基于三维建模的脊柱侧弯测量方法与流程

本发明涉及人体工学测量的技术领域，特别涉及基于三维建模的脊柱侧弯测量方法。

背景技术：

由于长期坐姿或者站姿不规范等因素的作用，人体很容易发生脊柱侧弯的情况。若人体脊柱侧弯的程度严重，不仅会影响人体的正常行走和睡眠，并且还会对人体的器官造成压迫，从而损害人体的身体健康。现有技术都是通过x光扫描拍摄的方式来获得人体脊柱骨的姿态分布，但是这种方式只能定性地判断人体脊柱是否发生侧弯，其无法准确地确定人体脊柱的侧弯程度大小和每一节脊柱骨的扭转角度和偏移位移，这严重地影响脊柱侧弯测量的准确性和全面性，以及降低脊柱侧弯测量结果的可信度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供基于三维建模的脊柱侧弯测量方法，其通过构建人体背部的三维模型，并采用相同的视角采集该人体背部的影像，再根据该人体背部的影像，确定该人体背部对应的待测量区域，再将该人体背部的三维模型和该待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得该人体背部的三维面数据，再根据该三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线，以及对该空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线，对该特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和对该三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态；可见，该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型和拍摄人体背部影像而确定待测量区域，再结合该三维模型和该待测量区域，得到人体背部的三维面数据，最后以该三维面数据为基础，得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和人体脊柱骨对应的扭转状态，其通过三维建模的方式对人体脊柱进行精细化的分析，从而能够全面地和准确地确定人体每一节脊柱的侧弯角度和扭转状态，以此提高对人体脊柱侧弯测量的可靠性和有效性。

本发明提供基于三维建模的脊柱侧弯测量方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤s1，构建人体背部的三维模型，并采用相同的视角采集所述人体背部的影像，再根据所述人体背部的影像，确定所述人体背部对应的待测量区域；

步骤s2，将所述人体背部的三维模型和所述待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得所述人体背部的三维面数据，再根据所述三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线；

步骤s3，对所述空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线；

步骤s4，对所述特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数；

步骤s5，对所述三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态；

进一步，在所述步骤s1中，构建人体背部的三维模型具体包括：

步骤s101a，对目标对象的人体背部进行结构光扫描，以此获得目标对象的人体背部对所述结构光的反射光光强分布信息；

步骤s102a，根据所述反射光光强分布信息，确定所述目标对象的人体背部的三维形貌数据；

步骤s103a，根据所述人体背部的三维形貌数据，构建得到人体背部的三维模型；

进一步，在所述步骤s1中，采集所述人体背部的影像，再根据所述人体背部的影像，确定所述人体背部对应的待测量区域具体包括：

步骤s101b，对所述人体背部采用与所述结构光扫描方向相同的视角进行照片拍摄，从而得到相应的背部影像；

步骤s102b，识别所述背部影像中人体脊柱的分布位置，并通过机器学习的方式分析得到所述背部影像中脊柱中线的影像特征，再根据所述影像特征，识别得到所述背部影像中的脊柱中线；

步骤s103b，将识别得到所述背部影像中的脊柱中线左右对称扩展预设宽度覆盖的区域作为所述人体背部对应的待测量区域，其中，所述扩展预设宽度覆盖的区域包含人体脊柱中线左右两边的肌肉高点，所述预设宽度为50mm-200mm；

进一步，在所述步骤s2中，将所述人体背部的三维模型和所述待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得所述人体背部的三维面数据具体包括：

将所述人体背部的三维模型和所述待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，并根据所述重叠处理的结果，切割去除投影重叠区域以外的三维数据，从而获得所述人体背部的三维面数据；

进一步，在所述步骤s2中，根据所述三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线具体包括：

步骤s201，将所述三维面数据以每一节人体脊柱作为独立层进行水平切片，从而得到所述三维面数据对应的26个水平剖面；

步骤s202，确定每一个所述水平剖面对应的剖面外缘曲线，以及确定所述剖面外缘曲线对应的曲线极值点，从而将所述曲线极值点作为所述水平剖面所在的一节人体脊柱的脊柱中心点；

步骤s203，将所有人体脊柱对应的脊柱中心点依次连接成平滑曲线，从而得到人体脊柱棘脊突后皮肤表面的空间曲线；

进一步，在所述步骤s3中，对所述空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线具体包括：

步骤s301，将所述空间曲线在预设冠状面和预设矢状面分别进行投影，从而对应得到冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线，以此作为表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线；

步骤s302，对所述冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和所述矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线分别进行曲线光滑化处理；

进一步，在所述步骤s4中，对所述特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数具体包括：

步骤s401，对经过所述曲线光滑化处理的所述冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体脊柱侧弯角；

步骤s402，对经过所述曲线光滑化处理的所述矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体胸椎曲度、人体腰椎曲度、脊柱侧向偏移度、相邻脊柱垂线距离中的至少一者；

进一步，在所述步骤s401中，对经过所述曲线光滑化处理的所述冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体脊柱侧弯角具体包括：

计算经过所述曲线光滑化处理的所述冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线对应的每一个拐点的曲率值，并确定其中的最大曲率值，再将所述最大曲率值对应拐点处的脊柱侧弯角，作为所述人体脊柱侧弯角；

进一步，在所述步骤s5中，对所述三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态具体包括：

步骤s501，将所述三维面数据以每一节人体脊柱作为独立层进行分析，以此确定所述人体脊柱侧弯状态的特征曲线对应于26个脊柱节点的节点位置以及与所述节点位置相切的切线方向，再得到与所述切线方向垂直且包含所述节点位置所在空间点的平面，接着利用所述平面对所述三维面数据进行切片，从而得到所述三维面数据对应的26个剖面；

步骤s502，确定每一个所述剖面对应的剖面外缘曲线，并确定经过每一节人体脊柱左右两侧对应的肌肉高点的扭转切线，从而分别得到26组扭转切线集合；

步骤s503，根据所述人体脊柱侧弯状态的特征曲线中与每一个节点位置相切的切线方向和、与所述切向方向垂直且经过所述节点位置所在空间点的垂线之间的夹角，将每一组扭转切线进行空间旋转，以使所述扭转切线经过空间旋转后位于水平面内；再将所述扭转切线集合包含的所有扭转切线投影在同一水平面上，从而得到26条切线投影线，最后将所述26条切线投影线两两之间的相对夹角作为对应一节人体脊柱骨的扭转角。

相比于现有技术，该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型，并采用相同的视角采集该人体背部的影像，再根据该人体背部的影像，确定该人体背部对应的待测量区域，再将该人体背部的三维模型和该待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得该人体背部的三维面数据，再根据该三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线，以及对该空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线，对该特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和对该三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态；可见，该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型和拍摄人体背部影像而确定待测量区域，再结合该三维模型和该待测量区域，得到人体背部的三维面数据，最后以该三维面数据为基础，得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和人体脊柱骨对应的扭转状态，其通过三维建模的方式对人体脊柱进行精细化的分析，从而能够全面地和准确地确定人体每一节脊柱的侧弯角度和扭转状态，以此提高对人体脊柱侧弯测量的可靠性和有效性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于三维建模的脊柱侧弯测量方法的流程示意图。

图2为本发明提供的基于三维建模的脊柱侧弯测量方法中人体背部对应的待测量区域的示意图。

图3为本发明提供的基于三维建模的脊柱侧弯测量方法中不同水平剖面的空间分布示意图。

具体实施方式

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作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。

参阅图1，为本发明实施例提供的基于三维建模的脊柱侧弯测量方法的流程示意图。该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法包括如下步骤：

步骤s1，构建人体背部的三维模型，并采用相同的视角采集该人体背部的影像，再根据该人体背部的影像，确定该人体背部对应的待测量区域；

步骤s2，将该人体背部的三维模型和该待测量区域在该三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得该人体背部的三维面数据，再根据该三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线；

步骤s3，对该空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线；

步骤s4，对该特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数；

步骤s5，对该三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态

上述技术方案的有益效果为：该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型和拍摄人体背部影像而确定待测量区域，再结合该三维模型和该待测量区域，得到人体背部的三维面数据，最后以该三维面数据为基础，得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和人体脊柱骨对应的扭转状态，其通过三维建模的方式对人体脊柱进行精细化的分析，从而能够全面地和准确地确定人体每一节脊柱的侧弯角度和扭转状态，以此提高对人体脊柱侧弯测量的可靠性和有效性。

优选地，在该步骤s1中，构建人体背部的三维模型具体包括：

步骤s101a，对目标对象的人体背部进行结构光扫描，以此获得目标对象的人体背部对该结构光的反射光光强分布信息；

步骤s102a，根据该反射光光强分布信息，确定该目标对象的人体背部的三维形貌数据；

步骤s103a，根据该人体背部的三维形貌数据，构建得到人体背部的三维模型。

上述技术方案的有益效果为：通过对目标对象的人体背部扫描结构光，由于人体背部的表面轮廓并不是平滑状态，而是具有起伏凹凸的表面形貌，当该结构光到达人体背部后，人体背部对结构光的反射率并不相同，这样人体背部对该结构光的反射光光强分布呈现不均匀的状态，通过对该反射光光强分布信息进行分析，能够准确地确定目标对象的人体背部的三维形貌数据，从而便于后续有效地和快速地构建得到人体背部的三维模型。

优选地，在该步骤s1中，采集该人体背部的影像，再根据该人体背部的影像，确定该人体背部对应的待测量区域具体包括：

步骤s101b，对该人体背部采用与该结构光扫描方向相同的视角进行照片拍摄，从而得到相应的背部影像；

步骤s102b，识别该背部影像中人体脊柱的分布位置，并通过机器学习的方式分析得到该背部影像中脊柱中线的影像特征，再根据该影像特征，识别得到该背部影像中的脊柱中线；

步骤s103b，将识别得到该背部影像中的脊柱中线左右对称扩展预设宽度覆盖的区域作为该人体背部对应的待测量区域，其中，该扩展预设宽度覆盖的区域包含人体脊柱中线左右两边的肌肉高点，该预设宽度为50mm-200mm；优选地，该预设宽度可以根据不同人体背部的具体特征进行调整，位于颈椎区域的预设宽度可以较窄，而位于胸椎区域或者腰椎区域的预设宽度可以较宽。

上述技术方案的有益效果为：通过对人体背部采用与该结构光扫描方向相同的视角进行照片拍摄，能够快速地和准确地生成人体背部的影像，接着对该三维影像进行识别，以此确定人体脊柱的分布位置。具体参见图2，为人体背部对应的待测量区域的示意图，在该图2中，中间的线条表示人体脊柱对应的走向曲线，而左右两侧的线条分别表示经过人体脊柱中线左右两边的肌肉高点的走线曲线，并且左侧的线条或右侧的线条与中间的线条之间的距离为50mm-200mm，这样左侧的线条与右侧的线条之间的区域记为该待测量区域，通过上述方式能够在有效减小待测量区域面积的同时，尽可能提高待测量区域对人体脊柱变化的表征覆盖有效性。

优选地，在该步骤s2中，将该人体背部的三维模型和该待测量区域在该三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得该人体背部的三维面数据具体包括：

将该人体背部的三维模型和该待测量区域在该三维模型上的投影进行重叠处理，并根据该重叠处理的结果，切割去除投影重叠区域以外的三维数据，从而获得该人体背部的三维面数据。

上述技术方案的有益效果为：根据该重叠处理的结果，切割去除投影重叠区域以外的三维数据，能够有效去除三维数据中的无用数据，从而大大提高三维面数据的可靠性。

优选地，在该步骤s2中，根据该三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线具体包括：

步骤s201，将该三维面数据以每一节人体脊柱作为独立层进行水平切片，从而得到该三维面数据对应的26个水平剖面；

步骤s202，确定每一个该水平剖面对应的剖面外缘曲线，以及确定该剖面外缘曲线对应的曲线极值点，从而将该曲线极值点作为该水平剖面所在的一节人体脊柱的脊柱中心点；

步骤s203，将所有人体脊柱对应的脊柱中心点依次连接成平滑曲线，从而得到人体脊柱棘脊突后皮肤表面的空间曲线。

上述技术方案的有益效果为：将人体的每一节脊柱作为一个独立层，以此将该三维面数据进行水平切片处理，从而将该三维面数据划分为26个水平剖面，该26个水平剖面的分布情况如图3所示；每一个水平剖面对应的剖面外缘曲线呈起伏弯曲状，通过确定每一个剖面外缘曲线对应的曲线极值点(通常为曲线极小值点)，再将所有人体脊柱对应的脊柱中心点依次连接成平滑曲线，从而得到人体脊柱棘脊突后皮肤表面的空间曲线，其中图3中位于中部区域的曲线即为对应的人体脊柱棘脊突后皮肤表面的空间曲线，这样能够提高人体脊柱棘脊突后皮肤表面的空间曲线的确定准确性和可靠性。

优选地，在该步骤s3中，对该空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线具体包括：

步骤s301，将该空间曲线在预设冠状面和预设矢状面分别进行投影，从而对应得到冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线，以此作为表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线；

步骤s302，对该冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和该矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线分别进行曲线光滑化处理。

上述技术方案的有益效果为：该预设冠状面和该预设矢状面为人体背部对应的两个不同特征平面，该预设冠状面和该预设矢状面是脊柱侧弯测量的两个常用特征平面，其为本领域的现有技术，这里就不做进一步的累述；将该空间曲线在预设冠状面和预设矢状面分别进行投影，以此得到冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线，这样能够对人体脊柱的侧弯状态在两个不同平面维度上进行表征，从而提高人体脊柱侧弯状态表征测量的全面性。

优选地，在该步骤s4中，对该特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数具体包括：

步骤s401，对经过该曲线光滑化处理的该冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体脊柱侧弯角；

步骤s402，对经过该曲线光滑化处理的该矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体胸椎曲度、人体腰椎曲度、脊柱侧向偏移度、相邻脊柱垂线距离中的至少一者。

上述技术方案的有益效果为：通过分别对该冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线和该矢状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，能够得到人体背部、特别是人体脊柱对应的侧弯状态和人体躯体前侧/后侧的生理曲度状态，从而对人体脊柱侧弯不同指标参数进行全面确定，其中，人体胸椎曲度、人体腰椎曲度、脊柱侧向偏移度、相邻脊柱垂线距离的计算过程属于现有技术，这里不做进一步的累述。

优选地，在该步骤s401中，对经过该曲线光滑化处理的该冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线进行分析，从而得到人体脊柱侧弯角具体包括：

计算经过该曲线光滑化处理的该冠状面人体脊柱侧弯状态评估曲线对应的每一个拐点的曲率值，并确定其中的最大曲率值，再将该最大曲率值对应拐点处的脊柱侧弯角，作为该人体脊柱侧弯角。

上述技术方案的有益效果为：通过上述计算过程步骤，能够对人体脊柱的侧弯角进行快速的和准确的计算，从而大大提高人体脊柱侧弯角的计算精确性。

优选地，在该步骤s5中，对该三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态具体包括：

步骤s501，将该三维面数据以每一节人体脊柱作为独立层进行分析，以此确定该人体脊柱侧弯状态的特征曲线对应于26个脊柱节点的节点位置以及与该节点位置相切的切线方向，再得到与该切线方向垂直且包含该节点位置所在空间点的平面，接着利用该平面对该三维面数据进行切片，从而得到该三维面数据对应的26个剖面；

步骤s502，确定每一个该剖面对应的剖面外缘曲线，并确定经过每一节人体脊柱左右两侧对应的肌肉高点的扭转切线，从而分别得到26组扭转切线集合；

步骤s503，根据该人体脊柱侧弯状态的特征曲线中与每一个节点位置相切的切线方向和、与该切向方向垂直且经过该节点位置所在空间点的垂线之间的夹角，将每一组扭转切线进行空间旋转，以使该扭转切线经过空间旋转后位于水平面内；再将该扭转切线集合包含的所有扭转切线投影在同一水平面上，从而得到26条切线投影线，最后将该26条切线投影线两两之间的相对夹角作为对应一节人体脊柱骨的扭转角。

上述技术方案的有益效果为：通过上述计算过程，能够对人体的每一节脊柱的扭转角进行快速的和准确的计算，从而大大提高人体脊柱扭转角的计算精确性。

从上述实施例的内容可知，该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型，并采用相同的视角采集该人体背部的影像，再根据该人体背部的影像，确定该人体背部对应的待测量区域，再将该人体背部的三维模型和该待测量区域在所述三维模型上的投影进行重叠处理，从而获得该人体背部的三维面数据，再根据该三维面数据，得到人体脊椎骨对应的空间曲线，以及对该空间曲线进行分析，从而得到表征人体脊柱侧弯状态的特征曲线，对该特征曲线进行分析，从而得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和对该三维面数据进行分析，从而确定人体脊柱骨对应的扭转状态；可见，该基于三维建模的脊柱侧弯测量方法通过构建人体背部的三维模型和拍摄人体背部影像而确定待测量区域，再结合该三维模型和该待测量区域，得到人体背部的三维面数据，最后以该三维面数据为基础，得到人体躯体前侧和/或后侧的弯曲参数和人体脊柱骨对应的扭转状态，其通过三维建模的方式对人体脊柱进行精细化的分析，从而能够全面地和准确地确定人体每一节脊柱的侧弯角度和扭转状态，以此提高对人体脊柱侧弯测量的可靠性和有效性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。