[发明专利]脊柱3D建模的方法和系统

说明书

本发明提出一种脊柱3D建模的方法和系统，首先，在Unity软件中初始化Azure Kinect传感器的身体追踪功能捕获关节点坐标数据，并采用骨长约束法和无迹卡尔曼滤波法对数据进行处理生成控制点，再采用Catmull‑Rom样条插值得到拟合的脊柱曲线；其次，在场景中建立通用的3D脊柱模型并配准到拟合脊柱曲线上，得到实时更新的个性化3D脊柱模型；最后，根据拟合脊柱线的曲率分析算法自动计算冠状面的Cobb角和矢状面的胸椎后凸角、腰椎前凸角。本发明的优点是能够实时可视化3D脊柱模型并准确的评估脊柱角度参数，且无任何电离辐射、成本低廉以及便捷易部署，适用于脊柱侧弯筛查和脊柱康复训练评估。

技术领域

本发明属于医疗辅助设备技术领域，具体涉及一种脊柱3D建模的方法和系统。

背景技术

脊柱侧弯是一种高发性脊柱疾病，主要发生在青少年时期，称为青少年特发性脊柱侧弯。临床上脊柱侧弯检测是采用X光拍照来进行评估，通过专业医师手动定位上、下端椎，计算上、下边缘平面的夹角得到Cobb角，根据角的大小判断脊柱侧弯的程度，矢状面的胸椎后凸角和腰椎前凸角的计算同样如此。此方法完全依靠医师的主观判断，容易受X光片清晰度以及单个椎骨旋转的影响。并且X射线有辐射伤害，脊柱侧弯患者在进行支架矫正等非手术治疗过程中，每隔3-6个月需要拍摄X光检查，对放射敏感的器官可能会由于接受超剂量的射线而引起癌症病变。

因此，目前有许多研究利用倾角侧弯计、三维超声探头、三维扫描仪等对患者进行脊柱侧弯检测和三维脊柱重建，以对患者进行非电辐射的连续和客观的检查。Adam前屈测试指的是通过人工手持倾角侧弯计测量躯干旋转角度，但是该方法有较高的敏感性和特异性，且测量值与Cobb角度之间的相关系数并不理想。三维超声成像的方法是通过手动定位超声探针的位置，完成三维脊柱重建，并得到Cobb角度，但其测量值与X光拍照方法得到的结果只有中等相关性。上述两种方法都依赖于人工操作，会给检查者带来了较大负担，容易出现因为疲劳导致的误判。DIERS脊柱分析系统利用三维扫描仪扫描运动过程中人的背部三维轮廓，重建脊柱模型，计算运动过程中的Cobb角度，可以实现无害化及快速测量。但三维扫描仪价格昂贵，且依赖于特定场地条件和专业人员操作，不适用于大众日常的测量。

人体姿态估计是捕捉人体姿态序列，输出关节点坐标反映姿态特征的技术。Vicon系统能够实现高精度的人体姿态估计，但是该方法需要布置多个捕捉摄像头和穿戴捕捉服装，且成本昂贵。近年来，基于计算机视觉的姿态估计方法层出不穷，VideoPose3D是其中经典的3D姿态估计方法，该方法能够通过RGB摄像头实时捕捉人体关节，但是其精度不够高，且没有很好的开源，难以和其它软件集成交互。Azure Kinect是微软推出的第三代深度传感器，采用深度学习的方法结合RGBD图像实现骨骼追踪，精度相较于前两代获得较大的提高，已经被确定是可用于步态评估的便携且经济高效的设备，并且将所有功能封装在AzureKinect SDK和Azure Kinect Body Tracking SDK中，能够方便的进行二次开发。

尽管Azure Kinect的骨骼追踪已经达到较高的精度，但是由于其深度摄像头是基于光的飞行时间测距(TOF)原理，导致不可避免的受环境中灰尘、光线以及遮挡物的影响，使得关节点数据可能会出现白噪声或者尖峰抖动。因此需要对得到的数据使用平滑滤波算法进行处理，采用的方法通常有中值滤波算法、指数平滑算法以及卡尔曼滤波算法。中值滤波算法用于消去数据的尖峰，但是对白噪声的去除效果较差；指数平滑算法能够起到平滑的效果，但是有较大的延迟；卡尔曼滤波器的虽然能提供较为准确的估计，但限制于线性系统。并且这些算法只局限于对每个关节点的数据进行处理，忽略了关节点之间骨骼长度的关系。

由于Azure Kinect输出的关节点三维坐标存在着非线性变换，传统的卡尔曼滤波不能有效地对这种非线性变换进行建模，而采用无迹卡尔曼滤波(UKF)能够处理非线性的状态转移与变换，可对白噪声起到高精度的滤波效果。并以骨骼长度为约束，在UKF处理的基础上，进一步筛选符合真实位置的关节点三维坐标，去除造成尖峰的错误坐标，以实现对关节点的准确估计。

发明内容