脊柱3D测量仪及其测量方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是指一种脊柱3d测量仪及其测量方法。

背景技术

脊柱由二十四块椎骨及椎间盘构成，它的正常弯曲给脊柱提供柔性、弹性和减震性的特性，然而，脊柱侧凸是一种存在脊柱异常侧弯的肌骨骼状态，引起脊柱向左或右弯曲，具有脊柱侧凸的脊柱因为异常的弯曲呈现类似s或c字母，此时，当脊柱不能发展其正常的前后拱时，使得椎间盘上要承受不正常的重量。脊柱侧凸最常见于青春期，其中，驼背是一种与脊柱侧凸有关联的可见的脊柱畸形，驼背时，上背部区域的脊柱弯曲角度为四十五度或者更大，而正常的脊柱在上背部区域仅有约二十到四十五度的弯曲。为预防脊柱侧凸，或者驼背，有必要对人体的脊柱弯曲角度进行测量，在测量脊柱弯曲角度较大时，能及时进行矫正治疗。

脊柱侧凸是一种脊柱畸形，在脊柱x射线图像上测量cobb角方法是评估畸形严重程度的重要标准。目前标准式的cobb角测量法需通过在脊柱侧凸的上端椎的上缘以及下端椎的下缘各画出一条终板线，然后再画终板线的垂线，以间接的测量两个终板的夹角。这种方法步骤多，需要画线，因此操作起来耗时，并且当x光片显示在电脑屏幕上时就不适用画线的方法来测量。并且标准式cobb测量方法测量准确性受到画笔粗细以及所画垂线垂直程度等因素的影响，因此具有2-8度的误差，而临床对于cobb角测量的精确度要求较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、使用方便、测量精度高的脊柱3d测量仪及其测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种脊柱3d测量仪，包括测量本体，其中：

所述测量本体的前端设置有纵向的叉形部，所述叉形部上设置有用于贴服于脊柱沿脊柱移动的第一滚轮和第二滚轮，所述第一滚轮和第二滚轮的中部分别设置有用于容纳脊柱棘突的第一环形凹槽和第二环形凹槽；

所述测量本体的后端设置有手柄；

所述测量本体上在所述第一滚轮和第二滚轮之间设置有陀螺仪传感器，所述第一滚轮和第二滚轮的安装轴上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器；

所述测量本体上还设置有中央处理单元，所述陀螺仪传感器、第一压力传感器和第二压力传感器的信号输出端均连接至所述中央处理单元，所述中央处理单元还连接有提示单元。

进一步的，所述手柄与所述测量本体的纵向方向的夹角为15-30度。

进一步的，所述第一压力传感器为两个，分别设置在所述第一滚轮的安装轴的两端；和/或，所述第二压力传感器为两个，分别设置在所述第二滚轮的安装轴的两端。

进一步的，所述第一滚轮的直径为所述第二滚轮的直径的2-3倍。

进一步的，所述提示单元为声音提示单元和/或灯光提示单元。

进一步的，所述中央处理单元还连接有存储单元、和/或显示单元、和/或用于与外部设备通信的通讯芯片。

另一方面，提供一种利用上述脊柱3d测量仪测量脊柱cobb角的方法，包括：

步骤1：手持所述脊柱3d测量仪，将所述第一滚轮和第二滚轮贴服于人体脊柱的颈椎处；

步骤2：当所述提示单元提示所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力处于预设压力范围内时，所述陀螺仪传感器开始数据采集，手持所述脊柱3d测量仪沿脊柱从上往下滚动，直到腰椎尾部，完成数据采集；

步骤3：根据所述陀螺仪传感器采集的数据，计算出脊柱3d测量仪在空间坐标系中的运动轨迹；

步骤4：根据所述运动轨迹，计算出所述脊柱的cobb角。

进一步的，所述步骤2中，在所述脊柱3d测量仪移动过程中，如果所述提示单元提示所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力未处于预设压力范围内，调整所述脊柱3d测量仪的左右倾斜角度和/或手部施加的压力，使所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力保持在预设压力范围内。

进一步的，所述步骤2中，采集的数据包括：所述陀螺仪传感器开始数据采集时所述脊柱3d测量仪在空间坐标系中的初始空间位置、所述脊柱3d测量仪沿脊柱从上往下滚动过程中的三轴加速度和四元数；

所述步骤3中，所述运动轨迹根据所述初始空间位置、三轴加速度和四元数经积分运算得到。

进一步的，所述步骤4中，所述脊柱的cobb角的计算公式如下：

c＝180-b+a

其中，c代表所述脊柱的cobb角，a为所述运动轨迹在脊柱侧凸的上端椎处的切线与空间坐标系x轴的夹角，b为所述运动轨迹在脊柱侧凸的下端椎处的切线与空间坐标系x轴的夹角。

本发明具有以下有益效果：

应用时，手持该脊柱3d测量仪，将滚轮贴服于人体脊柱的颈椎处，从上往下滚动，直到腰椎尾部，与此同时，利用压力传感器测量滚轮与脊柱的贴服程度，确保一直处于贴服状态，利用陀螺仪传感器采集数据，可以计算出设备的运动轨迹，从而根据运动轨迹计算出脊柱的cobb角。本发明的脊柱3d测量仪及其测量方法，结构简单、使用方便、测量精度高。

附图说明

图1为本发明的脊柱3d测量仪的整体结构示意图；

图2为图1所示脊柱3d测量仪中第一滚轮的结构图，其中(a)为侧视图，(b)为正视图；

图3为图1所示脊柱3d测量仪中第二滚轮的结构图，其中(a)为侧视图，(b)为正视图；

图4为图1所示脊柱3d测量仪中测量本体及手柄部分的结构图；

图5为本发明的脊柱3d测量仪的电路原理图；

图6为本发明的脊柱3d测量仪的测量方法的流程图；

图7为图6所示测量方法中脊柱cobb角度计算原理图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种脊柱3d测量仪，如图1-5所示，包括测量本体1，其中：

测量本体1的前端设置有纵向的叉形部2，叉形部2上(即两个叉上)设置有用于贴服于脊柱沿脊柱移动的第一滚轮3和第二滚轮4，第一滚轮3和第二滚轮4的中部分别设置有用于容纳脊柱棘突的第一环形凹槽31和第二环形凹槽41；

测量本体1的后端设置有手柄5；

测量本体1上在第一滚轮3和第二滚轮4之间设置有陀螺仪传感器6，第一滚轮3和第二滚轮4的安装轴上分别设置有第一压力传感器7和第二压力传感器8；

测量本体1上还设置有中央处理单元9，陀螺仪传感器6、第一压力传感器7和第二压力传感器8的信号输出端均连接至中央处理单元9，中央处理单元9还连接有提示单元10。

应用时，手持该脊柱3d测量仪，将滚轮贴服于人体脊柱的颈椎处，从上往下滚动，直到腰椎尾部，与此同时，利用压力传感器测量滚轮与脊柱的贴服程度，确保一直处于贴服状态，利用陀螺仪传感器采集数据，可以计算出设备的运动轨迹，从而根据运动轨迹计算出脊柱的cobb角。

本发明中，设置两个滚轮的好处在于可以确保陀螺仪传感器与脊柱之间的距离保持恒定，从而根据陀螺仪传感器采集的数据计算出的运动轨迹即是脊柱的弯曲曲线，如果只设置一个滚轮的话，随着手柄的倾斜，陀螺仪传感器与脊柱之间的距离将发生变化，根据陀螺仪传感器采集的数据计算出的运动轨迹将不能代表脊柱的弯曲曲线。滚轮上的环形凹槽可以起到定位作用，提高测量的准确度。

本发明的脊柱3d测量仪可以沿着实际的生理脊柱空间曲线进行运动，测量出脊柱的空间角度，其结构简单、使用方便、测量精度高。

如图4所示，手柄5与测量本体1的纵向方向的夹角α可以为15-30度，以方便手持操作。优选的，第一压力传感器7为两个，分别设置在第一滚轮3的安装轴的两端；和/或，第二压力传感器8为两个，分别设置在第二滚轮4的安装轴的两端，这样，可以使滚轮左右两侧都稳定的贴服在脊柱上，进一步提高测量的准确度。

本发明中，第一滚轮3和第二滚轮4的直径可以相同，然而优选如图1所示，第一滚轮3的直径为第二滚轮4的直径的2-3倍，两者大小不同，可以使得设备在沿脊柱曲线移动过程中更加平稳。

如图5所示，提示单元10可以为声音提示单元和/或灯光提示单元。为提高数据存储能力，中央处理单元9可以连接有存储单元11。中央处理单元9还可以连接有显示单元(未示出)，以对相关内容进行显示。并且，中央处理单元9还可以连接有用于与外部设备(如上位机、移动终端等)通信的通讯芯片12，该通讯芯片12可以采用本领域常用的wifi或蓝牙通信方式。

另一方面，本发明提供一种利用上述脊柱3d测量仪测量脊柱cobb角的方法，如图6所示，包括以下步骤：

s1：手持所述脊柱3d测量仪，将所述第一滚轮和第二滚轮贴服于人体脊柱的颈椎处；

本步骤中，患者保持站立姿态进行测量即可。

s2：当所述提示单元提示所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力处于预设压力范围内时，所述陀螺仪传感器开始数据采集，手持所述脊柱3d测量仪沿脊柱从上往下滚动，直到腰椎尾部，完成数据采集；

本步骤中，预设压力范围可以根据实际情况灵活设置，滚轮与脊柱之间的压力过小的话，说明未贴服到位，压力过大的话，影响被测患者的舒适度。在脊柱3d测量仪移动过程中，如果所述提示单元提示所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力未处于预设压力范围内，调整所述脊柱3d测量仪的左右倾斜角度和/或手部施加的压力，使所述第一滚轮、第二滚轮与脊柱之间的压力保持在预设压力范围内。

提示单元优选为声音提示单元，给出的提示例如可以为：“贴服正常，请开始测量”、“前轮未贴服到位”、“后轮未贴服到位”、“前轮/后轮的左侧/右侧未贴服到位”、“前轮/后轮的左侧/右侧压力过大”、“测量完毕”等。当然，提示单元也可以采用灯光提示单元，例如通过多个led、以不同颜色表示不同的状态进行提示。

另外，本步骤中，采集的数据优选至少包括：所述陀螺仪传感器开始数据采集时所述脊柱3d测量仪在空间坐标系中的初始空间位置、所述脊柱3d测量仪沿脊柱从上往下滚动过程中的三轴加速度和四元数。

s3：根据所述陀螺仪传感器采集的数据，计算出脊柱3d测量仪在空间坐标系中的运动轨迹；

本步骤中，根据所述陀螺仪传感器采集的数据，可以计算出脊柱3d测量仪在空间坐标系中的运动轨迹(得到一条空间矢量曲线)，具体的，可以根据所述初始空间位置、三轴加速度和四元数经积分运算得到。计算方法可以参考如下步骤：

a1、假设陀螺仪传感器开始数据采集时脊柱3d测量仪在空间坐标系中的初始空间位置为s_x，s_y，s_z，此时由于未开始移动，故三轴速度均为零，即速度v_x＝0，v_y＝0，v_z＝0；

a2、通过陀螺仪传感器，得到经过时间dt后三轴加速度a_x，a_y，a_z，四元数q0，q1，q2，q3；

a3、将三轴加速度转换到空间三轴上，定义空间坐标系三轴加速度ar_x，ar_y，ar_z；

ar_x＝(q0²+q1²-q2²-q3²)*a_x+2*(q1*q2-q0*q3)*a_y+2*(q0*q2+q1*q3)*a_z

ar_y＝2*(q0*q3+q1*q2)*a_x+(q0²-q1²+q2²-q3²)*a_y+2*(q2*q3-q0*q1)*a_z

ar_z＝2*(q1*q3-q0*q2)*a_x+2*(q0*q1+q2*q3)*a_y+(q0²-q1²-q2²+q3²)*a_z

a4、积分得到空间三轴的位移：

s_x＝v_x*dt+ar_x*dt²/2

v_x＝ar_x*dt

s_y＝v_y*dt+ar_y*dt²/2

v_y＝ar_y*dt

s_z＝v_z*dt+ar_z*dt²/2

v_z＝ar_z*dt

根据s_x，s_y，s_z即可描绘出设备在空间坐标系的运动轨迹。

s4：根据所述运动轨迹，计算出所述脊柱的cobb角。

本步骤中，根据所述运动轨迹，可以计算出所述脊柱的cobb角。如图7所示，具体可以采用如下计算公式：

c＝180-b+a

其中，c代表所述脊柱的cobb角，a为所述运动轨迹在脊柱侧凸的上端椎处的切线与空间坐标系x轴的夹角，b为所述运动轨迹在脊柱侧凸的下端椎处的切线与空间坐标系x轴的夹角。其中，脊柱侧凸的上、下端椎可以在所述运动轨迹的对应位置附近通过选取曲率极小点计算得出，具体的，如图7所示，由于可以识别出脊柱侧凸的最高点，在所述运动轨迹上沿着脊柱侧凸的最高点向上移动，找到曲率极小点即是脊柱侧凸的上端椎点，在所述运动轨迹上沿着脊柱侧凸的最高点向下移动，找到曲率极小点即是脊柱侧凸的下端椎点。

上述步骤s3和s4既可以在中央处理单元中执行，也可以由中央处理单元将采集的数据传输至外部的上位机中执行，均不影响本发明技术方案的实现。

通过本发明的方法可以方便、快速、高精度的测量出脊柱的cobb角。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。