一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，特别涉及一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法。


背景技术：

2.在外科疾病中，开放性创伤的治疗方案在临床工作中一直都是非常关键的一部分，研究已经证实在治疗最初的2至4周内伤口尺寸的减小是具有统计学显著意义的预测伤口愈合的独立因素，因此，快速精确的量测创伤有利于医生对患者伤情的判断，对患者后续采取的治疗方案、创伤的恢复情况有至关重要的作用。
3.目前常见的创伤面积量测方法有5种，钟表法、最大长宽法、复合法、循迹法，照片法。常见的创伤深度测量方法有两种，棉签探查窦道、注入生理盐水，以上传统方法对于创伤量测有较大局限性，存在以下问题：由于创伤的形状、大小等个体差异，医护人员的量测手法不同导致对于创伤量测没有统一标准的参数，接触伤口还有二次感染的风险，并且难以对创伤变化将进行周期性分析，对于后期治疗产生一定影响。
4.于是，有鉴于此，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提供一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法，以期达到更具有更加实用价值性的目的。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法，以解决由于创伤的形状、大小等个体差异，医护人员的量测手法不同导致对于创伤量测没有统一标准的参数，接触伤口还有二次感染的风险，并且难以对创伤变化将进行周期性分析，对于后期治疗产生一定影响的问题。
6.本发明固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：
7.一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法，一种固定基线创伤量测设备包括固定基线创伤量测设备和三维创伤量测终端，三维创伤量测终端又分为设备连接模块、模型创建模块、创伤分析模块和数据存储模块；所述设备连接模块用于连接相机阵和控制器；所述模型创建模块用于调整相机阵拍摄位置，并对拍摄的相片进行三维建模；所述创伤分析模块用以对创伤部分进行自动提取，得到创伤部分的面积、深度、最大长宽等信息；所述数据存储模块根据患者创伤三维模型和参数，对患者的创伤信息进行周期性对比，再根据恢复情况调整治疗方案。
8.可选地，包括相机阵主体、可伸缩机械臂、机械臂关节、机械臂底座和控制器，所述机械臂底座的上端转动安装有机械臂关节，机械臂关节的上端连接有可伸缩机械臂，可伸缩机械臂的末端与相机阵主体固定相连接；所述控制器用以连接相机阵主体和工作站，将相机阵拍摄的相片同步传送到工作站，所述工作站用于控制机械臂拍摄前调整方位，三维量测系统拍摄后对创伤进行三维建模并得出面积、深度等相关参数。
9.可选地，所述相机阵主体包括相机阵外壳、单相机和碳纤维固定架，所述单相机选用定焦镜，后置插口为雷蒙头，连接控制器；所述单相机通过碳纤维固定架呈矩阵状固定安装在相机阵外壳中。
10.可选地，所述控制器中内置有网线接口、控制电路、电源模块、220v交流电和交换机，用以连接相机阵和工作站，为相机阵供电，为工作站传输图像等。
11.一种固定基线创伤量测设备标定流程，为：
12.步骤1、制作一个三维靶标控制场，长*宽*高的尺寸为1m*1m*1m，在互相平行的三维靶标控制场布设79个圆形3mm圆形单点，3mm圆形单点点坐标利用双电子经纬仪组成的三维坐标测量系统测得；
13.步骤2、每个相机单独对三维靶标控制场拍一张照片，将物方控制点作为已知真值，利用十参数模型对相机的内参数进行标定；
14.十参数模型可简化为：v＝a1x1+a3x3–
l；
15.单张相片可以根据上式列出两个方程式，有6个外参数和10个内参数需要求得，所以至少需要8个以上的控制点，三维靶标控制场足够满足要求，利用大量控制点进行空间后方交会，此方法能够比较准确的改正系统误差，且计算量小，标定精度高；
16.步骤3、由步骤2已知每个相机的内参数，且控制点坐标视为真值，仅对相机外参数进行求解，故共线方程的的误差方程只需要对外方位元素进行最小二乘法平差，得到各相机的外方位元素，再利用公共点转换，将5号相机的摄影测量坐标系作为物方坐标系，得出各相机相对于5号相机坐标系的外方位元素；
17.步骤4、三维靶标控制场对相机进行内外参数标定之后生成相机文件，在后续进行创伤拍摄中无需添加参考基准尺。
18.一种固定基线创伤三维量测系统工作流程，为：
19.1)将相机阵主体安装在可伸缩机械臂上，并将控制器与相机阵主体和工作站连接；
20.2)根据工作站上显示的相机画面调整移动可伸缩机械臂，将相机阵主体中的5号相机正对创伤部位，调整好相机阵主体拍摄位置并将相机阵拍摄的图像上传至工作站中的量测系统；
21.3)利用特征提取得到稀疏点云，并进行点云高斯滤波剔除噪声点，根据约束条件进行区域生长，得到密集点云；
22.4)对密集点云进行处理，利用本文提出的创伤自动提取方法对创伤进行提取，最终得创伤面积、深度、最大长宽等相关参数；
23.5)对密集点云进行三角网格化处理，对其进行修补孔洞、去噪、细化处理，并进行纹理贴图，并将创伤边界显示在三维模型上；
24.6)将患者信息、创伤模型和相关参数存储并生成病历，周期性观测创伤变化，调整治疗方案。
25.一种创伤自动提取方法，具体步骤如下；
26.1)按物方坐标的xy方向为基准面，对密集点云数据进行第一次横纵网格剖面线处理，横纵间隔根据具体创伤情况进行设置，分别为剖面线横向间隔和剖面线纵向间隔，按照每个网格节点19为搜索半径，将最邻近点高程为该节点高程，对剖面每个节点进行遍历，创
伤周围和内部的高差梯度较大，非创伤处的高差梯度较小，所以设置3*3的剖面线窗口，对中心点进行8个方向的高差计算，将最大高差绝对值作为该节点的高差，对剖面线节点的高差设置一个合理的阈值，提取高差较大的节点；
27.2)创伤的rgb颜色相比与非创伤处有较大差异，求出已提取节点的平均值，根据提取出来的节点rgb颜色2倍中误差作为阈值，已提取节点减去平均值如果小于2倍中误差，则将该节点作为误选取剔除，最终得到创伤的离散点；
28.3)对已选取节点利用数学形态学方法进行边界提取，对已选取节点进行3*3的十字形遍历，若四个方向均有已选取节点，则认为该点为内部点，若在四个方向中有一个以上的方向没有已选取节点，则认为该点为边界点，将边界点连接后最终形成创伤边界；
29.4)将得到的创伤边界节点在xy面进行二次横纵剖面线优化处理，间隔相较于第一次更小，同时将边界节点的x坐标方向最小点减去1，最大点加上1，y坐标方向同理，并将这4个点连接为矩形，做第二次横纵剖面线处理，如果想要得到更高精度的创伤边界，可进行多次优化处理；
30.5)将得到的精确创伤边界点依次连接绘制创伤轮廓线，计算轮廓线所形成的闭合图形面积作为创伤面积；将边界内最大高差作为创伤的深度；求每个边界点和其他边界点的距离，得到创伤的最大长宽；
31.6)得到的创伤参数存储并显示在三维模型上，使医生能够更加直观看到边界和参数。
32.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
33.1、操作简单，无需接触创伤本身；
34.2、利用高精度控制点对相机内外参数标定，得到相机参数和位姿，在进行创伤拍摄时无需像控点，可直接对创伤进行三维建模；
35.3、能够高精度自动提取创伤边界，并得到面积、深度、最大长宽等信息；
36.4、可根据创伤参数周期性观测创伤恢复情况并调整治疗方案。
37.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
38.图1是本发明的结构示意图。
39.图2是本发明的相机阵主体示意图。
40.图3是本发明的单相机示意图。
41.图4是本发明的控制器示意图
42.图5是本发明的创伤量测设备连接示意图。
43.图6是本发明的创伤量测设备连接模型图。
44.图7是本发明的工作流程图。
45.图8是本发明的创伤自动提取分析方法框图。
46.图9是本发明的创伤剖面线分割示意图。
47.图10是本发明的三维创伤量测终端。
48.图中，部件名称与附图编号的对应关系为：
49.1、相机阵主体；2、可伸缩机械臂；3、机械臂关节；4、机械臂底座；5、相机阵外；6、单相机；7、碳纤维固定架；8、雷蒙头8；9、定焦镜；10、网线接口；11、控制电路；12、电源模块；13、220v交流电；14、交换机；15、三维靶标控制场；16、3mm圆形单点；17、剖面线横向间隔；18、剖面线纵向间隔；19、剖面线节点；20、创伤区域；21、三维创伤量测终端；22、设备连接模块；23、模型创建模块；24、创伤分析模块；25、数据存储模块。
具体实施方式
50.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
51.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
52.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.实施例：
54.如附图1至附图8所示：
55.本发明提供一种固定基线创伤三维量测系统及创伤自动提取方法，包括固定基线创伤量测设备和三维创伤量测终端21，如图10所示，三维创伤量测终端21又分为设备连接模块22、模型创建模块23、创伤分析模块24和数据存储模块25；设备连接模块22用于连接相机阵和控制器；模型创建模块23用于调整相机阵拍摄位置，并对拍摄的相片进行三维建模；创伤分析模块24用以对创伤部分进行自动提取，得到创伤部分的面积、深度、最大长宽等信息；数据存储模块25根据患者创伤三维模型和参数，对患者的创伤信息进行周期性对比，再根据恢复情况调整治疗方案。
56.此外，根据本发明的实施例，如图1至图5所示，包括相机阵主体1、可伸缩机械臂2、机械臂关节3、机械臂底座4和控制器，机械臂底座4的上端转动安装有机械臂关节3，机械臂关节3的上端连接有可伸缩机械臂2，可伸缩机械臂2用于固定相机阵主体1且可以在机械臂上移动位置，进行拍摄位置调整，可伸缩机械臂2的末端与相机阵主体1固定相连接，相机阵主体1用于对准创伤进行单次多相机同时拍摄；控制器用以连接相机阵主体1和工作站，将相机阵拍摄的相片同步传送到工作站，工作站用于控制机械臂拍摄前调整方位，三维量测系统拍摄后对创伤进行三维建模并得出面积、深度等相关参数，拍摄时不用在创伤周围增加基准尺，操作便捷，且无需接触创伤本身，相机阵主体1包括相机阵外壳5、单相机6和碳纤维固定架7，单相机6选用定焦镜9，后置插口为雷蒙头8，连接控制器；单相机6通过碳纤维固定架7呈矩阵状固定安装在相机阵外壳5中，控制器中内置有网线接口10、控制电路11、电源模块12、220v交流电13和交换机14，用以连接相机阵和工作站，为相机阵供电，为工作站传
输图像等。
57.一种固定基线创伤量测设备标定流程，如图6所示，为：
58.步骤1、制作一个三维靶标控制场15，长*宽*高的尺寸为1m*1m*1m，在互相平行的三维靶标控制场15布设79个圆形3mm圆形单点16，3mm圆形单点16点坐标利用双电子经纬仪组成的三维坐标测量系统测得；
59.步骤2、每个相机单独对三维靶标控制场15拍一张照片，将物方控制点作为已知真值，利用十参数模型对相机的内参数进行标定；
60.十参数模型可简化为：v＝a1x1+a3x3–
l；
61.单张相片可以根据上式列出两个方程式，有6个外参数和10个内参数需要求得，所以至少需要8个以上的控制点，三维靶标控制场15足够满足要求，利用大量控制点进行空间后方交会，此方法能够比较准确的改正系统误差，且计算量小，标定精度高；
62.步骤3、由步骤2已知每个相机的内参数，且控制点坐标视为真值，仅对相机外参数进行求解，故共线方程的的误差方程只需要对外方位元素进行最小二乘法平差，得到各相机的外方位元素，再利用公共点转换，将5号相机的摄影测量坐标系作为物方坐标系，得出各相机相对于5号相机坐标系的外方位元素；
63.步骤4、三维靶标控制场15对相机进行内外参数标定之后生成相机文件，在后续进行创伤拍摄中无需添加参考基准尺。
64.一种固定基线创伤三维量测系统工作流程，如图7所示，为：
65.1)将相机阵主体1安装在可伸缩机械臂2上，并将控制器与相机阵主体1和工作站连接；
66.2)根据工作站上显示的相机画面调整移动可伸缩机械臂2，将相机阵主体1中的5号相机正对创伤部位，调整好相机阵主体1拍摄位置并将相机阵拍摄的图像上传至工作站中的量测系统；
67.3)利用特征提取得到稀疏点云，并进行点云高斯滤波剔除噪声点，根据约束条件进行区域生长，得到密集点云；
68.4)对密集点云进行处理，利用本文提出的创伤自动提取方法对创伤进行提取，最终得创伤面积、深度、最大长宽等相关参数；
69.5)对密集点云进行三角网格化处理，对其进行修补孔洞、去噪、细化处理，并进行纹理贴图，并将创伤边界显示在三维模型上；
70.6)将患者信息、创伤模型和相关参数存储并生成病历，周期性观测创伤变化，调整治疗方案。
71.一种创伤自动提取方法，如图8和图9所示，具体步骤如下；
72.1)按物方坐标的xy方向为基准面，对密集点云数据进行第一次横纵网格剖面线处理，横纵间隔根据具体创伤情况进行设置，分别为剖面线横向间隔17和剖面线纵向间隔18，按照每个网格节点19为搜索半径，将最邻近点高程为该节点高程，对剖面每个节点进行遍历，创伤周围和内部的高差梯度较大，非创伤处的高差梯度较小，所以设置3*3的剖面线窗口，对中心点进行8个方向的高差计算，将最大高差绝对值作为该节点的高差，对剖面线节点19的高差设置一个合理的阈值，提取高差较大的节点；
73.2)创伤的rgb颜色相比与非创伤处有较大差异，求出已提取节点的平均值，根据提
取出来的节点rgb颜色2倍中误差作为阈值，已提取节点减去平均值如果小于2倍中误差，则将该节点作为误选取剔除，最终得到创伤的离散点；
74.3)对已选取节点利用数学形态学方法进行边界提取，对已选取节点进行3*3的十字形遍历，若四个方向均有已选取节点，则认为该点为内部点，若在四个方向中有一个以上的方向没有已选取节点，则认为该点为边界点，将边界点连接后最终形成创伤边界；
75.4)将得到的创伤边界节点在xy面进行二次横纵剖面线优化处理，间隔相较于第一次更小，同时将边界节点的x坐标方向最小点减去1，最大点加上1，y坐标方向同理，并将这4个点连接为矩形，做第二次横纵剖面线处理，如果想要得到更高精度的创伤边界，可进行多次优化处理；
76.5)将得到的精确创伤边界点依次连接绘制创伤轮廓线，计算轮廓线所形成的闭合图形面积作为创伤面积；将边界内最大高差作为创伤的深度；求每个边界点和其他边界点的距离，得到创伤的最大长宽；
77.6)得到的创伤参数存储并显示在三维模型上，使医生能够更加直观看到边界和参数。
78.本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。