СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ТУЛОВИЩА ЧЕЛОВЕКА ВО ВРЕМЯ ХОДЬБЫ Российский патент 2003 года по МПК A61B5/107 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для определения формы и пространственной ориентации туловища человека во время ходьбы, преимущественно для определения формы позвоночника, например, в ортопедии, биомеханике и т.п.

Известен способ компьютерной оптической топографии, основанный на регистрации изображения системы эквидистантных полос, спроецированных на дорсальную поверхность туловища человека, и пространственном детектировании фазы полученного изображения (Евразийский патент 000111, МПК А 61 В 5/103, 1998 г. ). Способ обеспечивает бесконтактное дистанционное определение формы дорсальной поверхности пациента. Способ заключается в том, что на дорсальную поверхность пациента проецируют изображение прямолинейных эквидистантных полос, форма которых изменяется в соответствии с рельефом обследуемой поверхности. С помощью телевизионной камеры регистрируют спроецированное на дорсальную поверхность изображение полос и в цифровом виде вводят в память компьютера. С помощью соответствующей программной обработки восстанавливают форму дорсальной поверхности пациента в каждой точке изображения, полученного в цифровом виде. По цифровой модели дорсальной поверхности и выделенным анатомическим ориентирам костных структур рассчитывают различные топографические параметры, используемые для количественного описания формы дорсальной поверхности и оценки деформации позвоночника в трех плоскостях: фронтальной, горизонтальной и сагиттальной.

Однако данный способ обеспечивает возможность обследования пациентов только в статическом состоянии, а именно в положении стоя в естественной либо заданной позе, и не позволяет определять форму и пространственную ориентацию туловища человека во время ходьбы.

Известен способ определения двигательной функции позвоночника (Казьмин А.И., Кон И.И., Беленький В.Е. Сколиоз. - М.: Медицина, 1981, с. 23). Способ заключается в том, что с помощью прикрепленных к телу гироскопов в любой фазе шага определяют угол наклона таза и верхнегрудного сегмента позвоночника (угол наклона в сторону, вперед, назад) и угол поворота относительно вертикальной оси. К недостаткам метода можно отнести невозможность определения перемещений интересующих сегментов туловища в абсолютных координатах и, следовательно, невозможность определения траектории поступательного движения как сегментов туловища, так и туловища в целом. Кроме того, существенные размеры и масса гироскопов ограничивают возможность одновременного использования большого числа гироскопов, что снижает точность определения пространственной ориентации и формы туловища человека во время ходьбы.

Известен способ определения пространственной ориентации и формы туловища человека во время ходьбы, реализованный с помощью оптико-электронной системы AUSCAN (Amico М.D., Roncoletta P. Biomechanical Analysis of the Spine During Walking. A pilot Study. In: Sevastic J.A. and Diab (Eds.). IOS Press - Technology and Informatics: Research into Spinal Deformities 1, Vol. 37 ISSN: 0926-9630, 1997, pp. 161-164). Способ заключается в том, что с помощью двух пар видеокамер (CCD IR - камер) измеряют трехмерные координаты двадцати семи пассивных светоотражательных маркеров, размещенных на анатомических точках туловища, в том числе по линии остистых отростков от точки С7 до точки S3, что позволяет определить форму позвоночника во время ходьбы во фронтальной и сагиттальной плоскостях. Помимо очень высокой стоимости системы AUSCAN, основным недостатком этого метода является его низкая информативность, т.к. он позволяет получить информацию об изменении местоположения ограниченного числа точек туловищ. С помощью данного способа можно определить траекторию движения только тех точек, на которые наклеены маркеры, что снижает точность определения формы туловища в процессе ходьбы.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ оптической топографии (Asazuma Т., Suzuki N., Hirabayashi К. Analysis of human dynamic posture in normal and scoliotic patients. Proc. of III Int. Sym. Surface Topography and Spinal Deformity, Gustav Fisher Verlag, Stuttgrt, New York, 1986, pp. 223-233). Способ основан на регистрации муаровых топограмм и позволяет получать информацию о каждой точке поверхности туловища человека. Способ заключается в том, что с помощью видеокамеры регистрируют изображение дорсальной поверхности туловища пациента во время ходьбы на месте. При этом регистрацию осуществляют через экран, выполненный в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных участков, например полос, выполненных в виде натянутых струн или сетки. Полученное изображение записывают на видеомагнитофон. Запись просматривают на экране телевизионного монитора и регистрируют (фотографируют) изображения интересующих фаз движения, делая стоп-кадр в соответствующий момент времени, обычно в тот момент времени, когда верхние и нижние конечности находятся в крайних положениях. Полученные изображения (кадры) оцифровывают и вводят в память компьютера. Для каждого изображения, описывающего отдельную фазу движения, рассчитывают параметры поворота плечевого пояса и таза в горизонтальной плоскости и угол между ними, а по полученным данным судят об изменении угла ротации туловища человека во время ходьбы.

Однако метод муаровой топографии обладает существенными недостатками - большой трудоемкостью и малой оперативностью, что обусловлено сложностью математической обработки муаровых топограмм, представляющих собой специфические изображения в виде замкнутых контуров сложной формы. В результате снижается точность и оперативность определения формы туловища во время ходьбы, поскольку реально может быть обработано малое число кадров, а в одном кадре могут быть обработаны только отдельные сечения. Поэтому в данном случае для количественного анализа используются только два параметра - углы поворота плечевого пояса и таза в горизонтальной плоскости, а также ограниченное число кадров изображения, которые соответствуют только крайнему положению ног и рук при движении, что не позволяет в полной мере использовать возможности топографии. Следовательно, данный способ может быть использован только для определения формы ограниченного участка исследуемой поверхности туловища человека, а не для восстановления формы всей исследуемой поверхности, что снижает информативность исследований, а также ограничивает область применения способа, так, например, не позволяет использовать его для определения формы позвоночника во время ходьбы. Другая причина низкой точности определения формы туловища человека во время ходьбы заключается в том, что при определении рельефа заданного участка туловища разрешающая способность исследования по глубине ограничена величиной, равной половине периода муаровых полос.

Кроме того, в данном способе характер движений пациента существенно отличается от характера движений при естественной ходьбе, так как пациента обследуют во время ходьбы на месте, что вносит искажения в результаты исследований и понижает точность определения формы туловища во время ходьбы.

Изобретение направлено на решение задачи расширения информативности и области применения способа, а также повышения точности и оперативности определения формы туловища человека во время ходьбы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения формы и пространственной ориентации туловища человека во время ходьбы, при котором регистрируют кадры изображения поверхности туловища во время ходьбы и по полученным кадрам изображения определяют значения заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища, предлагается во время ходьбы размещать человека на бегущей дорожке, а перед регистрацией кадров изображения проецировать на исследуемую поверхность туловища структурированное изображение, преимущественно, в виде оптически контрастных параллельных полос, при этом предлагается регистрировать кадры изображения непрерывно в цифровом виде с заданной скоростью, для каждого кадра восстанавливать трехмерную цифровую модель формы исследуемой поверхности туловища и по полученным моделям определять значения параметров формы и пространственной ориентации туловища.

Предварительно перед регистрацией может быть проведена маркировка анатомических ориентиров исследуемой поверхности туловища человека путем нанесения маркеров, выполненных преимущественно из светоотражающей пленки, которые в процессе регистрации дополнительно освещают.

Кадры изображения поверхности туловища могут регистрировать при различных значениях скорости движения бегущей дорожки и/или при различных значениях угла наклона опорной поверхности бегущей дорожки.

Значения заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища во время ходьбы могут быть определены с учетом положения нижних конечностей, а именно с учетом таких параметров, как состояние опоры нижних конечностей пациента и фаза движения нижних конечностей, которые определяют дополнительно.

Скорость регистрации последовательности кадров изображения в цифровом виде может составлять не менее 25 кадров/с.

В предлагаемом способе за счет размещения человека во время ходьбы на бегущей дорожке характер его движений приближается к характеру движений при ходьбе в естественных условиях, что способствует повышению точности определения формы туловища во время ходьбы.

Проецирование пространственной системы оптически контрастных полос на поверхность туловища и регистрация в цифровом виде изображения системы полос, спроецированных на поверхность туловища, обеспечивает возможность восстановления трехмерной модели поверхности туловища, что позволяет получить полное количественное описание формы поверхности туловища в трех измерениях с большой точностью и высоким пространственным разрешением и, тем самым, позволяет повысить точность определения формы туловища. Кроме того, использование в качестве первичной информации для построения трехмерных моделей структурированных изображений, преимущественно в виде оптически контрастных полос, позволяет увеличить оперативность определения формы за счет полной автоматизации процесса обработки, а также позволяет анализировать не только отдельные кадры, но и всю непрерывную последовательность кадров изображений, что повышает разрешающую способность способа по временной шкале.

Предварительная маркировка анатомических ориентиров исследуемой поверхности туловища путем нанесения маркеров, выполненных преимущественно из светоотражательной пленки, которые в процессе регистрации дополнительно освещают, позволяет произвести привязку поверхности восстанавливаемых моделей к костным структурам скелета при определении и анализе заданных параметров или обозначить определенные точки поверхности с целью отслеживания их местоположения во время ходьбы, что способствует расширению области применения способа, например, за счет использования его для биомеханических исследований.

Регистрация кадров изображения дорсальной поверхности при различной скорости движения бегущей дорожки и/или наклоне ее опорной поверхности способствует расширению области применения способа за счет обеспечения возможности его использования для проведения исследований скоростных особенностей походки пациентов.

Определение состояния опоры нижних конечностей пациента и фазы движения нижних конечностей, а также учет полученных данных при определении значений заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища в процессе ходьбы способствует расширению области применения способа за счет обеспечения возможности его использования для проведения комплексных исследований походки пациента.

Регистрация непрерывной последовательности кадров изображения в цифровом виде со скоростью не менее 25 кадров/с позволяет обеспечить заданное временное разрешение при регистрации изображений с использованием существующих относительно недорогих технических средств, например, телевизионных камер.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения формы и пространственной ориентации туловища человека во время ходьбы. На фиг.2-7 приведены результаты исследования формы и пространственной ориентации туловища человека во время ходьбы (пациент в возрасте 10 лет). На фиг.2а-з приведена серия кадров, представляющих собой последовательность оцифрованных изображений дорсальной поверхности туловища пациента, зарегистрированных с частотой 25 кадров/с в течение половины полного цикла шага (одноопорное состояние на левой ноге, двухопорное состояние на обеих ногах и одноопорное состояние на правой ноге). На фиг.3 приведены топограммы дорсальной поверхности пациента, полученные по восстановленным цифровым моделям и соответствующие кадрам, приведенным на фиг.2а-з. На фиг.4-6 для этой же серии кадров приведены графические представления формы дорсальной поверхности в трех плоскостях: фронтальной, горизонтальной и сагиттальной, отображающие состояние формы туловища и позвоночника во время ходьбы. На фиг.4 показан внешний контур туловища пациента, в пределах которого построены: линия, соединяющая апроксиальные точки левой и правой подмышечных складок, характеризующая ориентацию плечевого пояса; линия, соединяющая нижние углы левой и правой лопаток и линии, соответствующие медиальным краям лопаток, которые характеризуют ориентацию лопаток в пространстве; линия, соединяющая задние верхние подвздошные ости таза, которая характеризует положение тазового пояса; линия, проходящая по вершинам остистых отростков, начиная от уровня седьмого шейного позвонка, и проходящая до апроксиальной точки межъягодичной складки, соответствующей уровню второго-третьего позвонка крестца, а также прямая линия, соединяющая две вышеуказанные точки, являющаяся срединной линией туловища, относительно которой оценивается деформация позвоночного столба во время ходьбы во фронтальной плоскости.

На фиг.5 показана горизонтальная проекция (вид сверху) дорсальной поверхности туловища, на которой построены горизонтальная проекция линии остистых отростков и горизонтальные сечения поверхности: вдоль отрезка, соединяющего апроксиальные точки подмышечных складок; вдоль отрезка, соединяющего вершины задних верхних подвздошных остей; поверхности на уровне остистого отростка седьмого шейного позвонка; на уровне апроксиальной точки межъягодичной складки. На фиг. 5 показаны также угловые параметры ориентации и положения туловища в горизонтальной плоскости: поворот плечевого пояса (GH); поворот нижних углов лопаток (GS); поворот тазового пояса (GP); скручивание туловища - поворот плечевого пояса относительно таза (GТ).

На фиг.6 приведена сагиттальная проекция (вид сбоку) линии остистых отростков и отрезка, соединяющего апроксиальные точки межьягодичной складки и седьмого шейного позвонка с выведенными на графике параметрами, характеризующими высоту сагиттальной проекции линии остистых отростков в точках границы крестец - поясничный лордоз, границы поясничный лордоз - грудной кифоз, вершины дуги грудного кифоза.

На фиг. 7 приведены графики, описывающие общую ориентацию туловища в пространстве, которая характеризуется углом наклона туловища относительно вертикальной оси во фронтальной и саггитальных плоскостях. Для фронтальной плоскости на фиг. 7а приведен временной график параметра FSN, соответствующего углу наклона туловища в этой плоскости (угловое положение седьмого шейного позвонка относительно остистого отростка третьего позвонка крестца), и временной график параметра FP, соответствующего углу перекоса таза, оцениваемого по линии, соединяющей задние верхние подвздошные ости (на этом и других графиках фиг. 7 прерывистые вертикальные линии обозначают временной интервал, соответствующий серии кадров фиг.2). Для горизонтальной плоскости на фиг. 7б построены графики параметра GH, описывающего угол поворота плечевого пояса, и графики параметра GP, описывающего угол поворота таза. Для сагиттальной плоскости на фиг.7в построены графики параметра SNAN, задающего угол наклона туловища (угловое положение седьмого шейного позвонка относительно остистого отростка третьего позвонка крестца) и параметра ANS - угол наклона таза. Графики, приведенные на фиг.7г и 7д, описывают параметры формы позвоночника в сагиттальной и фронтальной плоскостях соответственно. График параметра LA2 соответствует вписанному углу дуги поясничного лордоза, график параметра КА2 соответствует вписанному углу дуги грудного кифоза, а графики параметров DSDL, DSDR показывают величину бокового отклонения во фронтальной плоскости соответственно влево и вправо линии остистых отростков позвоночника от прямой, проходящей через остистый отросток седьмого шейного позвонка и апроксиальную точку межьягодичной складки.

Устройство, реализующее предлагаемый способ и приведенное на фиг.1, содержит электромеханическую бегущую дорожку 1, блок 2 регистрации изображения и блок 3 формирования структурированного изображения оптически контрастных параллельных полос, источник 4 дополнительного освещения для подсветки пассивных светоотражающих маркеров и блок 5 обработки данных. Блок 2 регистрации изображения представляет собой высокоскоростной регистратор изображения, например, телевизионную камеру, имеющую электронный затвор с временем экспозиции не менее 1/1000 с. Блок 5 обработки данных выполнен на основе ЭВМ 6 с объемом оперативной памяти не менее 128 Мб, которая подключена к блоку 2 регистрации изображения через стандартное устройство 7 высокоскоростного ввода видеоизображений без сжатия информации с частотой не менее 25 кадров/с. Бегущая дорожка 1 представляет собой электромеханическое устройство с регулируемой скоростью перемещения транспортирующей ленты в диапазоне от 0 до 16 км/час, например, дорожка фирмы Кеттлер.

Способ осуществляется следующим образом.

В зависимости от целей и задач проводимых исследований выбирают те или иные анализируемые параметры, характеризующие форму и пространственную ориентацию туловища во время ходьбы, и задают скоростной режим движения дорожки 1, временной интервал регистрации и схему маркировки анатомических ориентиров, если необходимо, режим с регистрацией состояния опоры.

Перед началом обследования на дорсальной поверхности пациента маркируют заданные анатомические ориентиры, преимущественно, по линии остистых отростков от точки С7 до точки S3, левую и правую подвздошные ости, две симметричных паравертебральных точки на уровне границы поясничного и грудного отдела и две симметричные точки на уровне плечевого пояса. Затем пациента обучают ходьбе по дорожке 1 (в течение 5-10 мин). После этого пациента обследуют в естественной ортостатичной позе, чтобы иметь возможность оценивать изменение формы и ориентации туловища в процессе ходьбы относительно его статического положения.

После обследования в статическом положении включают дорожку 1 на заданной скорости, на дорсальную поверхность туловища пациента проецируют с помощью блока 3 структурированное изображение в виде оптически контрастных параллельных полос и, спустя заданное время (2-3 минуты), которое необходимо для того, чтобы пациент привык к заданному темпу движения, с помощью блока 2 производят непрерывную регистрацию последовательности кадров изображения, т. е. высокоскоростную (не менее 25 кадров в секунду) регистрацию изображения дорсальной поверхности пациента во время ходьбы. Регистрируемая последовательность кадров в цифровом виде через блок 7 записывается в память ЭВМ 6 в течение заданного времени, которое может составлять несколько десятков минут, при этом длительность интервала записи ограничивается величиной памяти ЭВМ 6. С помощью ЭВМ 6 для каждого кадра серии восстанавливают цифровую модель формы поверхности туловища, по которой определяют заданные количественные параметры, описывающие состояние дорсальной поверхности пациента во время ходьбы. При этом на моделях, построенных для каждого кадра, определяют положение точек, помеченных маркером. Используя трехмерные координаты этих точек вычисляют заданные параметры, характеризующие форму и пространственную ориентацию туловища во время ходьбы. Реакция опоры может быть учтена при помощи показаний контактных датчиков (на фигурах не показаны), которые крепятся на стопы пациента. По полученным данным строят графики, по которым определяют характер изменения формы и пространственного положения туловища в трех плоскостях во время ходьбы.

Пример выполнения способа проиллюстрирован фигурами 2-7.

Приведенный пример свидетельствует о существенном преимуществе предлагаемого способа по сравнению с известными, что обусловлено возможностью получения информации о всей исследуемой поверхности туловища в процессе движения и возможностью определения трехмерных координат в любой точке исследуемой поверхности для каждого кадра. В сочетании с возможностью оперативной обработки полученных изображений это позволяет расширить область применения способа, обеспечить возможность визуализации процесса движения в его естественном виде и получения любой количественной информации в любом секторе исследуемой поверхности.

Таким образом, предлагаемый способ обладает более высокой пространственной и временной разрешающей способностью и точностью определения формы и положения туловища в пространстве, что обуславливает существенное повышение информативности способа и расширение области его применения. В предлагаемом способе точность количественной оценки ограничена в основном только шумами датчика блока регистрации и для современных видеокамер составляет 1/200-1/300 от ширины проецируемых полос. Кроме того, способ обладает высокой оперативностью определения формы туловища, что обусловлено использованием для проецирования структурированного изображения в виде параллельных эквидистантных полос.

Источники информации
1. Сарнадский В.Н., Садовой М.А., Фомичев Н.Г. Способ компьютерной оптической топографии тела человека и устройство для его осуществления. Евразийский патент 000111, МПК А 61 В 5/103.

2. Казьмин А.И., Кон И.И., Беленький В.Е. Сколиоз. - М.: Медицина, 1981.

3. Amico М.D., Roncoletta P. Biomechanical Analysis of the Spine During Walking. A pilot Study. In: Sevastic J.A. and Diab (Eds.). IOS Press - Technology and Informatics: Research into Spinal Deformities 1. Vol. 37 ISSN: 0926-9630, 1997, p. 161-164.

4. Asazuma Т., Suzuki N., Hirabayashi K. Analysis of human dynamic posture in normal and scoliotic patients. Proc. of III Int. Sym. Surface Topography and Spinal Deformity, Gustav Fisher Veriag, Stuttgrt, New York, 1986, p. 223-233.

Изобретение относится к области медицины. В способе определения формы и пространственной ориентации туловища во время ходьбы, при котором регистрируют кадры изображения поверхности туловища пациента во время ходьбы и по полученным кадрам изображения определяют значения заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища, предлагается во время ходьбы размещать человека на бегущей дорожке, а перед регистрацией кадров изображения проецировать на исследуемую поверхность туловища структурированное изображение преимущественно в виде оптически контрастных параллельных полос, при этом предлагается регистрировать непрерывно кадры изображения в цифровом виде с заданной скоростью, для каждого кадра восстанавливать трехмерную цифровую модель формы исследуемой поверхности туловища и по полученным моделям определять значения параметров формы и пространственной ориентации туловища. Перед регистрацией может быть проведена маркировка анатомических ориентиров исследуемой поверхности туловища путем нанесения маркеров, выполненных преимущественно из светоотражающей пленки, а в процессе регистрации дополнительно освещают маркеры. Способ повышает точность и оперативность определения формы тулвища человека во время ходьбы. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения формы и пространственной ориентации туловища человека во время ходьбы, при котором регистрируют кадры изображения поверхности туловища во время ходьбы и по полученным кадрам изображения определяют значения заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища, отличающийся тем, что во время ходьбы человека размещают на бегущей дорожке, а перед регистрацией кадров изображения проецируют на исследуемую поверхность туловища структурированное изображение, преимущественно, в виде оптически контрастных параллельных полос, при этом непрерывно регистрируют кадры изображения поверхности туловища в цифровом виде с заданной скоростью, для каждого кадра изображения восстанавливают трехмерную цифровую модель формы исследуемой поверхности туловища и по полученным моделям определяют значения параметров формы и пространственной ориентации туловища.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно перед регистрацией маркируют анатомические ориентиры исследуемой поверхности туловища человека путем нанесения маркеров, выполненных, преимущественно, из светоотражающей пленки, а в процессе регистрации дополнительно освещают маркеры.3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что регистрируют кадры изображения поверхности туловища при различных значениях скорости движения и/или при различных значениях угла наклона опорной поверхности бегущей дорожки.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительно определяют параметры, характеризующие положение нижних конечностей, такие, как состояние опоры нижних конечностей и/или фаза движения нижних конечностей, и с учетом положения нижних конечностей определяют значения заданных параметров формы и пространственной ориентации туловища во время ходьбы.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что регистрацию изображения поверхности туловища производят со скоростью не менее 25 кадров/с.