УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
DEVICE FOR ANTHROPOMETRIC MEASUREMENTS

Изобретение относится к медицине, в частности к области диагностики наследственной патологии соединительной ткани и клинике внутренних болезней, ортопедии и другим областям медицины, в которых диагностика и оценка динамики развития заболевания требует измерения размеров фигуры тела пациента и расчета основанных на них критериев.
Известны устройства, используемые в ортопедии для определения линейных, угловых и производных от них размеров фигуры тела человека и их соотношений. В частности, с этой целью используются ростомеры (http://www.medstal.ru/tovar/rostomer/) и такие механические инструменты, как антропометрический штангенциркуль для измерения проекционных размеров, толстотный циркуль для измерения прямых диаметров, специальные линейки для измерения признаков, характеризующих осанку (http://window.edu.ru/window_catalog/files/r18548/Mtdtlp7.pdf), а также устройство для бесконтактного снятия проекционных антропометрических размеров с помощью лазерного излучателя, закрепленного на линейках кульмана, которые при перемещении указки и проецирования ее луча на антропометрические точки фигуры смещаются вдоль кульмана и таким образом позволяют бесконтактно определить расстояние между этими точками (описание изобретения к патенту RU 2251382 С1, опубл. 10.05.2005, бюлл. №13).
Однако подобные механические устройства не позволяют проводить доказательные антропометрические обследования, так как их результаты регистрируются простой записью данных и могут быть проверены только посредством повторения обследования, причем в тот период, пока фигура пациента не изменилась. Кроме того, измерение таким способом большого перечня параметров и расчет по ним производных антропометрических индексов требует много времени. Все это ограничивает возможность проведения массовых обследований и оценку возрастных или патологических изменений антропометрических признаков.
Одним из аналогов предлагаемого устройства является оптико-топографическая установка для обследования дорсальной поверхности туловища пациентов с целью диагностики деформации позвоночника и нарушений осанки (http://www.metos.org/tochnical.php). Устройство включает компьютер, телевизионную камеру, слайд-проектор, осветитель светоотражающих маркеров для указания анатомических ориентиров туловища.
При обследовании на тело пациента наклеивают светоотражательные маркеры. Пациент устанавливается на определенной дистанции от ТВ-камеры. В затемненном помещении на его тело проецируется под заданным углом система вертикальных оптически контрастных параллельных полос с прецизионного растра на стеклянной подложке. Полосы на теле пациента деформируются в соответствии с рельефом этой поверхности. Изображение полос с помощью ТВ-камеры вводится в компьютер, где посредством специальных алгоритмов по нему в каждой точке исходного снимка восстанавливается подобная слепку цифровая модель поверхности. По этой модели, с использованием выделенных на ней анатомических ориентиров костных структур, строятся выходные формы топографических результатов обследования, описывающие состояние дорсальной поверхности туловища и формы позвоночника пациента в трех плоскостях: фронтальной, горизонтальной, сагиттальной.
Недостатком устройства является необходимость проведения исследования в значительно затемненном помещении для обеспечения достаточной контрастности оптических полос, генерируемых с прецизионного растра. Такой режим работы негативно сказывается на зрении и внимательности врача - оператора комплекса, утомляет его и отрицательно сказывается на точности диагностики.
Другим недостатком является невозможность точного измерения большинства из антропометрических параметров. Причиной этого является то, что проецируемые на тело пациента полосы генерируются пучком света, исходящим из одной точки и проходящим через дифракционную решетку. Эти полосы не могут быть использованы для калибровки и коррекции искажаемого при телесъемке изображения фигуры. Ширина их на поверхности фигуры меняется в зависимости от ее расстояния до точки, из которой исходят генерирующий их луч, т.е. до источника света. В свою очередь, это расстояние меняется непредсказуемым образом, так как тело человека не является плоской фигурой. Поэтому данное устройство позволяет точно определять параметры фигуры, характеризующие преимущественно симметрию/асимметрию правой и левой части фигуры, но оно не позволяет выполнять измерение большинства из антропометрических параметров.
Известно устройство для снятия размерных признаков методом фотограмметрии (авторы Карабанова Н.Ю., Волкова В.М., Смирнова Л.М., Романов В.В., патент на полезную модель RU №42157 U1, регистрационный номер заявки 2004120147, приоритет 05.07.2004, дата публикации 27.11.2004, Бюл. №33).
Комплекс включает: компьютер; цифровую фотокамеру, установленную на фотоштативе и снабженную средством настройки направления оптической оси, выполненным из лазерного визира, закрепленного на объективе фотокамеры; масштабную рамку с нивелирными разметками и шторой-экраном с нивелирным перекрестием; коврик из теплоизоляционного материала и разметкой для установки стоп пациента симметрично относительно вертикальной линии нивелира на шторе-экране.
При организации рабочего места фотоаппарат ориентируют с помощью лазерного визира так, чтобы его оптическая ось была направлена на перекрестие шторы-экрана. Для съемки пациента устанавливают стоя на коврике с ориентацией стоп согласно с имеющимися на нем разметками. Съемка фигуры пациента производится цифровой фотокамерой поочередно с разных сторон, например спереди, справа, сзади, слева. Для этого пациент меняет положение, поворачиваясь относительно предыдущего положения на 90 градусов. Изображение фигуры пациента, после передачи его в компьютер, обрабатывается с помощью программного обеспечения. При фотосъемке наблюдаются искажения изображения фигуры из-за параллакса (изменения видимого положения объекта относительно удаленного фона в зависимости от расстояния до объектива) и сферических искажений, связанных со свойствами линзы. Поэтому с помощью прикладного программного обеспечения изображения обрабатываются для минимизации имеющихся искажений. При этом для определения истинных размеров на изображении в качестве эталона используется отображение масштабной рамки со шторой-экраном, на фоне которой было произведено фотографирование пациента и которая видна на изображении с его фигурой. Далее по откорректированному изображению определяются линейные и угловые размеры и их соотношения, которые используются для определения размерных признаков и дефектов фигуры обследуемого.
Недостатком этого устройства является низкая точность измерений. Одной из причин этого является то, что при поворотах пациента для съемки его с очередной стороны может непроизвольно измениться его поза. Поэтому полученные в разных проекциях изображения фигуры не могут быть однозначно сопоставлены для определения пространственных координат точек поверхности тела. Это приводит к увеличению погрешности измерения тех линейных размеров фигуры, которые определяются точками, лежащими не в общей плоскости, перпендикулярной оптической оси фотокамеры, так как для определения расстояния между такими точками требуется сопоставление проекций фигуры на две взаимно перпендикулярные плоскости.
Кроме того, данное устройство не позволяет регистрировать изображения фигуры сверху. Поэтому координаты некоторых идентификационных точек или линий тела, хорошо видимых при рассмотрении фигуры сверху, при работе с данным устройством приходится определять по фронтальным и сагиттальным изображениям, где эти точки плохо видны. В частности, это относится к точкам и линиям, расположенным на верхней поверхности плеч.
Еще одной причиной снижения точности измерения является то, что использование рамки и шторы-экрана с нивелирами для масштабирования полученного изображения (с целью минимизации искажения фигуры вследствие параллакса) позволяет не одинаково точно корригировать координаты точек фигуры, находящихся на разном расстоянии от плоскости, в которой расположена система нивелиров (стр.93, «Справочник конструктора оптико-механических приборов». В.А.Панов, М.Я.Кругер, В.В.Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А.Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 742 с., ил.).
Аналогичными недостатками обладает устройство, которое представлено в описание изобретения к патенту RU 2264768 С1 «Способ бесконтактного измерения прямых линейных размерных признаков фигуры человека» (заявка 2004120566/12, опубл. 27.11.2005, Бюл.33).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровой фотометрический аппаратно-программный комплекс «ПлантоВизор Синди Грация 2007» (http://plantovizor.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=5&Itemid=5), выбранный нами в качестве прототипа.
Данное устройство содержит компьютер, подиум, позиционный модуль, на который устанавливают пациента, и закрепленную на штативе многофункциональную цифровую фотовидеокамеру со встроенным аккумулятором, адаптером и дистанционным управлением с пульта. Объектив камеры ориентируется перпендикулярно фронтальной плоскости с помощью лазерного корректора, представляющего собой устройство типа лазерного визира. Фото- или видеосъемка изображения фигуры пациента проводится на фоне экрана, на котором отмечены вертикальная и горизонтальная координатные оси.
В данном устройстве ввод изображения фигуры пациента производится последовательно во фронтальной и сагиттальной плоскостях (например, спереди, справа, сзади, слева). Для минимизации изменения позы пациента при фотосъемке в этих плоскостях используется его поворот на 90 градусов вращением позиционного модуля, управляемого через редукторный привод.
После передачи в компьютер изображение фигуры пациента обрабатывается с помощью программного обеспечения для определения линейных и угловых размеров и их соотношений, которые используются в ортопедии.
Недостатком устройства является низкая точность, что вызвано следующими причинами.
Несмотря на то, что для поворотов пациента используется позиционный модуль, он не исключает возможности непроизвольного изменения позы пациента между моментами съемки его во фронтальной и сагиттальной плоскостях. Следовательно, полученные в разных проекциях изображения фигуры не могут быть однозначно сопоставлены для определения пространственных координат точек поверхности тела. Это приводит, как и в предыдущем аналоге, к увеличению погрешности измерения тех линейных размеров фигуры, которые определяются точками, лежащими не в общей плоскости перпендикулярной оптической оси фотокамеры: чтобы определить расстояние между такими точками, нужно сопоставить их проекцию на две взаимно перпендикулярные плоскости.
Кроме того, устройство, как и предыдущий аналог, не позволяет съем пациента сверху. Поэтому координаты некоторых точек и линий тела, хорошо видимых при рассмотрении фигуры сверху, приходится определять по фронтальным и сагиттальным изображениям, где эти точки видны хуже, что вызывает погрешности определения их координат.
Как уже было отмечено для предыдущего устройства, так и в этом устройстве для масштабирования введенного в компьютер изображения с целью минимизации его искажения используется расположенный за пациентом экран с нивелирами. Однако этот метод вследствие параллакса не позволяет одинаково точно корригировать координаты точек фигуры, находящихся на разном расстоянии от плоскости, в которой расположена система нивелиров.
Изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения антропометрических параметров.
Решение поставленной задачи достигается в устройстве для антропометрических измерений, содержащем подиум с разметкой для ног, устройство регистрации изображения пациента, персональный компьютер, который дополнительно содержит установленные с четырех сторон системы с источниками когерентного излучения, генерирующие оптически контрастные ортогонально направленные световые полосы на теле пациента, при этом устройство регистрации пациента состоит из 5 цифровых камер, системы с источниками когерентного излучения, объективы камер установлены так, что их оптические оси пересекаются в одной точке, лежащей на вертикальной линии, восстановленной от центра подиума, камеры функционально связаны между собой через компьютер для обеспечения управления и синхронной регистрации изображения фигуры пациента спереди, сзади, слева, справа, сверху.
Система координат представляет собой сетку из оптически контрастных полос, расстояние между которыми на теле пациента не зависит от удаленности поверхности тела от устройства. Это устройство может быть изготовлено, например, на основе нескольких световых лазеров, расположенных друг относительно друга определенным образом.
Положительный эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерения размеров фигуры тела пациента и, следовательно, ее антропометрических параметров и достоверности диагностики заболеваний, для которых характерно определенное сочетание антропометрических признаков, их отклонения от среднестатистической нормы по популяции. Это, в свою очередь, повышает возможности назначения каждому конкретному пациенту адекватных и своевременных профилактических или лечебных мероприятий для предотвращения или снижения тяжести проявления этих заболеваний. Таким образом, достигается положительный социальный, а если учитывать затраты на лечение последствий заболеваний, то и экономический эффект от использования предлагаемого устройства.
Использование в устройстве одновременно 5-ти цифровых камер, установленных так, что их оптические оси расположены перпендикулярно к фронтальной, сагиттальной и трансверсальной плоскостям, позволяет проводить синхронную регистрацию изображения фигуры пациента в этих трех плоскостях: спереди, сзади, слева, справа, сверху. Это обеспечивает получение изображений, сопоставлением которых можно определить пространственные координаты точек поверхности фигуры и расстояния между ними.
Использование устройства, генерирующего оптически контрастные ортогонально направленные световые полосы, на основе оптических лазеров позволяет генерировать на теле человека оптически контрастные вертикальные и горизонтальные полосы, образующие сетку. Эти полосы видны в незатемненном помещении, и расстояния между линиями этой сетки непосредственно на поверхности тела пациента остаются неизменными вне зависимости от расстояния этих поверхностей до объективов. Расстояния между узловыми точками этой сетки известны, так как они соответствуют шагу установки источников когерентного излучения, и поэтому они могут использоваться в качестве эталонных для расчета координат антропометрических точек и антропометрических размеров. Таким образом удается снизить погрешности изображения, являющиеся следствием параллакса и сферических искажений, связанных со свойствами линзы. Это принципиально положительно отличает предлагаемое устройство от аналогов. Уменьшением расстояния между линиями достигаются лучшие условия для повышения точности измерений.
Сущность изобретения поясняется двумя чертежами.
На фиг.1 приведена схема расположения регистрирующих устройств для фиксации изображений фигуры пациента. Входящие в его состав пять цифровых камер (1-5) для регистрации изображения фигуры пациента (6) установлены на каркасе (7) таким образом, чтобы регистрировать фигуру пациента с пяти сторон - спереди, сзади, слева, справа, сверху. В качестве регистрирующих устройств могут использоваться различные модели цифровых фото-, видео- или web-камер, например Canon EOS D60 («Canon», Япония). Посередине основания каркаса имеется подиум (8) с разметкой опорного контура для установки стоп пациента. Комплект регистрирующих устройств - цифровых камер подключен к персональному компьютеру (9) и управляется от него. На каркасе также установлены с четырех сторон системы (10-13) с источниками когерентного излучения (фиг.2). Каждый из источников за счет специальных оптических линз генерирует развертку луча в виде 2-х взаимно перпендикулярных плоскостей - вертикальной и горизонтальной. В качестве источников этих лучей используются лазерные построители плоскостей, например PLS2 («Pacific Laser System», США). Количество источников и соответственно шаг между ними определяется желаемой разрешающей способностью измерения. Чем больше источников, тем точнее будет измерение. Мы считаем, что с учетом рельефа человеческого тела их достаточно будет столько, чтобы они создавали линии через 10 сантиметров. В частности, для охвата площади 260×260 см должно быть по 27 источников с каждой из четырех сторон.
Эти источники генерируют оптически контрастные вертикальную и горизонтальную линии на объекте, установленном в центре подиума. Так как эти линии создаются лучом, расходящимся только в одной плоскости, то расстояние между линиями сетки на теле пациента не зависит от расстояния до генерирующего их источника и равняется расстоянию между создающими их источниками. Поэтому на теле пациента с помощью источника, расположенного спереди от пациента, создаются линии, являющиеся прямыми в проекции на фронтальную плоскость. Подобно этому, источником, расположенным сбоку, создаются линии - прямые в проекции на сагиттальную плоскость.
Устройство используется следующим образом (фиг.2). Пациента (6) устанавливают на подиум (8) в соответствующей методике позе. Командой от компьютера (9) включаются синхронно система источников (10) и камера (1), установленные спереди, а также камера (5), установленная сверху, и производится регистрация по одному кадру каждой из этих камер с изображением фигуры пациента соответственно спереди и сверху с отображаемой на ней контрастной сеткой. С выключением этих устройств автоматически включается система источников (11) и камера (2), установленные сзади, и опять же камера (5), установленная сверху, после регистрации одного кадра они отключаются; далее аналогично - система источников (12) и камера (3), установленные слева, а также камера (5), установленная сверху. Затем - система источников (13) и камера (4), установленные справа, и камера (5), установленная сверху. Таким образом происходит регистрация изображения фигуры пациента с 5-ти сторон с отображенной на ней сеткой оптически контрастных полос. (В принципе, порядок включения камер (1-4) и соответствующих им источников излучения может быть любой). Так как системы с источниками излучения, генерирующие сетку на фигуре, срабатывают последовательно по отношению друг к другу и одновременно по отношению к соответствующим им камерам, то на оцифрованном изображении фигуры отображается контрастная сетка только от одной системы источников. Изображения отображаются на мониторе компьютера. При этом для вида фигуры пациента спереди, сзади, справа и слева получается по одному изображению, каждому из которых соответствует одно из четырех изображений вида сверху. Такое количество изображений фигуры сверху, избыточное в отношении определения пространственных координат антропометрических точек, используется для дополнительного контроля ортогональности расположения устройств, регистрирующих изображения фигуры, и систем, генерирующих на ней сетку. Для данного контроля все изображения фигуры сверху накладываются друг на друга. В случае правильного расположения всех устройств системы наблюдается совпадение линий контрастной сетки, создаваемой источниками, расположенными в различных плоскостях.
Далее посредством специального программного обеспечения производится определение искомых размеров фигуры в проекции на ортогональные плоскости. При этом истинные координаты антропометрических точек в пространстве определяются по их отображению в трех проекциях, на которых они видны, и с учетом известных координат сетки на поверхности тела пациента, которые соответствуют координатам источников, генерирующих эту сетку. Далее по этим координатам по законам тригонометрии рассчитывают расстояния между антропометрическими точками и определяют таким образом антропометрические данные, а по ним рассчитываются антропометрические индексы и критерии.
Для оценки эффективности устройства с предложенным в заявке техническим решением был изготовлен его макет, а также макет, в котором использовалось техническое решение, соответствующее прототипу. Посредством каждого из этих макетов осуществлялась регистрация изображений объекта - конуса, выполненного из листа картона. Эти стендовые испытания показали, что использование лазерных полос на теле (предлагаемое решение) позволяет повысить точность измерения в 2,3 раза по сравнению с использованием одной рамки-экрана (решения прототипа). Кроме того, была проведена регистрация изображений фигуры 7-ми пациентов. Результаты показали, что предлагаемое устройство позволяет в среднем на 40% увеличить точность измерений между точками, лежащими на передней и боковой поверхности фигуры.