УСТАНОВКА ДЛЯ ВОССОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Установка для воссоздания трёхмерной новерхностн тела
Полезная модель относится к медицине, в частности к устройствам, предназначенным для воспроизведения и регистрации трёхмерной поверхности тела человека, используемых, например, при диагностике заболеваний позвоночника при его деформациях. Полезная модель может быть использована в ортопедии, травматологии, реабилитации, при проведении массовых профилактических осмотрах в стационарных условиях или в режиме скрининга на выезде.
Известна установка для реализации метода бесконтактного воспроизведения и регистрации формы туловища человека, так называемого метода муаровой топографии (Takasaki ,1970: Inoue et al. ,1977; Pope et al.,1978; Suzuki, 1979; Kamal et al.,1981). Это устройство позволяет практически мгновенно зарегистрировать графическое представление формы обследуемой поверхности в целом в виде линий равного уровня, подобно топографическим картам. Однако использование этого устройства при диагностике заболеваний позвоночника связано с большой трудоемкостью обработки муаровых топограмм, т.к. диагностика по таким топограммам основана на визуальном их анализе.
Известна топографическая система ISIS предназначенная для сканирования обследуемой поверхности спины пациента. Эта система включает миникомпьютер и оптический сканер, состоящий из проектора и ТВ камеры с взаимной ориентацией, позволяющий сканеру поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси ТВ камеры. ТВ-камера фиксирует изображение светлой прямой линии, форма которой принимает вид профиля горизонтального сечения поверхности спины, при этом проектор и ТВ-камера установлены так, что их оптические оси пересекаются. Изображение деформированной линии с помощью ТВ камеры вводится в миникомпьютер, который вьщеляет эту линию и по координатам ее точек с  известной ориентации сканера рассчитывает трехмерные координаты соответствующих
МКИ7 A61b, 5/103
человека
точек поверхности. Последовательно меняя угол наклона сканера, вводится серия (50-100) изображений линии и по совокупности найденных точек путем интерполяции восстанавливается вся поверхность в целом. (Csongradi I., Jefiferson R ,Furaer-Smith A.R. Predictive valie of surfece topography in the management of scoliosis/ Surface topography and spinal defrmity, Stuttgart, New York, 1987, P21-28
Недостатком этого устройства сложность оборудования и значительная длительность съемки пациентов (2-5 сек.). Удержание неподвижной позы в течение столь длительного промежутка времени трудно выполнимая задача, особенно для детей младшего возраста, а непроизвольные движения туловища в момент сканирования приводят к потере точности восстановления ею формы.
Наиболее близким аналогом является устройство для воссоздания и регистрации трёхмерной поверхности тела человека , основанное на проецировании светлых и тёмных вертикально ориентированных полос одинаковой ширины на тело человека и эталонную плоскость и фиксирование полученной на теле человека топограммы (Новосибирский НИИ травматологии и ортопедии. Пособие для врачей «Мониторинг детской и подростковой патологии позвоночника методом компьютерной оптической топографии, 1997г., стр. 8-16). Устройство содержит проектор и ТВ-камеру, расположенные горизонтально и смонтированные на одной стойке, имеющей механизмы для их точной юстировки, при этом оптические оси проектора и ТВ-камеры пересекаются и лежат в одной горизонтальной плоскости. Проецирование светлых и тёмных полос осуществляется с помощью слайдов на обследуемую поверхность пациента, находящегося перед эталонной поверхностью, в виде вертикально ориентированного непрозрачного экрана, при этом проектор расположен сбоку а ТВ-камера по нормали к эталонной плоскости. В зависимости от антропологических характеристик пациента (его роста) положение эталонной плоскости регулируется путём перемещения экрана по специальным рельсам вдоль оптической оси ТВ-камеры. На основании эталонной плоскости смонтирована подставка для размещения пациента, которая перемещается совместно с эталонной плоскостью. сложность конструкции, ограничивающая использование устройства для воссоздания трёхмерной поверхности тела при диагностике, проводимой в режиме скрининга - на выезде; длительность настройки аппаратуры, т.к. воссоздание трёхмерной формы тела в виде топограммы обследуемого человека возможно только при расположении точки пересечения оптических осей в эталонной плоскости, материально реализуемой в виде экрана, расположенного за обследуемым человеком, и не совпадающей с условной фронтальной плоскостью, проходящей через позвоночник человека.; выполнение механизма регулирования расстояния между эталонной плоскостью с обследуемым и места размещения проектора и ТВ-камеры в виде специальной стойки и направляющих в виде специальных рельс для перемещения эталонной плоскости и установочного места обследуемого человека на расстояние, зависящее от антропологических данных (роста) последнего, усложняет и удлиняет процесс настройки устройства и предъявляет специальные требования к качеству пола в помещении, предназначенном для проведения обследования к качеству пола в помещении, предназначенном для проведения обследования; наличие точно фиксируемых позиций для размещения обследуемого человека ( в количестве пяпги), требующих каждый раз настройки оптической системы. оптическая схема требует обязательного затемнения помещения при его работе; конструкция устройства не позво.ш1ет обследовать состояние нижних и верхних конечностей. Задача, на решение которой направлена полезная модель: повыщение точности воссоздания и регистрации трёхмерной поверхности тела человека, что необходимо для повышения точности диагностики деформации позвоночника человека, -упрощение системы настройки оборудования,
Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели.
упрощение конструкции т.к. проецирование и фиксирование производится при перекрещивающихся (а не пересекающихся) оптических осях проектора и фиксирующего устройства, что расширяет возможности и упрощает процесс воссоздания трёхмерной поверхности,
повышение точности воссоздания и регистрации трёхмерной поверхности тела человека,
расширение функциональных возможностей за счёт воссоздания трёхмерной поверхности верхних и нижних конечностей,
сокращение времени настройки установки в реальных условиях эксплуатации,
сокращение времени проведения конкретного обследования.
Поставленная задача решается тем, что в установке для воссоздания трёхмерной поверхности тела человека, содержащей проектор для проецирования регулярной геометрической структуры на тело человека и устройство фиксирования картины искажений геометрической структуры, компьютер для приёма и обработки поступающей из фиксирующего устройства информации и воссоздания обследуемой трёхмерной поверхности, проектор и фиксирующее устройство установлены друг относительно друга с перекрещиванием их
оптических осей, вертикальная плоскость, проходящая через оптическую ось
фиксирующего устройства наклонена к плоскости, совпадающей с условной, проходящей через позвоночник обследуемого человека, фронтальной плоскостью, а поле проецирования проектора и поле зрения фиксирующего устройства в плоскости, совпадающей с условной фронтальной плоскостью, вмещают условного обследуемого с максимально возможными антропологическими признаками, при этом величина угла наклона вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось фиксирующего устройства по отношению к плоскости, совпадающей с условной фронтальной плоскостью, в зависимости от удаления этой плоскости от фиксирующего устройства находится в пределах от 45° до 90°, а если проектор и фиксирующее устройство
расположены так, что, если оптические оси проектора и фиксирующего устройства перекрещиваются в одной плоскости, то последняя наклонена к горизонтали и величина угла наклона, в зависимости от антропологических признаков обследуемого человека, находится в пределах от 1° до 89
Поставленная задача рещается также тем, что установка снабжена плоскостным и объёмным тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации, при этом объёмный тест-объект выполнен в виде двух прямоугольнък планщегов, смонтированных один горизонтально, второй под фиксированным углом к первому и ориентированных наружной наклонной поверхностью к проектору и фиксирующему устройству, при этом угол наклона выбирается в пределах от 30 до 60 градусов, в качестве плоскостного тест-объекта используется строительный уровень, а в качестве фиксирующего устройства используется цветной цифровой фотоаппарат высокого разрещения
Перечень фигур чертежей и иных материалов:
На фиг. 1 представлен общий вид установки для реализации способа (вид в
плане),
на фиг. 2 - структурная схема установки,
на фиг.З - схема настройки опгической системы установки с использованием
плоскостного тест- объекта,
на фиг. 4 - схема настройки оптической системы установки с использованием
объёмного тест- объекта,
на фиг. 5 - схема установки в изометрии,
на фиг. 6-8 - варианты исполнения сетчатой регулярной структуры.
Установка для воссоздания трёхмерной поверхности тела человека содержит проектор 1(фиг ) для проецирования регулярной геометрической сетчатой структуры 2 на тело обследуемого человека 3, фиксирующее устройство 4 для фиксирования картины искажений сетчатой структуры, экран 5, являющийся фотографическим фоном, подставку 6 для размещения
приёма и обработки поступающей из фиксирующего устройства 4 информащ1и и воссоздания и регистрации трёхмерной формы обследуемой поверхности тела 3, соединённый через щину связи 8 с фиксирующим устройством 4.
Проектор 1 и фиксирующее устройство 4, установлены друг относительно друга с перекрещиванием оптической оси проектора 9(фиг. 1,2) и оптической оси фиксирующего устройства 10, при этом эти оптические оси могут не пересекаться в одной плоскости, но их проекции на горизонтальную плоскость составляют угол Z а, находящийся в пределах от 5° до 40° в зависимости от поля зрения фиксирующего устройства и поля проецирования проектора.
Фиксирующее устройство 4 смонтировано так, что вертикальная плоскость И (фиг. 5), проходящая через его оптическую ось 10 расположена под углом zp к плоскости 12, совпадающей с условной плоскостью фронтального сечения позвоночника обследуемого человека 3. Угол ZP находится в пределах от 45° до 90°, в зависимости от величины удаления фронтальной плоскости от фиксирующего устройства
Взаимное расположение проектора 1 и фиксирующего устройства 4 выбрано таким, чтобы, соответственно, поле проещфования и поле зрения в плоскости 12 вмещало условного обследуемого с максимально возможными антропологическими признаками, например с ростом 2400мм.
При этом, если в частном случае из-за антропологических признаков обследуемого человека, взаимное расположение проектора 1 и фиксирующего устройства 4 выбрано таким, что их оптические оси перекрещиваются и пересекаются, то условная плоскость 13, в которой они расположены, наклонена к горизонтальной плоскости 14 под углом Zy, находящемся в пределах от 1° до 89°
В качестве фиксирующего устройства 4 используется цветной цифровой фотоаппарат высокого разрещения.
Установка снабжена плоскостным 15(фигЗ) и объёмным 16{фиг.4) тестобъектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации . Объёмный тест-объект 16 выполнен в виде прямоугольных планщетов 17, 18, смонтированных:17 - горизонтально, 18 - под
наружной наклонной поверхностью к проектору 1 н фиксирующему устройству 4. Угол наклона планшета 18 выбирается в пределах от 30 до 60 градусов. В качестве плоскостного тест-объекта 15 используется строительный уровень. При корректировке оптической системы установки тест - объекты монтируются на подставке 19.
Воссоздание трёхмерной поверхности тела человека с помощью установки осуществляется следующим образом:
В помещении, имеющем обьмный пол и не имеющем затемнения от дневного света, располагают установку. Устанавливают стационарно экран 5 и подставку 6. Устанавливают фиксирующее устройство 4 так, что бы в кадре устройства уместился расположившийся на подставке 6 человек 3 с максимально высокий ростом (« 2400мм), а проектор 1 - на расстоянии, обеспечивающем резкое изображение сетчатой регулярной структуры 2 на поверхности тела обследуемого человека 3, при этом оптические оси проектора 9 фиксирующего устройства 10 перекрещиваются , при этом угол Z а их проекции на горизонтальную плоскость определяется в зависимости от поля зрения фиксирующего устройства и поля проецирования проектора в конкретных условиях работы но не менее 5 и не более 40 градусов, а угол наклона zp условной вертикальной плоскости 11, проходящей через оптическую ось 10 фиксирующего устройства 4 к плоскости условной 12, совпадающей с условной плоскостью фронтального сечения позвоночника обследуемого человека 3 определяется в зависимости от удаления этой плоскости от фиксирующего устройства также в конкретных условиях работы и не менее 1 и не более 89 градусов.
Угол наклона Zy условной плоскости 13, в которой расположены перекрещивающиеся оптические оси 9 и 10 проектора 1 и фиксирующего устройства 4, к горизонтальной плоскости произвольно располагается в пределах 1 ч- 89°.
С помощью тест-объектов 15 и 16, смонтированных на подставке 19 и подставке для обследуемого 6 определяют параметры плоскостных и объёмных искажений фиксирующего устройства 4 и формируют корректирующие ч коэффициенты, так называемый профиль оптической системы для конкретной настройки установки. Человека располагают на подставке 6 спиной к проектору 1 и фиксирующему устройству4. Проецируют на его спину сетчатую структуру 2 в виде периодически повторяющихся кругов квадратов, треугольников и/или их элементов, исполненных в любом сочетании. Фиксируют устройством 4 полученную картину геометрических искажений координат точек, составляющих проецируемую сетчатую структуру, с шагом дискретизации, равным единице разрешения фиксирующего устройства 4. Через шину связи 8 первоначальная информация поступает в компьютер 7 для интерполяции результата по определённым математическим алгоритмам для визуального воссоздания трёхмерной формы обследуемой поверхности тела, которая выводится на экран монитора 20. По изображению на экране монитора врач может производить диагностику, при которой по взаиморасположению функциональных точек на теле, расстояниям и углам между ними делаются выводы о нарушениях осанки пациента. Программа компьютера 7 предназначена также для фиксации формализованных заключений и рекомендаций, формирования индивидуальных и статистических отчетов и хранения всей информации в базе данных. С помошью мыши 21 и клавиатуры 22 в компьютер вводятся необходимые данные об обследуемом человеке. Принтер 23 предназначен для распечатки отчетов. Пример конкретного исполнения установки для воссоздания трёхмерной поверхности тела человека. Установка содержит диапроектор 1 со световым потоком не менее 600 лм и с установленным слайдом 50x50 мм, на котором изображена штриховая или сетчатая мира 2 с шагом: три линии на один миллиметр, для проецирования регулярной геометрической сетчатой структуры на тело обследуемого человека 3, цифровую фотокамеру 4 с разрешением не менее 1280x960 пикселей для фиксирования картины искажений сетчатой структуры, экран 5, являюшийся фотографическим фоном голубого или синего цвета, подставку б для размещения
обследуемого 3, смонтированную в горюонтальной плоскости, компьютер 7 для приёма и обработки поступающей из цифровой фотокамеры 4 информации и воссоздания трёхмерной формы обследуемой поверхности тела 3, соединённый через шину связи 8 с цифровой фотокамерой 4.
Компьютер 7 имеет конфигурацию, включающую как минимзпи:
процессор Intel Pentium П Celeron 400 МГц;
оперативную память не менее 64 Мб;
НЖМД емкостью не менее 8 Gb;
LCD (жидко кристаллический) монитор с диагональю 15 и более с предустановленным программным обеспечением и лазерным черно-белым принтером,
и оснащен программным обеспечением, включающим:
операционная система MS WINDOWS 98 SE (русская версия)
драйверы и утилиты, обеспечивающие нормальную работу подключаемых к компьютеру устройств;
программу KOD/T, просчитывающую искажения линий миры и восстанавливающую трехмерную поверхность спины пациента.
Установка снабжена плоскостным тест-объектом 15 в виде простого строительного уровня и объёмным 16 тест-объектами для корректировки оптической системы в реальных условиях эксплуатации . Объёмный тест-объект 16 вьшолнен в виде прямоугольных пластиковых пластин (12х12мм) 17, 18, смонтированных: 17 - горизонтально, 18 - под углом к пластине 17, при этом пластина 18 ориентирована наружной наклонной поверхностью к диапроектору 1 и цифровая фотокамере 4. В качестве плоскостного тест-объекта 15 используется строительный уровень. При корректировке оптической системы установки тест объекты монтируются на подставке 19 высотой 1000мм.
Систему может обслуживать один человек, имеющий квалификационную группу по технике безопасности не ниже Ш.