一种颈椎活动度检测装置及方法与流程

本公开涉及机器视觉和医疗器械技术领域，特别是涉及一种颈椎活动度检测装置及方法。

背景技术：

目前，发明人在研究中发现，颈椎活动度的检测的现状及存在的问题是：颈椎活动度测量现有技术为倾斜仪测量、颈椎活动度测量仪、照相分析、ct三维重建测量、皮尺测量、目测。

倾斜仪通常是在一个活动周期中测量终点距离起点的平均角度偏移量，测量精度低，且无法有效测量旋转活动度。颈椎活动度测量仪将倾斜仪和罗盘结合起来，测量颈椎活动度，虽具有较好的精度和可靠性，但结构复杂、测量过程繁琐，增加了被测试者的抵触心理。

照相分析法操作简便，测量精度高，但测量前需在被测试者体表贴附容易辨识的标记，引起被测试者不适，一般需要多个相机采集数据，且位姿解算算法复杂，运算量大。ct三维重建分辨率好，测量精度高，但测量时间长、计算复杂、放射性大。皮尺测量和目测方法简单，但依赖测量者经验，测量精度低、效率低，测量者工作强度大。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种颈椎活动度检测装置及方法，具有结构简单，安装方便，测量准确、高效的特点。

为实现上述目的，本申请公开了以下技术方案：

一种颈椎活动度检测装置，包括：

标记发箍，所述标记发箍包括标记板，标记板中心标记一长一短、相互垂直的两条标记线；

信号采集装置，所述信号采集装置实时采集标记板上黑色标记线的灰度信息和深度信息，并将采集的图像信息传输给微处理器；

微处理器对图像分析处理，通过测量标记线长度、灰度信息、深度信息计算得到颈椎活动度信息。

进一步的技术方案，所述标记发箍还包括发箍底座、支撑架，支撑架一端连接发箍底座，另一端连接标记板，用于将标记板悬于发箍底座正上方。

进一步的技术方案，所述信号采集装置为ccd深度摄像头，固定支架为圆柱结构，其底端固定在座椅靠背上，顶端悬挂着ccd深度摄像头。

进一步的技术方案，微处理器针对灰度图像，以两标记线交点作为圆心o，长标记线作为x轴，短标记线作为y轴，z轴垂直标记面向上，建立坐标系oxyz，微处理器通过霍夫变化采集两条标记线的端点坐标信息：长线段起点坐标(x1,y1)、终点坐标(x2,y2)，短线段起点坐标(x3,y3)，终点坐标(x4,y4)。

进一步的技术方案，微处理器根据距离公式及斜率角公式得到被测人员端坐状态下的标记线长度l1、l2和倾斜角作为参考标准。

进一步的技术方案，微处理器利用在灰度图像中提取的长线段起点坐标(x1,y1)、终点坐标(x2,y2)，短线段起点坐标(x3,y3)，终点坐标(x4,y4)，直接提取深度图像中相应像素点处的深度信息，得到长线段起点的深度信息d1、终点的深度信息d2，短线段起点的深度信息d3，终点的深度信息d4，取长线段起始点深度差值d1＝d1-d2，短线段深度差值d2＝d3-d4作为参考标准。

本申请提供了一种颈椎活动度检测装置的检测方法，为了实现上述目的，公开了以下技术方案：

一种颈椎活动度检测装置的检测方法，包括：

信号采集装置采集被测人员端坐时的标记图像，包括灰度图像和深度图像；

微处理器获得灰度图像和深度图像，并针对不同的图像分别进行处理，包括对灰度图像的建立坐标系，得到被测人员端坐状态下的标记线长度l1、l2和倾斜角作为参考标准；

针对深度图像，直接提取深度图像中相应像素点处的深度信息，得到长线段起点的深度信息d1、终点的深度信息d2，短线段起点的深度信息d3，终点的深度信息d4，取长线段起始点深度差值d1＝d1-d2，短线段深度差值d2＝d3-d4作为参考标准；

被测人员左右平转测量时，信号采集装置采集标记图像，并计算两条标记线的长度、倾斜角及深度，获得得到平转角度；

被测人员前屈、后伸测量时，信号采集装置采集标记图像，计算两条标记线的长度、倾斜角及深度，获得俯仰角；

被测人员左右侧屈测量时，信号采集装置采集标记图像，计算两条标记线的长度、倾斜角及深度，获得侧屈时翻转角。

进一步的技术方案，坐标系中，以两标记线交点作为圆心o，长标记线作为x轴，短标记线作为y轴，z轴垂直标记面向上，建立坐标系oxyz。微处理器通过霍夫变化采集两条标记线的端点坐标信息：长线段起点坐标(x1,y1)、终点坐标(x2,y2)，短线段起点坐标(x3,y3)，终点坐标(x4,y4)。

进一步的技术方案，左右平转测量步骤中，ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l′1、l′2、倾斜角以及深度d′1、d′2；

标记线处于原xoy平面，因此标记线长度l′1＝l1、l′2＝l2，深度d′1＝d1、d′2＝d2；

通过计算倾斜角可得到平转角度当θ>0时，表示为右转角度，语音提示“右平转度为θ”；当θ<0时，表示为左转角度，语音提示“左平转度为θ”。

进一步的技术方案，前屈、后伸测量步骤中，ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l″1、l″2、倾斜角以及深度d″1、d″2；

标记板绕x轴即短标记线旋转，短标记线在xoy平面投影长度l″2＝l2和深度d″2＝d2，长标记线因平面倾斜，其在水平面投影变短l″1<l1，深度改变d″1≠d1；

俯仰角可计算：α＝arccos(l″1/l1)，当表示d″1<d1时为前屈，语音提示“俯角为α”；当表示d″1>d1时为后伸，语音提示“仰角为α”。

进一步的技术方案，左右侧屈测量步骤中，ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l″′1、l″′2、倾斜角以及深度d″′1、d″′2；

标记板绕y轴即长标记线旋转，长标记线在xoy平面投影长度l″′1＝l1和深度d″′1＝d1均不变，短标记线因平面倾斜，其在水平面投影变短l″′2<l2，深度改变d″′2≠d2；

侧屈时翻转角可计算：β＝arccos(l″′2/l2)，当表示d″′2>d2时为左侧屈，语音提示“左翻转角为β”；当表示d″′2<d2时为右侧屈，语音提示“右翻转角为β”。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本发明的颈椎活动度检测装置结构简单、安装方便、成本低廉，标记装置轻便且易于佩戴，能有效减小被测试人员的颈部负担，避免了被测试者对测量仪器的抵触心理。本发明的测量方法快速精确、易于实现，能有效减少测试时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为颈椎活动度检测装置示意图；

图2(a)为标记发箍结构示意图；

图2(b)为霍夫变换检测到的标记线；

图3为信号采集装置框图；

图4为左、右平转检测原理；

图5(a)为前屈、后伸检测原理；

图5(b)为前屈、后伸时采集标记线；

图中：1被测试人员，2标记发箍，3信号采集装置，4固定支架，5座椅，6发箍底座，7支撑架，8标记板，9长标记线，10短标记线，11短标记线起点，12短标记线终点，13长标记线起点，14长标记线终点，15平转角，16被测人员颈根部，17被测人员头部，18俯角，19长标记线在水平面上的投影。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施例子中，如图1所示，公开了一种颈椎活动度检测装置，包括标记发箍、信号采集装置与固定支架。

如图2(a)所示，标记发箍2包括发箍底座6、支撑架7和标记板8，均为高韧性、高强度的塑料材质。发箍底座为具有一定厚度、一定宽度的大半圆环，佩戴在被测人员1额头，用于标记发箍与被测人员头部的可靠固定。支撑架7为长方体结构，其一端连接发箍底座，另一端连接标记板，用于将标记板悬于发箍底座正上方。标记板8为白色扁平方板，其中心标记一长标记线9及一短标记线10、相互垂直的两条黑色标记线。图2(b)为霍夫变换检测到的标记线。

固定支架4为金属材质、“γ”形的细长圆柱，其底端固定在座椅5靠背上，顶端悬挂着信号采集装置。

如图3所示，信号采集装置3，具体包括ccd深度摄像头、cortex-a8微处理器、语音模块、无线模块、电源模块。其内部的ccd深度摄像头用于实时采集标记板上黑色标记线的灰度信息和深度信息，并将采集的图像信息传输给微处理器。cortex-a8微处理器对图像分析处理，通过测量标记线长度、旋转、深度信息计算得到颈椎活动度信息。此处旋转即平转，也就是被测试者左右平转过程中标记线的旋转变化。

语音模块用于播报测试指令(如“左右平转测试”、“测试结束”等)和测试结果(如“左转角度为20°”)。无线模块用于将采集的颈椎活动度信息发送到远程计算机存储、生成报表。

上述实施例子中，只需要一个相机和标记板即可，结构简单，另外，算法上利用霍夫直线检测方法简便高效、极大地减少了运算时间，提高了检测效率。

本申请的另一种典型的实施例子中，还公开了一种颈椎活动度检测方法，步骤如下：

1)被测人员将标记发箍戴在额头处，端坐在座椅上。

2)ccd深度摄像机采集标记图像(包括灰度图像和深度图像)，灰度图像中以两标记线交点作为圆心o，长标记线作为x轴，短标记线作为y轴，z轴垂直标记面向上，建立坐标系oxyz。微处理器通过霍夫变化采集两条标记线的端点坐标信息：长标记线起点13坐标(x1,y1)、长标记线终点14坐标(x2,y2)，短标记线起点11坐标(x3,y3)，短标记线终点12坐标(x4,y4)。根据距离公式和斜率角公式可以得到被测人员端坐状态下的标记线长度l1、l2和倾斜角作为参考标准。

上述实施例子中，倾斜角指摄像机采集的长标记线与正中矢状面的水平夹角，也就是摄像机采集的长标记线与标记板y轴夹角，即图4中平转角15。

利用在灰度图像中提取的长线段起点坐标(x1,y1)、终点坐标(x2,y2)，短线段起点坐标(x3,y3)，终点坐标(x4,y4)，直接提取深度图像中相应像素点处的深度信息，得到长线段起点的深度信息d1、终点的深度信息d2，短线段起点的深度信息d3，终点的深度信息d4，取长线段起始点深度差值d1＝d1-d2，短线段深度差值d2＝d3-d4作为参考标准。

3)左右平转测量：

如图4所示，等语音提示“左右平转测试”后，被测人员开始平转测试。平转过程中，ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l′1、l′2、倾斜角以及深度d′1、d′2。标记线处于原xoy平面，因此标记线长度(l′1＝l1、l′2＝l2)和深度(d′1＝d1、d′2＝d2)均不变，通过计算倾斜角可得到平转角度当θ>0时，表示为右转，语音提示“右转角度为θ”；当θ<0时，表示为左转，语音提示“左转角度为|θ|”，左右转测试结束，被测人员端坐等待下一测试。

4)前屈、后伸测量：

如图5(a)所示，为前屈、后伸检测原理。前屈后伸测试时，被测人员颈根部18不动，被测人员头部17前倾，标记发箍2相应地前倾，此时标记发箍2上的长标记线9在水平面上的投影19变短。因此，测量前屈后伸过程中利用ccd深度相机采集长标记线在水平面上的投影19的长度变化，就可以得到俯仰角18。

如图5(b)所示，为前屈、后伸时采集标记线，等语音提示“前屈、后伸测试”后，被测人员开始前屈、后伸测试。ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l″1、l″2、倾斜角以及深度d″1、d″2。此时，标记板绕x轴(即短标记线)旋转，短标记线在xoy平面投影长度(l″2＝l2)和深度(d″2＝d2)均不变，长标记线因平面倾斜，其在水平面投影变短l″1<l1，深度改变d″1≠d1。俯仰角可计算：α＝arccos(l″1/l1)。当表示d″1<d1时为前屈，语音提示“俯角为α”；当表示d″1>d1时为后伸，语音提示“仰角为α”。

5)左右侧屈测量：

等语音提示“左、右侧屈测试”后，被测人员开始左右侧屈测试。ccd深度摄像头采集标记图像，并计算两条标记线的长度l″′1、l″′2、倾斜角以及深度d″′1、d″′2。此时，标记板绕y轴(即长标记线)旋转，长标记线在xoy平面投影长度(l″′1＝l1)和深度(d″′1＝d1)均不变，短标记线因平面倾斜，其在水平面投影变短l″′2<l2，深度改变d″′2≠d2。因此，侧屈时翻转角可计算：β＝arccos(l″′2/l2)。当表示d″′2>d2时为左侧屈，语音提示“左翻转角为β”；当表示d″′2<d2时为右侧屈，语音提示“右翻转角为β”。

6)语音播报“测试结束”，cortex-a8微处理器通过无线网络将颈椎活动度信息发送到远程计算机存储、生成报表。结束测试。

本发明的工作原理如下：

通过深度摄像头采集标记面上的不同长度、正交标记线的起点和终点坐标，计算得到两线段的长度信息、倾斜角信息和深度信息。当左、右平转测试时，采集的两条标记线段长度和深度均不变，通过倾斜角变化量(倾斜角大于0表示右转，小于0表示左转)可计算出左、右平转角度；前屈、后伸测试时，标记板绕x轴(即短标记线)旋转，长标记线在水平面投影长度变短，深度信息改变(前屈时深度变小，后伸时变大)，前屈、后伸时的俯、仰角可计算α＝arccos(l″1/l1)；左、右侧屈测试时，标记板绕y轴(即长标记线)旋转，短标记线在水平面投影长度变短，深度信息改变(左侧屈时深度变大，右侧屈时变小)，左、右侧屈角可计算β＝arccos(l″′2/l2)。

本申请的实施例子中，在左、右平转，前屈、后伸，左、右侧屈测试过程中，利用深度摄像头采集标记面上的不同长度、正交标记线的起点和终点坐标，通过长标记线的长度变化量计算俯仰角，长标记线的深度变化量区别前屈、后伸；短标记线长度变化量计算翻转角，短标记线的深度变化区别左、右侧屈；两直线的倾角变化获得左、右平转角。本发明的颈椎活动度检测装置结构简单、安装方便、成本低廉，测量方法快速精确、易于实现，能有效减少测试时间。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。