[发明专利]人体脊柱中线三维重构方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，尤其涉及一种人体脊柱中线三维重构方法。

背景技术

脊柱是人体的中轴，一旦发生侧弯，不仅使人出现畸形外观，而且还会使儿童精神受到严重创伤。早年发生的脊柱畸形，还将影响儿童心肺的发育和成熟，有的还可能影响脊髓和神经。脊柱侧弯在人口中发生率约为1％，很多时候在早期对生活影响较小，很多家长忽视，体检也不是常规项目。导致很多青少年错过了容易矫正的时机，造成影响一生生活质量的健康问题。

脊柱侧弯又称脊柱侧凸，是由于人体冠状面上脊柱节段对背部中心线形成偏离，并向侧方弯曲造成的。一般还伴有脊柱旋转以及矢状面上的后凸或前凸等症状。造成脊柱侧弯的因素很多，其中原因不明确的称为特发性脊柱侧弯，刘尚礼等在脊柱侧弯的普查中发现特发性患者占96.9％。对于脊柱侧弯的衡量标准不完全相同，部分学者将在冠状面所测得的Cobb角大于5°的患者判断为脊柱侧弯，而一般是将Cobb角大于10°的患者判断为脊柱侧弯。

刘尚礼等2002年对广东87546名青少年进行了脊柱侧弯普查，患病率为0.7500。周惠清等2009年对福建省惠安县32280名中小学生脊柱侧弯进行了普查，患病率为0.73％。脊柱侧弯除了引起背部的不对称，造成体形瑕疵，严重时会导致继发性胸廓畸形，进而引起内脏功能障碍，尤其对生长发育阶段青少年的身心造成严重伤害。从上述普查的结果可知，脊柱侧弯在青少年中有一定的患病比例，如果不能尽早发现并治疗，会给很多青少年的身心发育造成危害。

传统脊柱侧弯检测用的X光线具有强放射性，对青少年生长发育不利。国外新开发的无害检测系统价格高昂，很难让普通医院一般患者用的起，因为目前只是北京市有几台，西南地区华西医院尚且没有，更不用说其他医院了。因而研究简单易行的脊柱侧弯检查方法具有十分重要的社会价值和意义。

对脊柱侧弯进行检查的方法有很多，大致可分为物理测量方法及图像测量方法两类。物理测量方法是指在对脊柱侧弯进行测量时与人体背部有直接接触的方法，主要有Adams向前弯腰试验、应用脊柱侧凸尺测量躯干旋转角度、测量肋骨隆凸等方法；图像测量方法是指在检查时不与人体背部进行直接接触的方法，主要有莫尔(Moire)图像测量法、X光片测量法、结构光测量法、激光扫描仪测量法等。在普查中除了观察如双肩是否等高特征外，都使用了Adams向前弯腰试验，并对可疑患者进一步利用X光片测量法进行检查。Patias等对Adams向前弯腰试验、光学测量技术等多种测试方法的测量参数做出了说明及比较。熊龙等自制脊柱侧弯测量仪用于脊柱侧弯筛查。

目前图像处理技术己经作为一种有效的视觉检测工具引入医学界，其中X光片、莫尔图像用于脊柱侧弯的检测中相对较多。由于X光的辐射性对人体健康会造成潜在危害，X光片测量法一般不用于普查，而是用于对普查筛选出来的病例进行进一步精确的检查。另外，邱勇指出X光测量法只侧重冠状面上的Cobb角，而对于脊柱旋转引起的脊柱侧弯的检测不明显。莫尔图像为基于周期性光栅所获得的图像，对于物体细小的转动和变形比较敏感。在医学上莫尔图像又称云纹图。利用莫尔图像对脊柱侧弯进行检查开始较早，1979年Willner建立起莫尔图像的非对称性与Cobb角之间的关系，以此来判断脊柱侧弯，作者也指出在凹的部位莫尔条纹变形严重，而在凸的部位显得清晰。1983年Kamal给出了用莫尔图像中莫尔条纹上的一对非对称点信息计算Cobb角的公式。2008年郭伟等介绍了云纹图在脊柱健康普查以及矫形手术等方面的作用。在2001年一2008年期间，Kim等在利用人体背部的莫尔图像对称性特征进行脊柱侧弯判断方面做了一系列的工作。2010年Gaal等利用Kamal所提公式，对同一患者选择莫尔图像中7对非对称点，计算出7个Cobb角，将其统计平均后作为最终的Cobb角，以此对脊柱侧弯进行判断。

前两种图像测量方法都是从二维图像中提取特征信息来判断脊柱侧弯，为提高判断的准确度，人们提出了从背部的三维信息中提取特征来判断脊柱侧弯。Berryman等利用矩形结构光重建出人体背部，并提取其三维对称性特征来判断脊柱侧弯。Ramirez等利用Minolta VIVID 700激光扫描仪获取背部的三维精确数据，根据其对称性特征和支持向量机方法判断脊柱侧弯，辨别率为85％。Chong等提出一种用于户外脊柱侧弯的影像测量技术。

由于物理测量方法是基于人工的检测，在对大量的人群进行普查时，人工检测变得相当繁琐，效率较低，而且医师会由于疲劳造成错判和误判。为减少人工的参与，提高效率，避免医师主观因素带来的误差，在对脊柱侧弯进行检测问题上，图像测量方法是比较好的方法。