际曲线，还不能由轮廓线的影象获知，必须借助于推荐模型R首先来确定。所以，推荐模型R不仅用于确定轮廓线K1和K2，而且还用于按照轮廓线K1和K2复制小腿残余部分1的特定模型。
因为按照有利方式，拍摄位置A，D在图5所示的平面内基本上相互之间错位90°角，因此，照相机的光轴5a和5b，基本上大约位于每另一个位置的参考平面R2，R1上，这样一种安排并不是必要的，因为拍摄位置I，II并不必相互间准确地成90°角；原则上必要的是，在相互不同的拍摄位置上，拍摄两个图象。
图3示出本发明的原理，应用一个推荐模型R，该模型必须与轮廓线K1，K2相匹配。
按照本发明，按有利的方式，根据图4将轮廓点K1a，K1b，K2a，K2b的投影引入相应的参考平面r1，r2，如图4中为两个拍摄位置所示的那样。由此，在相应的参考平面r1，r2上形成轮廓线投影a1a，a1b，a2a，a2b。在这些参考平面里，已知通过参考段参考长度的定标，随后，轮廓线投影的单个点a1a，a1b，a2a，a2b必须与小腿部分的轮廓线点K1a，K1b，K2a，K2b相匹配。
在图5中首先示出在这样一个平面上通过小腿残余部分1的一个切面，它通过光轴5a，5b来构成。对于一些其它平面上轮廓线点的计算，最后可类似处理，其中，拍摄点A，D分别处于这些平面上。最后，可使小腿残余部分在图4中L方向上的纵向长度与参考长度的标定相匹配。
权利要求
1.用于测量人体肢体部分(1)的方法，其中，与肢体部分(1)成固定的空间关系安置一个具有已知长度参考段和一个角度调节装置(4)的参照物(2)，借助于角度调节装置(4)，在与参考段相垂直的第一个观测方向，在第一个拍摄位置(A)上安置一个摄像机(3)，在这个位置上，照相机测得带有参照物(2)的肢体部分(1)，并拍摄第一个图象，借助于角度调节装置(4)，将照相机在与参考段相垂直的第二个观测方向上安置在第二个拍摄位置(D)，在这个位置，照相机测得带有参照物(2)的肢体部分(1)，并拍摄第二个图象，由参考段的长度和参考段在图象上的影象，求出参照物(2)与摄像机位置的距离作为第一个参考距离(X1)和第二个参考距离(X2)，对于每个图象，根据参考距离(X1，X2)和轮廓线的轮廓，以事光存贮的参考模型(R)为基础，确定一个在三维空间中分布的轮廓线(K1，K2)，并且，肢体部分(1)的特定模型(M)由轮廓线(K1，K2)和参考模型(R)来确定。
2.根据权利要求1的方法，其特征为，对于每个拍摄位置(A，D)，形成一个参考平面(r1，r2)，参考段位于参考平面上，并且参考平面在与照相机观测方向相垂直的方向延伸，对于每个拍摄位置(A，D)，根据参考距离(X1，X2)和轮廓线(K1，K2)的影象，求出一个轮廓线投影(a1，a2)，它与轮廓线在参考平面上的投影相应，并且由轮廓线投影(a1，a2)、参考距离(X1，X2)和参考模型(R)构成肢体部分(1)的特定模型(M)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征为，在肢体部分(1)上设置一个涂层，特别是改善对比度的涂层。
4.根据权利要求1至3中之一的方法，其特征为，特定模型(M)的一个与观测方向相垂直延伸的长度，根据参考段与肢体部分两点间距离的比较来确定。
5.根据权利要求4的方法，其特征为，至少一个点是肢体部分的一个端部，和/或一个标记位置，特别是在涂层上的一个标记位置。
6.根据权利要求1至5中之一的方法，其特征为，在肢体部分特定模型(M)的确定中，除了轮廓线和参考模型外，进一步使用肢体部分(1)的部位或部分区域的影象，这些影象可以从肢体部分的影象的至少一个中辨识出。
7.根据权利要求1至6中之一的方法，其特征为，参照物(2)被固定在肢体部分(1)上，最好是粘接固定。
8.根据权利要求1至7中之一的方法，其特征为，参照物(2)具有带有已知距离的两个标记，这两个标记确定了参考段。
9.根据权利要求1至8中之一的方法，其特征为，角度调节装置是一个视觉的角度调节装置，并且，至少具有一个与参考段垂直延伸的凸起(4)。
10.根据权利要求9的方法，其特征为，角度调节装置具有两个相互间距的、与参考段垂直伸展的凸起(4)，它们之间构成了参考段。
11.根据权利要求10的方法，其特征为，这个或这些凸起(4)具有带颜色的侧面，或者说带颜色的上侧面和下侧面。
12.根据权利要求1至11之一的方法，其特征为，在不同的拍摄位置，使用相同的照相机(3)。
13.根据权利要求1至12中之一的方法，其特征为，一个四肢残肢部分、特别是小腿残余部分作为肢体部分被测量。
14.根据权利要求1至12中之一的方法，其特征为，四肢、特别是一个脚作为肢体部分被测量。
全文摘要
本发明涉及测量人体肢体部分、比如小腿残余部分的方法。对肢体轮廓,在不同的拍摄位置(A)至少拍摄两个图象,根据这些图象,轮廓线例如作为对比被求出。带有参考段的参照物(2)被用于图象的标定,照相机(3)借助于在参照物上的一个角度调节装置、例如垂直凸出的接片(4),在垂直的观测方向上被调节。根据轮廓线的影象和参考段,借助于参考模型,最后求出肢体部分的外表面。
文档编号G01B11/02GK1271085SQ0010588
公开日2000年10月25日 申请日期2000年4月14日 优先权日1999年4月15日
发明者马丁·普施, 戴夫·雷诺兹 申请人:奥托·博克矫形工业两合公司