基于激光掃描的醫(yī)用壓力襪推薦設(shè)備設(shè)計(jì)

劉婷玉 高 志

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237)

基于激光掃描的醫(yī)用壓力襪推薦設(shè)備設(shè)計(jì)

劉婷玉 高 志*

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237)

醫(yī)用壓力襪是預(yù)防和治療靜脈曲張的有效手段之一，要想保證治療的效果，必須根據(jù)病人的腿部尺寸信息進(jìn)行腿部數(shù)據(jù)提取，從而推薦相應(yīng)規(guī)格的壓力襪。但是市面上提供的醫(yī)用壓力襪尺碼選擇范圍很小，許多病人實(shí)際所需壓力襪尺寸與市面提供的壓力襪尺碼不相符，腿部各段所受壓力不能滿足醫(yī)療要求，嚴(yán)重影響治療的效果。針對這種情況，提出了壓力襪推薦設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，介紹了設(shè)備的測量原理，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、圖像采集模塊來實(shí)現(xiàn)快速腿部掃描，擴(kuò)展壓力襪尺碼庫，設(shè)計(jì)襪型匹配模塊實(shí)現(xiàn)壓力襪推薦。經(jīng)自行開發(fā)的軟件控制系統(tǒng)執(zhí)行圖像提取與數(shù)據(jù)分析，即可短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測量人體腿部尺寸，計(jì)算出所需壓力襪的尺碼。最后，對腿部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，掃描過程可在10 s內(nèi)完成，測量誤差小于0.3%，能夠快速計(jì)算出壓力襪的所需尺碼，提高緩壓治療的效果。

醫(yī)用壓力襪 激光掃描 襪型匹配

0 引 言

在制造過程中引入CAD技術(shù)，已成為國內(nèi)外各制造業(yè)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。醫(yī)用壓力襪[1]能夠促進(jìn)靜脈血液回流心臟，是一種有效預(yù)防和治療靜脈曲張的產(chǎn)品，該產(chǎn)品在國外已得到廣泛的使用[2]，但國內(nèi)使用范圍較小，因此醫(yī)用壓力襪具有重要的應(yīng)用價(jià)值及廣闊的市場前景。

醫(yī)用壓力襪要想保證治療的效果，必須在人腿各部施加合適的壓力[3]，但是近年來制造商提供的壓力襪只有大中小三個(gè)尺碼，而病人的腿部形狀差異很大，若壓力襪尺碼與病人腿部尺寸不相符，則不能在腿部各段建立合適的壓力，嚴(yán)重影響治療效果。為提高治療效果，本文擴(kuò)展襪庫使得病人可以選擇更加合適的壓力襪。

隨著人工智能算法和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，三維掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人體測量。Kovacs等[4]利用三維掃描測量人臉數(shù)據(jù)?？拙S敬等[5]基于三維掃描短時(shí)間內(nèi)重建出所測量的足部輪廓。黃承亮[6]將三維掃描技術(shù)應(yīng)用在人體三維建模中。但是現(xiàn)今國內(nèi)外市場專門的腿部掃描儀很少，且不能提取客戶所需要的腿部尺寸。本文改進(jìn)傳統(tǒng)的全周掃描儀，將三個(gè)激光器應(yīng)用于掃描過程中，可提高掃描精度；提出一種簡單高精度的激光中心線提取算法；開發(fā)的人機(jī)交互界面可獲取腿部特征尺寸，最終推薦合適的壓力襪給病者，從掃描測量到推薦尺碼實(shí)現(xiàn)操作一體化。

1 測量原理

壓力襪與人體腿部相匹配的前提是測量精確的腿部數(shù)據(jù)，激光掃描技術(shù)是目前三維掃描中應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，根據(jù)被測物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、紋理以及反射率等信息，可快速重建出具有幾何特征的三維模型。將激光掃描技術(shù)應(yīng)用到人體腿部測量中，得到腿部的空間點(diǎn)云，即可在短時(shí)間內(nèi)重建出腿部輪廓，并依據(jù)自行開發(fā)的軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行圖像提取與數(shù)據(jù)分析，從而得到腿部的特征參數(shù)。

傳統(tǒng)的全周掃描儀[7]以四組CCD圖像傳感器和四組激光器，配合步進(jìn)電機(jī)高速掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于人體腿部輪廓斜率變化較小，區(qū)別于其他復(fù)雜曲面的測量，因此文中使用三組激光器配合四組CCD完成數(shù)據(jù)的采集，減少一個(gè)激光器可以提高激光線的重合精度，減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重合區(qū)域從而提高計(jì)算機(jī)重建腿部模型的速度，此改進(jìn)措施不僅節(jié)約了設(shè)備的成本，而且提高了系統(tǒng)的測量精度和運(yùn)行速度。使用多CCD可消除遮擋造成的點(diǎn)云缺失，量測出被測物體的全部輪廓，因此研究使用四個(gè)CCD鏡頭對人體腿部提取圖像，分別為前左、前右CCD和后左、后右CCD，利用圖像采集卡提取四個(gè)CCD的圖像。

基于以上原理，單片機(jī)編程使得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，通過線性滑軌使裝有激光器和CCD的平臺上下移動(dòng)，完成腿部的快速掃描。三條激光線經(jīng)調(diào)整后在腿部一水平面形成封閉區(qū)域，通過平臺的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四個(gè)CCD的同步取像，從而獲得腿部各部位的高度變化，并在短時(shí)間內(nèi)重建出腿部的三維模型。最后經(jīng)自主研發(fā)的軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)分析。

圖1為腿部測量原理示意圖。腳著力于鋁板上，設(shè)定該坐標(biāo)面為XOZ面，前后CCD視野中心軸與XOZ面同樣成45°放置，三個(gè)激光器等距分布，夾角均為120°。以腳踝部為原點(diǎn)設(shè)置移動(dòng)平臺的初始位置，使得四個(gè)CCD和三個(gè)激光器沿著Y軸正方向以相同速度同步移動(dòng)。三條激光線聚集于腿部形成一個(gè)類似圓的封閉曲線，同時(shí)，四個(gè)CCD同步拍攝封閉曲線的部分圖像，通過點(diǎn)云融合得到封閉曲線的完整數(shù)據(jù)。

圖1 測量原理示意圖

2 激光中心線提取原理與實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)標(biāo)定[8-9]后，激光條紋中心提取的精度決定了腿部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，因此激光中心線的快速高精度提取顯得尤為重要。提取激光條紋中心線的基本方法有質(zhì)心法、閾值法、極值法等[10-12]，這些方法雖然易于實(shí)現(xiàn)，但是精度不能滿足系統(tǒng)的要求。

本文提出可變方向模板和迭代算法相結(jié)合的光帶中心提取算法。首先提取光帶的骨架，對骨架周圍閾值內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二階擬合，二次函數(shù)為：

y=ax2+bx+c

(1)

任一點(diǎn)(x0,y0)處的斜率為t=2ax0+b，則t=0時(shí)，法線方向?yàn)閥軸方向；t≠0時(shí)，法線方向的斜率為n=-1/t。在光帶骨架上各點(diǎn)的法線方向求出之后，利用迭代算法求出閾值范圍內(nèi)分布點(diǎn)的重心位置。可變方向模板可快速判別光帶的法線方向，提高系統(tǒng)的速度；迭代算法對骨架周圍閾值內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行迭代，最終獲取的條紋中心線為亞像素級別，提高系統(tǒng)的精度。圖2(b)為提取的亞像素級的激光中心線，圖示可見，本文的中心線提取算法可準(zhǔn)確去除雜點(diǎn)，得到位置精確的中心線。

圖2 基于可變方向模板和迭代算法提取的激光中心線

3 測量原理

3.1 硬件系統(tǒng)

醫(yī)用壓力襪推薦設(shè)備的硬件系統(tǒng)即為腿部激光三維掃描系統(tǒng)，其原理為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠。通過線性滑軌使得平臺上下移動(dòng)，利用CCD(四個(gè))和激光器(三個(gè))進(jìn)行快速腿部掃描。最后經(jīng)過自行開發(fā)的軟件控制系統(tǒng)執(zhí)行圖像提取與數(shù)據(jù)分析，得到腿部的空間點(diǎn)云，即可在短時(shí)間內(nèi)重建腿部輪廓從而得到腿部的特征參數(shù)。其基本組成部分為：機(jī)械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，圖3為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件系統(tǒng)

醫(yī)用壓力襪定制設(shè)備的軟件系統(tǒng)包括三維測量軟件系統(tǒng)和襪型匹配系統(tǒng)兩部分。其中三維測量軟件系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，即步進(jìn)電機(jī)控制模塊、圖像采集處理模塊和人機(jī)交互模塊。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)復(fù)位停止以及驅(qū)動(dòng)平臺的位移控制等，采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流的大小和方向[13]；圖像采集處理模塊完成CCD的設(shè)置，采集傳輸激光掃描圖，處理腿部點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及提取腿部特征參數(shù)；人機(jī)交互模塊是軟件設(shè)計(jì)的核心，響應(yīng)各種對話框以及菜單事件，實(shí)現(xiàn)操作者的指令，完成整個(gè)測量過程的控制和測量結(jié)果的顯示。人機(jī)交互模塊以VS2010為開發(fā)環(huán)境，圖4為三維測量軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，主要包括掃描數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)提取以及生成報(bào)告四個(gè)按鈕。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

襪型匹配系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[14]、尺碼歸檔系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)組成。采用Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲和讀取樣本數(shù)據(jù)，以關(guān)系模型為數(shù)據(jù)模式，其中樣本數(shù)據(jù)來自于某襪業(yè)公司。選擇反映腿部整體特征的豐滿指標(biāo)和高度指標(biāo)來對腿型進(jìn)行分類，總共得到300個(gè)號型系列，其中豐滿指標(biāo)為大腿圍度、大腿膝蓋圍差等，高度指標(biāo)為大腿根高、膝蓋高度等。尺碼歸檔系統(tǒng)是指在尺碼規(guī)格庫中找到與用戶腿部數(shù)據(jù)最為接近的尺碼規(guī)格，基于模式識別算法[15]來解決壓力襪尺碼歸檔的問題。人機(jī)交互界面以VS2010為開發(fā)環(huán)境，提取三維測量系統(tǒng)生成報(bào)告中的腿部數(shù)據(jù)，依據(jù)最近鄰法則為病人推薦最合適的壓力襪。圖5為設(shè)備軟件整體工作流程。

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

4.1 測量實(shí)驗(yàn)

研究對一假腿模型進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，圖像經(jīng)過標(biāo)定、濾除噪聲點(diǎn)、激光中心線提取等處理后，可獲得腿部曲面輪廓，通過NURBS曲線建模得到特征截面的尺寸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。圖中不僅有需要的腿部特征參數(shù)的尺寸，還有在高度方向上每隔5mm提取的圍度尺寸。

圖6 基于三維掃描的腿部尺寸報(bào)告

4.2 誤差分析

為了驗(yàn)證三維測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對同一樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測量，如表1所示，本設(shè)備測量同一腿部樣本的誤差均在±0.2mm之內(nèi)，穩(wěn)定性達(dá)到要求。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 mm

為了驗(yàn)證三維測量系統(tǒng)的精度，研究利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量假腿輪廓尺寸，并將測量得到的尺寸與本測量系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如表2所示，腿部三維測量系統(tǒng)與CMM量測的腿部各個(gè)尺寸的誤差均在±0.3 mm之內(nèi)，精度達(dá)到要求。

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果 mm

將三維激光掃描得到的腿部特征參數(shù)的準(zhǔn)確尺寸導(dǎo)入至號型推薦系統(tǒng)中，基于最近鄰法則推薦合適的壓力襪尺碼。表3為一組實(shí)驗(yàn)者的推薦結(jié)果。病人穿上實(shí)驗(yàn)推薦的壓力襪，經(jīng)醫(yī)學(xué)設(shè)備測試后發(fā)現(xiàn)，壓力襪能夠與腿部完全貼合且能提供合適的壓力，提高緩壓治療的效果。

表3 壓力襪號型推薦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語

醫(yī)用壓力襪推薦設(shè)備是一個(gè)光、機(jī)、電、算相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。三維測量系統(tǒng)以激光掃描作為系統(tǒng)的開發(fā)基礎(chǔ)，根據(jù)人體腿部的特點(diǎn)，采用三個(gè)激光器和四個(gè)CCD特定的架構(gòu)方式，從不同方向拍攝腿部圖像，提出基于模板和迭代法求取激光中心線的算法，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。襪型匹配系統(tǒng)將原有的3個(gè)壓力襪號型擴(kuò)展至300個(gè)號型，病人將獲得提高治療效果的壓力襪尺寸，采用最鄰近法則作為襪型匹配的依據(jù)，能夠快速有效的推薦合適的壓力襪。該設(shè)備可在10 s內(nèi)完成測量過程，最大測量高度可達(dá)1000 mm，通過自行開發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到高質(zhì)量的腿部模型并能推薦合適的壓力襪尺碼，滿足靜脈曲張病人的需求。研究具有很好的市場前景，且有效地將激光掃描技術(shù)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相結(jié)合。

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DESIGN OF RECOMMENDATION EQUIPMENT FOR MEDICAL COMPRESSIONSTOCKINGS BASED ON LASER SCANNING

Liu Tingyu Gao Zhi*

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

The compression stocking is one of the effective means to prevent and cure varix. The corresponding size of compression stocking is recommended according to the leg shape information of patients by extracting leg data, which is supposed to ensure the curing effect. However, enterprises only provide limited size of the medical compression stockings, the gradual pressure of the leg cannot satisfied the medical requirement, which means huge numbers of patients cannot get the suitable compression stockings from the market and that can be bad for the treatment. Due to this situation, the design method of the recommendation equipment is put forward and its principle is introduced. Rapid leg scanning is achieved by controlling system, optical system and image collection, also sizes of compression stockings are extended and achieved by matching system. Image extraction and data analysis is implemented by self-developed software system, which means size of legs can be measured in a short time and the required compression stocking size can be calculated. In the end, the experiments on legs show that the measurement process can be completed in 10 seconds, and the measuring error is less than 0.3%, which means the proposed method can calculate the size of suitable compression stockings rapidly and improve the effect of pressure release.

Medical compression stockings Laser scanning Size categorization

2015-12-10。劉婷玉，碩士生，主研領(lǐng)域：圖像處理，機(jī)電一體化。高志，教授。

TP23

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.03.031