專利名稱：測(cè)量肢體部分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量人體肢體部分的方法。
這種方法被需要特別是用于制造例如用于四肢殘肢部分的假肢、矯正或醫(yī)療支撐部件、如止血襪，以便使假肢或矯正件能夠與相應(yīng)的肢體部分獨(dú)特地匹配。
各肢體部分的測(cè)量一方面要求高的精度，以便使以測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)隨后制成的假肢或矯正件，能提供一種高的配戴舒適性。另一方面，肢體部分的測(cè)量，應(yīng)該用盡量短的時(shí)間，并且用相對(duì)少的儀器花費(fèi)，使病人能在相對(duì)短的時(shí)間的內(nèi)被測(cè)量，并且能使病人免除到達(dá)一個(gè)特殊的或許在很遠(yuǎn)處才有的測(cè)量裝置，以及節(jié)省測(cè)量過(guò)程所需要的長(zhǎng)的時(shí)間。
另外，用卷尺測(cè)量肢體部分是人所共知的，其中，在四肢殘肢部分中除了長(zhǎng)度外還必須進(jìn)行多次圓周測(cè)量，這些測(cè)量一般不會(huì)有高的精度。另外，還公知，對(duì)于涉及的肢體部分做印模。這樣的一種方法顯然是昂貴的，并且需要很長(zhǎng)時(shí)間，另外，用于制做假肢或矯正件的肢體部分的印模，首先必須提供給相應(yīng)的制造者，這除了要花費(fèi)運(yùn)費(fèi)外，還要拖延很長(zhǎng)時(shí)間。
該發(fā)明的基本任務(wù)是，對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并特別提供一種以相對(duì)少的花費(fèi)和相對(duì)短的時(shí)間對(duì)肢體部分進(jìn)行精確測(cè)量的一種方法。
這一任務(wù)將這樣來(lái)解決，通過(guò)把帶有一個(gè)長(zhǎng)度已知的參考段和一個(gè)角度調(diào)節(jié)裝置的參照物以相對(duì)于肢體部分固定的空間關(guān)系、例如安置在肢體部分上。借助于該角度調(diào)節(jié)裝置，將照相機(jī)安置在與參考段相垂直的第一個(gè)觀測(cè)方向上在第一個(gè)拍攝位置上，在這一位置，照相機(jī)借助于參照物測(cè)出肢體部分，并拍攝了第一個(gè)圖象。借助于該角度調(diào)節(jié)裝置，將照相機(jī)安置在與參考段相垂直的第二個(gè)觀測(cè)方向上，在第二個(gè)拍攝位置上，在這一位置，照相機(jī)借助參照物測(cè)出肢體部分，并拍攝了第二個(gè)圖象。根據(jù)參考段長(zhǎng)度和參考段在圖象上的影象，求出參照物到拍攝位置之間的距離，作為第一個(gè)參考距離和第二個(gè)參考距離。對(duì)于每一圖象，以事先存貯的參考模型為基礎(chǔ)，根據(jù)參考距離和輪廓線的影象來(lái)確定一個(gè)在三維空間上分布的輪廓線。而一個(gè)肢體部分的特定模型，由輪廓線和參考模型來(lái)確定。
按照本發(fā)明，一個(gè)參考模型被用于所涉及的肢體部分。這一參考模型在支撐肢體的矯正件中一般情況下具有相對(duì)高的精度，因?yàn)閰⒖寄Ｐ蛷?fù)制了至少在很大程度上完好的身體的一個(gè)部分。這種參考模型在假肢的匹配中也是有意義的。在假肢中，一個(gè)缺少的肢體部分被補(bǔ)償，因?yàn)樗婕暗闹w部分、例如四肢殘肢部分，在一般情況下，以公知的方式進(jìn)行了手術(shù)技術(shù)的預(yù)先處理。對(duì)此，特別是相應(yīng)的肢體部位的骨骼和肌肉被以公知的方式暴露出來(lái)。
按照本發(fā)明，相對(duì)于所涉及的肢體部分以固定的空間關(guān)系安裝僅僅一個(gè)參照物，特別是安裝在所涉及的肢體部分上，并且必須至少對(duì)所涉及的肢體部分從不同的拍攝位置上拍攝兩個(gè)圖象，這樣，肢體部分就能相對(duì)快地被測(cè)量。對(duì)此，僅僅要求使用一個(gè)參照物和一部照相機(jī)。圖象隨后能向假肢或矯正件的制造者郵寄，有必要的話，還可以發(fā)傳真。通過(guò)確定參考距離，并以參考模型為基礎(chǔ)，根據(jù)圖象確定輪廓線以及肢體部分特定模型的計(jì)算，都能在制造者那兒實(shí)現(xiàn)。于是，例如肢體部分的印?；蜩T模的耗費(fèi)的運(yùn)輸就可以免去了。
按照本發(fā)明，參照物不僅具有一個(gè)已知長(zhǎng)度的參考段，而且還有一個(gè)例如視覺(jué)上用于調(diào)整觀測(cè)方向、特別是照相機(jī)光軸方向的角度調(diào)節(jié)裝置，以便使照相機(jī)能借助于角度調(diào)節(jié)裝置，相對(duì)簡(jiǎn)單地被定位于一個(gè)與參考段相垂直的方向上，而不必將要測(cè)量的肢體部分定位或夾緊在一個(gè)支承件或框架里。肢體部分的輪廓線能夠由一個(gè)簡(jiǎn)單的事后測(cè)量，并借助于拍攝的圖象來(lái)確定，而不必對(duì)肢體部分現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接測(cè)量或者掃描，這樣，一個(gè)特定的模型不需要通過(guò)計(jì)算求出，或者，不需要計(jì)算匹配。為了確定輪廓線，能夠以有利的方式照亮所涉及的肢體部分，并且在一個(gè)黑暗的背影下拍攝，特別是能在肢體部分上設(shè)置上改善對(duì)比度的、例如明亮的涂層或套上套子，假如有必要的話，可在涂層或套子上標(biāo)記區(qū)域或部位。
由于按照本發(fā)明，照相機(jī)到參照物的距離可以由圖象求出，因此，一個(gè)耗費(fèi)的、把肢體部分定位在距照相機(jī)一個(gè)事先給定的固定距離的作法，就是多余的了。這種作法，要求將病人固定，并且，在一般情況下，將導(dǎo)致一個(gè)高的不精確性。
參照物可以按有利的方式直接固定、例如直接粘接在肢體部分上，以便給出參照物到肢體部分的明確的空間關(guān)系，這樣，病人在拍攝之間甚至能稍微移動(dòng)其所涉及的肢體部分，因?yàn)橥ㄟ^(guò)在肢體部分上固定的參照物，一個(gè)肢體自身的參照系統(tǒng)被定義，在肢體部分移動(dòng)時(shí)基本上不變。
參考段在參照物上特別是可以通過(guò)兩個(gè)標(biāo)記來(lái)形成，兩個(gè)標(biāo)記間的距離是事先知道的。角度調(diào)節(jié)裝置能由一個(gè)或兩個(gè)凸起來(lái)構(gòu)成，這兩個(gè)凸起由長(zhǎng)度標(biāo)度件垂直伸出，因此在觀測(cè)方向定向時(shí)，保證長(zhǎng)度標(biāo)度件與光軸垂直配置。以有利的方式，這些凸起能同時(shí)作為標(biāo)記來(lái)用，它們相互間以已知距離來(lái)安置。在此，這些凸起也可以在一個(gè)軌道上被推移，這樣，就可事先調(diào)節(jié)一個(gè)距離。
凸起可以特別作為筋、接片或條構(gòu)成，它們垂直于長(zhǎng)度標(biāo)度件伸出。凸起的側(cè)面上或者說(shuō)上面和下面設(shè)置成有顏色的，由此可實(shí)現(xiàn)垂直觀測(cè)方向的簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)，即照相機(jī)被這樣定位，即看不出帶顏色的側(cè)面，或僅僅在可被忽略的范圍內(nèi)能被看出。
由于相同的照相機(jī)用于不同的拍攝，這樣，用于測(cè)量的儀器花費(fèi)就相對(duì)少了，另外，在這種情況下，就避免了疊加不同照相機(jī)的不同光學(xué)誤差，例如光軸的失調(diào)，然而，原理上來(lái)說(shuō)，也能使用不同的照相機(jī)。
按照本發(fā)明，實(shí)際的在三維空間上分布的輪廓線的確定，可借助于參考模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，以有利的方式首先確定一個(gè)參考平面，參考段位于該平面上，并且它與照相機(jī)觀測(cè)方向垂直伸展。這個(gè)平面到攝像機(jī)位置的距離，因此與被確定的參考距離相一致。輪廓線的影象，能夠以有利的方式首先引到該參考平面上，其中，參考平面的位置，在一般情況下，與包絡(luò)肢體部分的輪廓線的實(shí)際位置并不一致，緊接著，由輪廓線投影和參考距離確定輪廓線和特定模型。
另外應(yīng)可以考慮至少在一個(gè)影象中可被識(shí)別的肢體部分的顯著位置或部分區(qū)域，代替這種顯著位置或者部分區(qū)域，相應(yīng)地也可標(biāo)記肢體部分的位置或部分區(qū)域，特別是通過(guò)在肢體部分的涂層上未標(biāo)記。這種顯著的或者標(biāo)記的位置或者部分區(qū)域除輪廓線外能附加地被考慮，用于確定特定模型。因此，可以由輪廓線和肢體部分的其它位置或部分區(qū)域，借助于一個(gè)參考模型來(lái)確定一個(gè)特定模型。
本發(fā)明的方法可以特別地用于四肢測(cè)量，特別是對(duì)四肢殘肢部分如對(duì)一個(gè)小腿殘肢部分的測(cè)量，使后來(lái)假肢的匹配成為可能。另外，為了使一個(gè)矯正件例如止血襪后來(lái)的匹配成為可能，也可以測(cè)量肢體部分、例如一支腳。
下面借助幾個(gè)附圖示出的實(shí)施形式詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中

圖1是對(duì)作為肢體部分的小腿殘余部分進(jìn)行測(cè)量的本發(fā)明測(cè)量裝置；圖2是小腿殘余部分的通過(guò)帶有標(biāo)入的參考模型的輪廓線的剖視圖；圖3是一個(gè)帶有輪廓線的參考模型；圖4是用于說(shuō)明一個(gè)參考平面在一個(gè)三維模型上的投影的簡(jiǎn)圖；圖5是圖4中通過(guò)拍攝點(diǎn)的剖視圖。
按照?qǐng)D1，把一個(gè)用作參照物的參考板條2固定、例如粘接在作為待測(cè)肢體的一個(gè)小腿殘余部分1上。參考板條例如大致對(duì)準(zhǔn)小腿殘余部分的長(zhǎng)度方向，參考板條端部具有接片4，這些接片例如可以作為筋或板構(gòu)成，并且與參考板條成直角地凸出。有利的方式是，接片4的上下側(cè)都有顏色，例如，上側(cè)為紅色，下側(cè)為綠色，或者接片的外側(cè)，即上接片的上側(cè)和下接片的下側(cè)是紅色；并且接片的內(nèi)側(cè)為綠色，以便使接片4能作角度調(diào)節(jié)裝置來(lái)用，來(lái)調(diào)節(jié)與參考板條相垂直的觀測(cè)方向，這樣，借助于檢查接片4有顏色的內(nèi)外側(cè)能否被辯認(rèn)，可以將攝像機(jī)與參考板條成垂直定位。在圖1中位置B與參考板條不成直角，因?yàn)閿z像機(jī)能識(shí)別上接片帶顏色的上側(cè)面，或者說(shuō)，可看到上接片的外側(cè)以及下接片4的帶顏色的上側(cè)、或者說(shuō)下接片4的內(nèi)側(cè)。通過(guò)相應(yīng)的調(diào)整，攝像機(jī)3被調(diào)節(jié)在A的位置，在這個(gè)位置，觀測(cè)方向與參考板條2相垂直。因此，攝像機(jī)3的光軸線5垂直于推薦平板2，并穿過(guò)其中點(diǎn)。該推薦平板有一個(gè)帶有已知參考長(zhǎng)度的參考段，該參考段有利地通過(guò)接片4相互間的距離來(lái)形成。
作為攝像機(jī)，最好用一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，例如，一個(gè)CCD攝像機(jī)。
照相機(jī)3沿兩個(gè)相互基本垂直方向繞小腿殘余部分1定位，小腿殘余部分將以有利的方式被照射，并且在一個(gè)黑暗背景前被拍攝下來(lái)，這樣，作為圖象上的反差使小腿殘余部分輪廓線的隨后確定變得容易些。輪廓線的實(shí)際的在三維空間坐標(biāo)上的分布，從圖象里輪廓線的影象還認(rèn)不出來(lái)，特別是輪廓線離照相機(jī)3的距離，還不是已知的。在有足夠?qū)Ρ榷鹊那闆r下，輪廓線能夠根據(jù)圖象通過(guò)圖象數(shù)據(jù)處理來(lái)被求出。在圖象數(shù)據(jù)處理中，形成例如相鄰像素的差，這種邊緣辨識(shí)，例如由自動(dòng)聚焦系統(tǒng)公知。
由于推薦平板2與照相機(jī)3的光軸相垂直，推薦長(zhǎng)度就能直接被用以定標(biāo)由照相機(jī)3所拍攝的圖象。因此，對(duì)于通過(guò)推薦線段且與光軸線5相垂直的參考平面r1來(lái)說(shuō)，定標(biāo)是已知的。
照相機(jī)3然后按圖5調(diào)整到第二個(gè)位置D處，同樣與參考板條相垂直，其調(diào)整借助于接片4進(jìn)行，而不改變參考板條2。因此，照相機(jī)在第二個(gè)測(cè)量位置上的光軸也與參考板條2相垂直，而與第一次測(cè)量的參考平面r1并不垂直。通過(guò)觀測(cè)方向，或者說(shuō)，通過(guò)在第二個(gè)攝像位置D上的照相機(jī)3的光軸，第二個(gè)參考平面r2就能被定義，參考板條2的軸線又位于該平面內(nèi)。所以，可以在不同的(至少兩個(gè))攝像位置，拍攝兩個(gè)或更多的圖象，其中，分別形成參考平面，參考板條2的軸線位于這些平面上，并且每次都與照相機(jī)的光軸相垂直。
圖2給出一個(gè)通過(guò)小腿殘余部分在這樣一個(gè)平面內(nèi)的切面，該平面通過(guò)兩個(gè)拍攝位置A，D。為了復(fù)制小腿部分外面，應(yīng)用了一個(gè)參考模型R，在此，該推薦模型可以為每次觀測(cè)的肢體單獨(dú)地構(gòu)造，這樣，當(dāng)時(shí)的肢體例如小腿殘余部分1的粗略造型，通過(guò)推薦模型R大概再一次給出。按照本發(fā)明，隨后根據(jù)照相機(jī)所拍圖象，使推薦模型R與小腿殘余部分1外表面的實(shí)際曲線相匹配，另外，按照本發(fā)明，小腿部分1外表面的實(shí)際輪廓線K1和K2，必須由圖象里輪廓線的影象來(lái)確定，并且必須使參考模型與輪廓線K1和K2相匹配。問(wèn)題是，在三維空間里輪廓線K1和K2的實(shí)際曲線，還不能由輪廓線的影象獲知，必須借助于推薦模型R首先來(lái)確定。所以，推薦模型R不僅用于確定輪廓線K1和K2，而且還用于按照輪廓線K1和K2復(fù)制小腿殘余部分1的特定模型。
因?yàn)榘凑沼欣绞?，拍攝位置A，D在圖5所示的平面內(nèi)基本上相互之間錯(cuò)位90°角，因此，照相機(jī)的光軸5a和5b，基本上大約位于每另一個(gè)位置的參考平面R2，R1上，這樣一種安排并不是必要的，因?yàn)榕臄z位置I，II并不必相互間準(zhǔn)確地成90°角；原則上必要的是，在相互不同的拍攝位置上，拍攝兩個(gè)圖象。
圖3示出本發(fā)明的原理，應(yīng)用一個(gè)推薦模型R，該模型必須與輪廓線K1，K2相匹配。
按照本發(fā)明，按有利的方式，根據(jù)圖4將輪廓點(diǎn)K1a，K1b，K2a，K2b的投影引入相應(yīng)的參考平面r1，r2，如圖4中為兩個(gè)拍攝位置所示的那樣。由此，在相應(yīng)的參考平面r1，r2上形成輪廓線投影a1a，a1b，a2a，a2b。在這些參考平面里，已知通過(guò)參考段參考長(zhǎng)度的定標(biāo)，隨后，輪廓線投影的單個(gè)點(diǎn)a1a，a1b，a2a，a2b必須與小腿部分的輪廓線點(diǎn)K1a，K1b，K2a，K2b相匹配。
在圖5中首先示出在這樣一個(gè)平面上通過(guò)小腿殘余部分1的一個(gè)切面，它通過(guò)光軸5a，5b來(lái)構(gòu)成。對(duì)于一些其它平面上輪廓線點(diǎn)的計(jì)算，最后可類似處理，其中，拍攝點(diǎn)A，D分別處于這些平面上。最后，可使小腿殘余部分在圖4中L方向上的縱向長(zhǎng)度與參考長(zhǎng)度的標(biāo)定相匹配。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)量人體肢體部分(1)的方法，其中，與肢體部分(1)成固定的空間關(guān)系安置一個(gè)具有已知長(zhǎng)度參考段和一個(gè)角度調(diào)節(jié)裝置(4)的參照物(2)，借助于角度調(diào)節(jié)裝置(4)，在與參考段相垂直的第一個(gè)觀測(cè)方向，在第一個(gè)拍攝位置(A)上安置一個(gè)攝像機(jī)(3)，在這個(gè)位置上，照相機(jī)測(cè)得帶有參照物(2)的肢體部分(1)，并拍攝第一個(gè)圖象，借助于角度調(diào)節(jié)裝置(4)，將照相機(jī)在與參考段相垂直的第二個(gè)觀測(cè)方向上安置在第二個(gè)拍攝位置(D)，在這個(gè)位置，照相機(jī)測(cè)得帶有參照物(2)的肢體部分(1)，并拍攝第二個(gè)圖象，由參考段的長(zhǎng)度和參考段在圖象上的影象，求出參照物(2)與攝像機(jī)位置的距離作為第一個(gè)參考距離(X1)和第二個(gè)參考距離(X2)，對(duì)于每個(gè)圖象，根據(jù)參考距離(X1，X2)和輪廓線的輪廓，以事光存貯的參考模型(R)為基礎(chǔ)，確定一個(gè)在三維空間中分布的輪廓線(K1，K2)，并且，肢體部分(1)的特定模型(M)由輪廓線(K1，K2)和參考模型(R)來(lái)確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，對(duì)于每個(gè)拍攝位置(A，D)，形成一個(gè)參考平面(r1，r2)，參考段位于參考平面上，并且參考平面在與照相機(jī)觀測(cè)方向相垂直的方向延伸，對(duì)于每個(gè)拍攝位置(A，D)，根據(jù)參考距離(X1，X2)和輪廓線(K1，K2)的影象，求出一個(gè)輪廓線投影(a1，a2)，它與輪廓線在參考平面上的投影相應(yīng)，并且由輪廓線投影(a1，a2)、參考距離(X1，X2)和參考模型(R)構(gòu)成肢體部分(1)的特定模型(M)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征為，在肢體部分(1)上設(shè)置一個(gè)涂層，特別是改善對(duì)比度的涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中之一的方法，其特征為，特定模型(M)的一個(gè)與觀測(cè)方向相垂直延伸的長(zhǎng)度，根據(jù)參考段與肢體部分兩點(diǎn)間距離的比較來(lái)確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征為，至少一個(gè)點(diǎn)是肢體部分的一個(gè)端部，和/或一個(gè)標(biāo)記位置，特別是在涂層上的一個(gè)標(biāo)記位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中之一的方法，其特征為，在肢體部分特定模型(M)的確定中，除了輪廓線和參考模型外，進(jìn)一步使用肢體部分(1)的部位或部分區(qū)域的影象，這些影象可以從肢體部分的影象的至少一個(gè)中辨識(shí)出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中之一的方法，其特征為，參照物(2)被固定在肢體部分(1)上，最好是粘接固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一的方法，其特征為，參照物(2)具有帶有已知距離的兩個(gè)標(biāo)記，這兩個(gè)標(biāo)記確定了參考段。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中之一的方法，其特征為，角度調(diào)節(jié)裝置是一個(gè)視覺(jué)的角度調(diào)節(jié)裝置，并且，至少具有一個(gè)與參考段垂直延伸的凸起(4)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征為，角度調(diào)節(jié)裝置具有兩個(gè)相互間距的、與參考段垂直伸展的凸起(4)，它們之間構(gòu)成了參考段。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征為，這個(gè)或這些凸起(4)具有帶顏色的側(cè)面，或者說(shuō)帶顏色的上側(cè)面和下側(cè)面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的方法，其特征為，在不同的拍攝位置，使用相同的照相機(jī)(3)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一的方法，其特征為，一個(gè)四肢殘肢部分、特別是小腿殘余部分作為肢體部分被測(cè)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中之一的方法，其特征為，四肢、特別是一個(gè)腳作為肢體部分被測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量人體肢體部分、比如小腿殘余部分的方法。對(duì)肢體輪廓,在不同的拍攝位置(A)至少拍攝兩個(gè)圖象,根據(jù)這些圖象,輪廓線例如作為對(duì)比被求出。帶有參考段的參照物(2)被用于圖象的標(biāo)定,照相機(jī)(3)借助于在參照物上的一個(gè)角度調(diào)節(jié)裝置、例如垂直凸出的接片(4),在垂直的觀測(cè)方向上被調(diào)節(jié)。根據(jù)輪廓線的影象和參考段,借助于參考模型,最后求出肢體部分的外表面。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1271085SQ0010588
公開日2000年10月25日 申請(qǐng)日期2000年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月15日
發(fā)明者馬丁·普施, 戴夫·雷諾茲 申請(qǐng)人:奧托·博克矯形工業(yè)兩合公司