用于矫正装置的测量和定制系统的制作方法

本专利申请要求于2016年6月29日提交的、标题为“用于矫正装置的测量和定制系统”的美国临时专利申请号62/356,480的权益。申请号62/356,480的全部内容通过引用并入本文。

本发明通常涉及测量受试者的解剖结构。一个实例是当需要对解剖结构进行测量以构建针对具体患者的解剖结构来定制的矫正装置。本发明公开了一种新颖的、方便的电子设备来测量解剖结构。

背景技术：

测量患者的解剖结构最常用的方法包括铸造(casting)、手动测量、测量装置和数字化解剖结构。

第一种方法铸造涉及在患者的解剖结构上(例如在铸造腿部时在膝盖中心)预先标记界标。然后用铸带铸造解剖结构，使标记转移到铸带的内表面。硬化铸带并切断。然后将空的铸件外壳运送到定制支架制造商，然后制造商用石膏填充铸件，并将铸件切开以获得具有界标的患者腿部的“正面”表示。可以想象，这给出了患者解剖结构亲密而详细的模型，但这是一个缓慢、麻烦且昂贵的过程。

另一种方法涉及手动测量患者的解剖结构上的一个或多个位置，然后记录信息并将信息发送给定制支架制造商。这是一个更直接的过程，但缺点是省略了大部分患者的解剖曲线和轮廓。这可能导致不合身的定制支架，不合适的定制支架很有可能被患者拒绝。

另一种方法涉及在构建过程中患者的身体在场。这当然是最合身的支架的理想方案，但由于地理和行程表的限制而通常是不可行的。

还有一种方法涉及使用三维扫描系统来捕获整个腿部解剖结构。全3d数字化设置的主要缺点是系统的成本以及复杂性。

已经对这些问题作出了部分响应。发明人taylor的、标题为“methodanddevicefororderingacustomorthopedicdevice”的美国专利公开号us2014/0063220a1公开了一种用于数字测量和订购定制的矫正设备的方法和设备。

taylor描述了另一个实施例，其处理三维模型的生成。在解剖结构中添加标记，但标记仅作为用于从解剖结构的多个视图生成三维模型的“哑”参考点。taylor没有教导智能目标，其由软件即时解释和跟踪，以确定摄像头相对于解剖结构的距离和位置并向用户提供关于如何校正摄像头位置的实时反馈以捕捉解剖结构良好导向的照片。相反，标记被动地用于构建3d模型。

taylor的另一个实施例包括来自摄像头的景深测量以确定解剖结构的位置。这是使用摄像头的焦距和变焦来确定显示视野区域中解剖结构的尺寸的不同方法。该实施例没有公开关于在实时增强现实场景中使用的目标图案的任何内容，如本发明使用的那样。

技术实现要素：

在广义方面，本发明描述了一种系统，其使用传感器和从电子设备至用户的反馈回路来以电子方式捕获和测量受试者的解剖结构。反馈回路可以是视觉、听觉、感觉/触觉或组合。

在另一个广义的方面，本发明体现为一种用于以电子方式捕获受试者的解剖结构的系统。该系统包括：a)电子设备，其包括：i)摄像头，所述摄像头配置为捕获受试者的解剖信息；ii)显示屏；iii)输入方法，和iv)终端用户软件程序，其配置为经由显示屏和输入方法与用户交互并处理在摄像头上捕获的信息；b)至少一个目标图案。

终端用户程序包括：i)用户界面，用于提供用户对程序功能的控制；ii)软件，其编程为：1)在摄像头视野区域中识别和跟踪目标图案；2)基于目标图案的跟踪，向用户提供对以下至少一个的反馈：目标图案的大小、形状或位置，目的是指示用户相对于目标图案适当地移动摄像头，从而得到解剖信息的优化视图；iii)通过摄像头捕获优化的解剖信息的装置；和，iv)将目标图案尺寸、形状或位置外推到解剖结构尺寸、形状或位置的测量中的装置。

在另一个广义的方面，本发明体现为一种用于以电子方式捕获受试者的解剖信息的方法，包括以下步骤：a)提供电子设备，其包括摄像头、显示屏、数据输入方法、终端用户软件程序，该程序包括在屏幕上显示的位置反馈标准；b)将受试者的解剖结构和目标图案放置在摄像头的视野区域内；c)相对于目标图案调整摄像头的位置直到满足位置反馈标准，并且程序向用户指示摄像头处于提供解剖信息的优化视图的位置；d)捕获解剖信息的优化视图。

在优选的实施例中，该系统包括一系列独特的特征，以允许通过摄像头、安装有相关终端用户软件程序的电子设备以及嵌入在终端用户软件程序中的图案识别软件识别的特定目标区域来准确和方便地测量解剖结构。

一个或多个目标图案是编程到终端用户软件程序中的已知的尺寸和形状。

终端用户软件的图案识别功能针对目标图案来实时扫描图像，并基于嵌入的目标参数将标记放置在显示器上。这些标记引导用户定向摄像头，使得与解剖结构的关系对于测量是正确的。当软件程序确定摄像头正确放置时，它可以自动捕获解剖结构的图像或视频。

在另一个广义的方面，边缘检测软件功能可以扫描并检测解剖结构边缘(即解剖轮廓)并确定解剖结构是否被完全显示，或者是否可能被阻挡或是不完整的。

例如，受试者的衣服可能遮挡解一部分解剖结构。如果是这种情况，终端用户软件程序的边缘检测功能将提醒系统用户在捕获解剖数据之前解决该问题。

终端用户软件程序还包括软件定位功能，其可以检查解剖结构的正确位置和形状(与摄像头的定向相反)。例如，软件定位功能可以检查腿的侧向(侧面)视图中的适当弯曲。如果腿部弯曲太大，终端用户软件程序可以提醒用户。

由以下对本发明的详细描述并结合附图考虑，其他目的、优点和新颖的特征将是显而易见的。

附图说明

图1是本发明的系统以及用户的解剖结构的总体视图。

图2示出了具有解剖结构的前(正)视图、目标图案和反馈标记的显示屏。

图3示出了具有解剖结构的前(正)视图的显示屏，显示了需要校正的反馈标记。

图4示出了具有校正方向的反馈标记。

图5示出了要求用户选择如何定位下一张照片的询问屏幕。

图6示出了具有解剖结构的侧向(侧面)视图的显示屏，显示了需要校正的反馈标记。

图7示出了具有校正方向的反馈标记。

图8是具有解剖结构的前(正)视图的显示屏，显示了解剖结构和非解剖结构轮廓。

具体实施方式

现在参考附图以及在其上标记的参考符号，图1示出了本发明的系统，通常用10表示。用户18将带28放置在解剖结构26上。然后用户18定位电子设备20以捕获解剖结构信息26，电子设备20包括摄像头16。

现在参考图2，将带28应用于解剖结构。安装在电子设备20上的终端用户软件程序用于识别带28上的至少一个目标图案30的尺寸、形状或位置。电子设备程序发现目标图案30并使用它来向用户提供反馈，目的是指示用户18移动摄像头16以得到解剖信息26的优化视图。提供反馈的一种方式是在显示器22上放置反馈标记以供用户18定向摄像头16。这些反馈标记引导用户18重新定向摄像头16，直到其处于合适或优化的位置以捕获解剖结构26。

用于前(正)视图的反馈标记的实例包括若干显示项目，这些项目可以独立地或彼此结合地起作用。一种类型的反馈标记可以是俯仰线(pitchline)36，其引导用户将摄像头定位在正确的俯仰角(即，围绕与冠状平面和横向平面的交线平行的轴转动)。另一种反馈标记可以是偏航线(yawline)38，其引导用户将摄像头定位在正确的偏航角(即，围绕与冠状平面和矢状平面的交线平行的轴转动)。

俯仰线36和偏航线38一起引导用户将摄像头定位在正确的滚转角(rollangle)(即，围绕与横向平面和矢状平面的交线平行的轴转动)。

现在参考图3，另一种类型的反馈标记可以是中心区域32，其用于引导用户将摄像头移动到冠状平面中的正确位置(在冠状面中的上、下、左、右)。还有一种反馈标记可以是顶部距离线40和底部距离线42。这些线向用户提供关于摄像头需要背离放置多远(垂直于冠状平面运动)的反馈，以便捕获足够的解剖结构用于适当的测量。

将该信息传达给用户的视觉技术是通过在显示器22上使用位置和颜色。上述标记中的一个或全部可以在显示器22上改变属性(例如大小、位置或颜色)，以向用户提供关于如何校正摄像头位置或角度的反馈并正确捕获解剖结构26。

例如，如果反馈标记需要校正则它们可以变为红色，并且它们可以实时地沿着显示器22移动以提醒用户在哪个方向重新定向摄像头以校正位置。图2示出了大部分正确定位的摄像头：俯仰线36、偏航线38、中心标记34都是绿色且处于正确位置。然而，在屏幕上未示出顶部距离线40和底部距离线42，表明摄像头太靠近解剖结构。

现在参考图3，其示出了顶部距离线40和底部距离线42，并且例如是绿色。基于目标图案30的已知尺寸、形状或位置，这些顶部/底部距离线40、42由终端用户软件程序控制。当摄像头16垂直于冠状平面移动时，程序扫描目标图案30，相应地，基于目标图案30的相对尺寸、形状或位置，重新定位/重新着色或改变这些线40、42的属性。随着摄像头16移动远离解剖结构26，目标图案30变得更小并且线40、42被移动为更靠近在一起。随着摄像头移动靠近解剖结构，线40、42被移动为进一步远离。如果目标图案30在预定尺寸范围内(基于摄像头与解剖结构的距离)，则线40、42着色为绿色。如果摄像头离解剖结构太远，则线40、42着色为红色。如果摄像头太近，则不显示线40、42。在任何一种情况下，终端用户软件程序都不允许捕获解剖结构。

在图3中，例如，除了红色的俯仰线36之外，所有其他的反馈标记都是绿色的。俯仰线36是红色的并且显示为在膝盖中心标记34上方，这表明摄像头倾斜(俯仰)太低。嵌入在终端用户软件程序中的软件功能可以使用来自电子设备中的传感器的数据来确定摄像头是否倾斜太高或太低。如果摄像头倾斜超过预设角度限制，则俯仰线36例如着色为红色，并根据不适当倾斜的程度在显示器22上重新定位，以提醒用户校正俯仰角。如果摄像头向下倾斜太多，则俯仰线36将变为红色并在显示器22上向上移动，超出范围。如果摄像头向上倾斜太多，则俯仰线36将变为红色并向下移动，超出范围。

类似地，偏航线38与目标图案30的相对形状相关联。如果显示的目标形状与图案识别软件的预定形状偏差太大，则偏航线38将相应地移动并变为红色，防止捕获解剖数据。

现在参考图4，所有反馈标记都是绿色的，因此摄像头处于正确位置来捕获描述解剖结构26的数据。反馈标记是给用户的视觉显示，或者听觉或触觉反馈提示，并且由终端用户软件程序中的预定标准驱动，该预定标准构成明确定义或优化的解剖视图。一旦满足预定标准，程序就可以允许摄像头通过拍摄解剖结构26的照片或视频来自动捕获解剖结构26以及一些或所有反馈标记或其他数据或元数据(例如电子测量信息)。例如，存储的图像可以仅包括中心标记34和顶部/底部距离线40、42。

现在参考图5，完成了成功的前视图，并且现在终端用户软件程序询问用户移动摄像头或患者以采集侧向(侧面)视图。

参考图6，如果移动摄像头，则终端用户软件程序通过机载罗盘或其他传感器存储前视图摄像头方向，并显示侧偏航角44的另一个反馈标记。这引导用户将摄像头转动到解剖结构的侧面，在距离捕获前解剖结构26的位置接近90度的位置。图6示出了侧偏航角44为62度，其不在捕获侧解剖结构的公差范围内。因此，偏航线38偏离中心并显示为红色，阻止捕获解剖结构。

然而，图7示出了90度的侧偏航角，这将允许捕获侧解剖结构。当然，上述的所有其他反馈标记(例如俯仰线36)仍然是活动的，确保摄像头将正确地定向到侧解剖结构。

返回参考图5，捕获侧解剖结构的其他选择是选择“患者移动”。如果选择该选项，则终端用户软件程序不使用侧偏航角44，因为患者正在移动而非摄像头。

终端用户软件程序的图案识别功能，结合相对于已知目标图案30的预定标准、正确定向的解剖结构26以及电子测量信息(例如反馈标记显示)都可以与捕获的照片或视频一起存储。例如，相对于解剖结构的前视图中的目标图案，由软件功能中编程的预定标准，如由电子设备20中的传感器测量的并且如显示器22上所示的，用于在六个基本自由度上(偏航、俯仰、滚动角度和垂直于冠状、矢状和横向平面的线性运动)控制并向用户18提供反馈。这可以转换为摄像头的：俯仰、偏航、滚动、距离、高度或水平位置，所有都相对于目标图案。

终端用户软件程序的图像识别功能包括目标图案30的已知尺寸、形状或位置参数。目标图案的这些已知参数用作基线以将解剖信息的尺寸、形状或位置外推到全尺寸(即实际尺寸)测量中。然后，可以使用该捕获的解剖数据和电子测量信息来测量解剖结构26用于各种目的。其中一个目的是建立一个定制的矫正装置，如定制的膝盖支架。

使用目标图案30的已知尺寸、形状或位置参数来推断解剖信息的尺寸、形状或位置的编程可以存在于电子设备20上，和/或远程设备或系统用于进一步处理。

注意，如果需要，参数也可用于改变解剖结构的比例。例如，这对于预期患有肌肉萎缩的术后患者或预期具有肌肉肥大的其他恢复患者可能是有用的。不同的缩放也可用于适应预期增加或减轻体重的患者。

可以各向同性地(所有轴相等)或各向异性地(各个轴具有不同的缩放因子)进行缩放。各向异性缩放可以用于更接近地模拟解剖结构变化用于特定目的。例如，在体重减轻期间，大腿围缩小但长度不缩小，因此不均匀的缩放将提供更好的表现和相应的适合度。

每个电子组件(显示器22、传感器、摄像头16等)可以远程定位，即它们不需要位于同一设备上。

在另一个实施例中，如图8所示，可以将终端用户软件程序的边缘识别功能编程为检测、区分和分析解剖边缘(即解剖轮廓)与视图背景中的项目。该边缘检测功能可以用于确定在捕获之前是否正确显示解剖结构。例如，该功能可以扫描对比度、颜色、亮度或表示解剖结构边缘的其他参数。然后，软件功能可以跟踪解剖结构，并且终端用户软件程序可以将解剖的轮廓形状显示为解剖边缘或解剖轮廓50和50'。

如果边缘检测功能在解剖轮廓50和50'中发现不连续，则它可以将其显示为非解剖轮廓52。这可以显示为闪烁线，或不同颜色的线，或其他变化以提醒用户。非解剖轮廓52可能是由于衣服或其他物品遮挡了解剖结构，或者可能是由于解剖结构处于非理想位置，例如如果侧视图显示腿部屈曲太大，这将不适合构建一个合身的定制支架。

可以设置，覆盖一些或所有上述反馈标记，但不管怎样，还是捕获解剖结构。在捕获的数据/电子测量信息上还可以放置一个标记，以提醒下游用户使用了覆盖，并警惕不太理想的数据。

一旦捕获了解剖结构，终端用户软件程序可以具有将所捕获的信息和其他数据发送到远程服务器的装置，在远程服务器中可以对其进行处理并用于构建定制的矫正装置以适合于所述解剖结构。

该系统具有以下优点：用户不进行物理测量；所有测量都是电子的，基于目标的大小、形状或位置以及相关的编程，因此它们易于执行，并在必要时快速更改/重复。

已经关于构建定制的矫形装置讨论了本发明，本发明可以具有其他应用，例如构建定制的假肢装置或定制的服装。此外，虽然在本专利申请中已经相对于其在膝盖上的应用进行了显示，但是它可以用于许多矫形应用中，例如但不限于其他部分的解剖结构，例如脚、下腿和上腿、手指，手腕、手、手臂、肩膀、头等。

已经关于基于摄像头和目标图案的相对位置移动或改变颜色的反馈讨论了本发明。向用户提供反馈的其他手段也是可行的，例如通过显示屏上的形状或动画、音频信号或触觉(触觉)反馈，或上述的任何组合。

已经使用独立的几组测量讨论了本发明。可以进行多次测量，例如在活动开始和结束时，可以进行比较和位置对比。可以分析运动的研究或运动的局限性。

在一个实施例中，电子设备可连接到互联网，并且终端用户软件程序配置为将解剖信息和电子测量信息的优化视图传送到远程位置。

在不脱离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下，可以设计出其他实施例和配置。