劉婷玉 高 志

(華東理工大學機械與動力工程學院 上海 200237)

基于激光掃描的醫(yī)用壓力襪推薦設備設計

劉婷玉 高 志*

(華東理工大學機械與動力工程學院 上海 200237)

醫(yī)用壓力襪是預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行腿部數(shù)據(jù)提取，從而推薦相應規(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，嚴重影響治療的效果。針對這種情況，提出了壓力襪推薦設備的設計方法，介紹了設備的測量原理，設計出控制系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、圖像采集模塊來實現(xiàn)快速腿部掃描，擴展壓力襪尺碼庫，設計襪型匹配模塊實現(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，即可短時間內(nèi)準確測量人體腿部尺寸，計算出所需壓力襪的尺碼。最后，對腿部進行實驗，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，已成為國內(nèi)外各制造業(yè)關注和研究的熱點。醫(yī)用壓力襪[1]能夠促進靜脈血液回流心臟，是一種有效預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用價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，嚴重影響治療效果。為提高治療效果，本文擴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)字圖像處理技術的不斷發(fā)展，三維掃描技術已廣泛應用于人體測量。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]將三維掃描技術應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。本文改進傳統(tǒng)的全周掃描儀，將三個激光器應用于掃描過程中，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)，激光掃描技術是目前三維掃描中應用非常廣泛的技術，根據(jù)被測物體表面點的三維坐標值、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。將激光掃描技術應用到人體腿部測量中，得到腿部的空間點云，即可在短時間內(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，配合步進電機高速掃描采集點云數(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，減少一個激光器可以提高激光線的重合精度，減少點云數(shù)據(jù)的重合區(qū)域從而提高計算機重建腿部模型的速度，此改進措施不僅節(jié)約了設備的成本，而且提高了系統(tǒng)的測量精度和運行速度。使用多CCD可消除遮擋造成的點云缺失，量測出被測物體的全部輪廓，因此研究使用四個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CCD的圖像。

基于以上原理，單片機編程使得步進電機驅(qū)動絲杠，通過線性滑軌使裝有激光器和CCD的平臺上下移動，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，實現(xiàn)四個CCD的同步取像，從而獲得腿部各部位的高度變化，并在短時間內(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)實現(xiàn)點云數(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，設定該坐標面為XOZ面，前后CCD視野中心軸與XOZ面同樣成45°放置，三個激光器等距分布，夾角均為120°。以腳踝部為原點設置移動平臺的初始位置，使得四個CCD和三個激光器沿著Y軸正方向以相同速度同步移動。三條激光線聚集于腿部形成一個類似圓的封閉曲線，同時，四個CCD同步拍攝封閉曲線的部分圖像，通過點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現(xiàn)方法

系統(tǒng)標定[8-9]后，激光條紋中心提取的精度決定了腿部點云數(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)點進行二階擬合，二次函數(shù)為：

y=ax2+bx+c

(1)

任一點(x0,y0)處的斜率為t=2ax0+b，則t=0時，法線方向為y軸方向；t≠0時，法線方向的斜率為n=-1/t。在光帶骨架上各點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)點進行迭代，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確去除雜點，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)，其原理為步進電機驅(qū)動絲杠。通過線性滑軌使得平臺上下移動，利用CCD(四個)和激光器(三個)進行快速腿部掃描。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，得到腿部的空間點云，即可在短時間內(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)結構圖。

圖3 硬件系統(tǒng)結構圖

3.2 軟件系統(tǒng)

醫(yī)用壓力襪定制設備的軟件系統(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)主要包括三個部分，即步進電機控制模塊、圖像采集處理模塊和人機交互模塊。

步進電機驅(qū)動程序模塊主要實現(xiàn)電機復位停止以及驅(qū)動平臺的位移控制等，采用單片機來控制步進電機繞組電流的大小和方向[13]；圖像采集處理模塊完成CCD的設置，采集傳輸激光掃描圖，處理腿部點云數(shù)據(jù)以及提取腿部特征參數(shù)；人機交互模塊是軟件設計的核心，響應各種對話框以及菜單事件，實現(xiàn)操作者的指令，完成整個測量過程的控制和測量結果的顯示。人機交互模塊以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)提取以及生成報告四個按鈕。

圖4 硬件系統(tǒng)結構圖

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和高度指標來對腿型進行分類，總共得到300個號型系列，其中豐滿指標為大腿圍度、大腿膝蓋圍差等，高度指標為大腿根高、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為設備軟件整體工作流程。

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

4 實驗與誤差分析

4.1 測量實驗

研究對一假腿模型進行測量實驗，圖像經(jīng)過標定、濾除噪聲點、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，實驗結果，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告

4.2 誤差分析

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

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗驗證結果 mm

為了驗證三維測量系統(tǒng)的精度，研究利用三坐標測量機測量假腿輪廓尺寸，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量測的腿部各個尺寸的誤差均在±0.3 mm之內(nèi)，精度達到要求。

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗驗證結果 mm

將三維激光掃描得到的腿部特征參數(shù)的準確尺寸導入至號型推薦系統(tǒng)中，基于最近鄰法則推薦合適的壓力襪尺碼。表3為一組實驗者的推薦結果。病人穿上實驗推薦的壓力襪，經(jīng)醫(yī)學設備測試后發(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驗結果

5 結 語

醫(yī)用壓力襪推薦設備是一個光、機、電、算相結合的一體化系統(tǒng)。三維測量系統(tǒng)以激光掃描作為系統(tǒng)的開發(fā)基礎，根據(jù)人體腿部的特點，采用三個激光器和四個CCD特定的架構方式，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，提高了點云數(shù)據(jù)的精度。襪型匹配系統(tǒng)將原有的3個壓力襪號型擴展至300個號型，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。該設備可在10 s內(nèi)完成測量過程，最大測量高度可達1000 mm，通過自行開發(fā)的軟件進行數(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和醫(yī)學領域相結合。

[1] 關紅濤.醫(yī)用壓力襪紡織結構及其力學性能研究[D].上海:東華大學,2014.

[2] Rastel D.Treatment by medical compression stockings among 144 consecutive patients with non-complicated primary varicose veins:Results on compliance[J].Journal des Maladies Vasculaires,2014,39(6):389-393.

[3] Bruniaux P,Crepin D,Lun B,et al.Modeling the mechanics of a medical compression stocking through its components behavior:Part 1-modeling at the yarn scale[J].Textile Research Journal,2012,82(18):1833-1845.

[4] Kovacs L,Zimmermann A,Brockmann G,et al.Three-dimensional recording of the human face with a 3D laser scanner[J].Journal of Plastic,Reconstructive & Aesthetic Surgery,2006,59(11):1193-1202.

[5] 孔維敬,吳祿慎.基于激光掃描的足部三維測量儀設計[J].機械設計與制造,2009(3):217-219.

[6] 黃承亮.三維激光掃描技術在人體三維建模中的應用研究[J].測繪,2013,36(1):13-15,22.

[7] 朱洲,李德華,關景火,等.基于結構光的三維全身人體掃描儀[J].華中科技大學學報(自然科學版),2004,32(10):7-9.

[8] 汪霖,曹建福,韓崇昭.基于空間球的三維激光掃描儀標定算法[J].西安交通大學學報,2013,47(4):79-85.

[9]DunkerT,LutherS.Calibrationofaninfrared3dscanner[J].tm-TechnischesMessen/Sensoren,Ger?te,Systeme,2014,81(1):8-15.

[10]SubbaraoM,ChoiT.Accuraterecoveryofthree-dimensionalshapefromimagefocus[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,1995,17(3):266-274.

[11] 吳慶陽,蘇顯渝,李景鎮(zhèn),等.一種新的線結構光光帶中心提取算法[J].四川大學學報(工程科學版),2007,39(4):151-155.

[12] 高世一,楊凱珍.變邊限高斯擬合提取激光條紋中心線方法的研究[J].儀器儀表學報,2011,32(5):1132-1137.

[13] 趙瑞林.基于單片機控制步進電機恒變速系統(tǒng)的設計[J].計算技術與自動化,2013,32(3):37-40.

[14] 劉增軍,向為,孫廣富.基于ADO的數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術研究[J].科學技術與工程,2007,7(5):747-752.

[15] 謝季堅,劉承平.模糊數(shù)學方法及其應用[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.

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，主研領域：圖像處理，機電一體化。高志，教授。

TP23

A

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