CN107615009A - 用于测定人体头部三维立体定向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测定人体头部三维立体定向的方法和装置。所述方法包括，首先，将左、右人类学基线置于患者面部，人类学基线各连接着患者面部对应侧的眶点和耳穴。一种头罩装置，该装置具有一对颞部元件和一个可旋转地连接到颞部元件上的前壳体，其中，前壳体至少包括两个摄像头和一个三维罗盘，摄像头和三维罗盘均可在前壳体内部移动，然后放在患者头部上。每个摄像头经过调整可以使其视场拍摄到患者面部两条人类学基线其中之一。然后，当这些人类学基线平行并对齐时，这两个摄像头的视场用于构建人体颅底平面，该人体颅底平面作为左、右人类学基线形成的平面。然后，将三维罗盘放入与人体颅底平面重合的测量平面内，用于定量测量当三维罗盘放置在与所构建的人体颅底平面重合的测量平面内时患者头部的三维立体定向。

Description

用于测定人体头部三维立体定向的方法和装置

技术领域

本申请及其公开通常涉及在三维几何建模中测定人体头部定向这一领域。

背景技术

三维几何建模中的头部定向测量目前基于由不同的陀螺仪、加速度计和电子罗盘所测定的测量结果的组合。例如，这样一种***是基于安装在头罩上的三轴加速度计和谐振陀螺所提供的测量结果。

目前采用的其他方法和测量***利用双测斜仪、气泡测角计、X光片、罗盘技术、目测、超声、几何方法、数字光电仪器、使用无源标记点和红外电视摄像头的计算机运动学分析、MRI或附着于受试者头部的传感器进行头部定向测定。然而，在三个维度中定义人体头部的中间位置方面，现有的方法都无法产生足够的精度。

缺少对人体头部三维立体定向中间位置的精确定义是当前三维几何建模中的严重缺陷，特别是需要测定人体头部在运动中的某些特定的测量结果和定向时。在某些申请中，例如在牙科技术中，现有的方法会导致受试者测量中出现重大误差和失真，因此在由此产生的三维模型中出现重大误差和失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够以低成本进行准确、可靠、用户友好和轻便的头部运动和定向测量的装置。

本发明的另一个目的是提供一种头部安装装置，允许其用户利用目前公开方法进行传感器的正确初始安装，同时避免人体头部在三维几何建模中的不明确定向。

本发明的再一个目的是提供一种头部安装装置，其允许用户测量受试者颈椎的各种运动范围。

另一方面，本发明是一种用于测定人体头部三维立体定向的装置。该装置包括一个可定位在患者头部上的头带，一对颞部元件，每个颞部元件固定在头带上，以及可旋转地附着于颞部元件的前壳体。前壳体具有至少两个摄像头，两个摄像头各定位在前壳体内，这样可以使其视场拍摄到置于患者面部并连接着患者头部一侧的眶点和耳穴的两条人类学基线其中之一。此外，该前壳体包括可定位到与人体颅底平面重合的测量平面内的三维罗盘，以定量测量患者头部的三维立体定向。

另一方面，本发明是一种用于测定人体头部三维立体定向的方法。该方法包括，首先将左、右人类学基线置于患者面部，人类学基线各连接着患者面部对应侧的眶点和耳穴。然后，将头罩装置放在患者头部上，该头罩装置具有一对颞部元件和可旋转地附着于颞部元件的前壳体，其中前壳体包括至少两个摄像头和三维罗盘，摄像头和三维罗盘均可在前壳体内移动。每个摄像头经过调整可以使其视场拍摄到患者面部两条人类学基线其中之一。然后，当这些人类学基线平行并对齐时，这两个摄像头的视场用于构建人体颅底平面，该人体颅底平面作为左、右人类学基线形成的平面。然后，将三维罗盘放入与人体颅底平面重合的测量平面内，用于定量测量当三维罗盘放置在与所构建的人体颅底平面重合的测量平面内时患者头部的三维立体定向。

附图说明

本发明通过并非局限性的示例和附图的图片进行说明，其中引用表示相应部分，其中：

图1示出显示人类学基线的人颅骨的示意图；

图2示出适用于本发明的几何原理的示意图；

图3示出根据本发明的一个实施例，用于在三维几何建模中明确测定人体头部定向的装置的示意图；

图4示出三维罗盘电子元器件的示意图；

图5示出头罩装置的第一替代实施例的示意图；

图6示出头罩装置的第二替代实施例的示意图；

图7示出头罩装置的一部分的示意图；

图8示出头罩装置摄像头安装示意图。

具体实施方式

如附图所示，本发明的方法和装置用于测定人体头部三维定向的正确中间位置。一旦测定了正确中间位置，它就可以用于对人体头部的三维定向和运动中的头部定向进行明确的定义。

用于测定人体头部三维定向的正确中间位置的装置各元件如图2-3所示。按照优选实施例，头罩装置100具有带两个颞部元件10、11的塑料架16和前壳体18。至少一个三维罗盘1及其电子硬件9固定在前壳体18内。三维罗盘1是一个用于航向计算和磁畸变标定的整合型罗盘模组。该模组结合了三轴磁阻传感器和三轴微机电***加速度计、模拟和数字辅助电路。这套罗盘预期用于测量磁场。以下提供了关于图4的罗盘部件的更详细说明。

头罩装置100进一步包括可定位在患者头部上的可调整头带14。塑料架16通过位于头带每一侧的夹子15和枢轴柱8固定在头带14上。塑料架的固定使得其在摩擦力的作用下相对于头带在枢轴柱8上绕枢轴旋转。夹子15和枢轴柱8均备有各种尺寸，以适应不同的头部尺寸。

前壳体18还包括至少一对摄像头，即左摄像头2和右摄像头3。整个装置100可稍微向上或向下倾斜，使左、右摄像头与人类学基线对齐。每个摄像头的水平定位也可使用将摄像头固定到前壳体18的可绕枢轴转动的旋钮12和旋钮13进行调整和固定。可绕枢轴转动的旋钮12和旋钮13可沿槽19移动(更清楚地显示在图5中)。因此，为了调整各摄像头的水平定位，用户将旋松相应的旋钮，无需使其从摄像头上拆下，将旋钮和摄像头移动到新的所需位置，然后将旋钮旋紧到位，将摄像头固定在新的位置。此外，整个前壳体附着于带正面旋钮7的颞部元件10、11，使前壳体18及其摄像头2、3和三维罗盘1相对于颞部元件移动，而不会改变颞部元件的位置。

该头罩装置的两个替代实施例如图5和图6所示。如图5所示，除了上述关于头罩装置100的各个元件以外，头罩装置102还包括连接颞部元件10和颞部元件11端部的第一拱形部件32，以及连接到枢轴柱8所在区域内的两个颞部元件并构成头带14一部分的第二拱形部件34。本实施例中(以及如图6所示的实施例中)的头带14包括一对支承部分38，它们在第二拱形部件34之上延伸，以便使头带附着并支承在第二拱形部件上。

如图6所示，根据第二替代实施例所述的头罩装置104，该装置还包括第一拱形部件32和第二拱形部件34。然而在本实施例中，第一拱形部件32位于患者头部上方，颞部元件10和颞部元件11缩短。头带14用夹子33固定在患者头部上。整个塑料架16可绕枢轴柱8转动，以调整塑料架相对于头带和患者头部的角位置。本实施例为患者提供了更多的舒适性，更易于技术人员取用。此外，在本实施例中，摄像头以不同的方式固定在前壳体18内。图7-8中更特别地显示了用于将摄像头固定在前壳体内的机构。每个摄像头最好是固定到圆盘21上，该圆盘具有连接到齿轮25的一组齿23。通过转动齿轮25，用户可以调整圆盘的角位置，因此调整相应的摄像头的位置。此外，圆盘最好是定位在活动底座27上。螺钉29与其柱31具有与活动底座27的蜗杆式连接，当螺钉头转动时，活动底座沿着柱31水平移动。如图6所示，每个螺钉29的螺钉头部分最好是在前壳体18的顶面上方突出。因此，为了调整摄像头的水平定位，用户将旋转相应的螺钉头，使相应的底座27移动到所需位置。本实施例允许用户以很小的增量步进，调整摄像头的水平定位，从而产生更高的测量精度。

硬件9的电子元器件如图4所示。按照优选实施例，电子硬件包括多个传感器，即三轴磁传感器20和三轴加速度计22，一个连接到传感器20和传感器22并从传感器20和传感器22接收信号的微控制器24，一个为所有硬件部件供电的电源***26(例如，电池)，以及一个射频收发模组28。

微控制器24采用整合型微控制器，用于计算来自三维罗盘传感器20和传感器22的信号的方向和标定。它提供了十字轴灵敏度非常低的固态结构，旨在同时测量地球磁场的方向和幅度。电源***26为所有部件提供电源。在施加电源的情况下，传感器将灵敏轴方向上的任何入射磁场转换成差分电压输出。射频收发模组28(在图4中指定为BLE4.0)最好采用低功率2.4GHz4.0(BLE)片上***，作为符合蓝牙核心规范v4.1的单一模式的蓝牙智能模组。它集成了射频、基带控制器、执行命令API处理器，能够执行蓝牙通用属性配置文件。

由配备电子硬件的三维罗盘生成的数据是经过处理的数据，可以发送到任何计算设备(最好是以无线方式)进行进一步的处理和/或显示在监护屏幕上。在优选实施例中，配备电子硬件的三维罗盘利用高能效、可靠的数据传输协议无线连接到个人计算机软件，从而限制了潜在误差和默认设置。此外，个人计算机软件能够向用户显示特定的指令，以确保适当的测量技术，并限制用户之间的误差。

按照本发明的优选方法，该三维罗盘安装到垂直于矢面的水平面内并旋转，直到传感器的水平面与人体颅底平面平行并对齐。人体颅底平面是穿过人颅骨的左、右人类学基线的平面。如图1所示，人类学基线是从眼眶(眶点)的下缘画到耳穴(外耳道孔中心，即耳穴)，并向后延伸到枕骨中心的一条线。按照本发明的优选实施例，左、右人类学基线实际上是画在被摄像头拍摄到的患者面部上。然而，用于将线置于患者面部的任何其他已知技术都可以利用，例如，用投射到脸上的一束光线，使眶点连接到耳穴。

以下是用于测定人体头部三维定向中间位置的本方法的几何原理。三维罗盘1按照其预先确定的算法放入创建的水平面内，该水平面垂直于人体头部的矢面并旋转，直到其水平面与人体颅底平面6平行并对齐。罗盘1的正确位置由分别位于左侧和右侧的两个摄像头2和3控制。如图2所示，每个摄像头垂直于人体颅底平面6放置，这样摄像头的视角5和视角4就能拍摄到置于患者面部的左、右人类学基线。然后，摄像头将信号数字化并传送到视频监视器(未图示)。当拍摄到的两条人类学基线的图像平行且对齐时，通过这两条线的平面就是人体颅底平面6。

如果视频监视器上的人颅骨的人类学基线平行于X轴，并处于同一条线上，则摄像头2和摄像头3设置正确。三维罗盘1位于垂直于摄像头(垂直)Y轴的平面上，并与人体颅底平面6处于同一平面内。三维罗盘所处的这一平面称为测量平面，三维罗盘1在该测量平面内的位置被记录为患者三维头部定向的正确中间位置。

如上所述，本发明提供了一种用于测定三维人体头部定向的正确中间位置的计算模型。当三维罗盘1沿着人体颅底平面6进行定向和安装时，来自罗盘传感器的信号最好是转移到计算机***，由该***对中间位置进行记录。此后，相对于所记录的中间位置，患者头部的每个动作都被记录下来并进行测量。因此，相对于客观、中间和独立参数，对患者头部的所有进一步的三维运动和定向进行测量，并允许进一步的三维建模。此外，人颅骨的中间位置一旦测定，通过将传感器放置在身体其他部位上，这些身体其他部位的位置和参数就可以针对测定的中间参数(即人类学基线)进行准确测量。例如，通过将额外的传感器放在患者的颈椎上，并记录有关三维罗盘所测定的中间位置的传感器位置，可以测量患者颈椎的各种运动范围。基于实证研究，本发明的方法和***允许其用户进行测量，结果精度约为0.5°

基于本文所述方法的精确三维建模在以下行业中尤其有利：

牙科，口腔正畸术

牙科，假牙修复术

牙科，颌面外科

机器人化老年患者护理

机器人手术/治疗助手

机器人外科手术

普通放射学

放射肿瘤学

物理治疗与康复：脊柱矫形康复设备

玩具和视频游戏

航空航天和机械操作员培训***

灾情模拟及减灾训练(事故、车祸等)

人体仿真***

人体LPS(局部定位***)

高精度军用机器人***

基于头部的高精度瞄准***

牙科，颞下颌关节(TMJ)的度量分析

牙科，颞下颌关节(TMJ)矫正术

睡眠呼吸暂停矫治器的规划与制作

在上述规范中，本发明已参照其具体的示例性实施例进行了描述。然而，显而易见的是，在不背离权利要求书中提出的本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和变更。因此，规范和图纸应以说明性的方式而非在狭义上来看待。

Claims (8)

1.一种用于测定人体头部三维立体定向的装置，该装置包括：

一个能够定位在患者头部上的头带；

一对颞部元件，每个颞部元件固定在头带上；以及

一个能够旋转地连接到所述颞部元件的前壳体，所述前壳体包括至少两个摄像头，所述两个摄像头各定位在所述前壳体内，这样能够使其视场拍摄到置于患者面部并连接着患者头部一侧的眶点和耳穴的两条人类学基线其中之一，所述前壳体进一步包括被配置成放入与一个平面重合的测量平面的三维罗盘，当所述两条基线平行且对齐时，该平面由所述两条人类学基线形成，所述三维罗盘进一步配置用于定量测量当所述三维罗盘位于所述测量平面内时患者头部的三维立体定向。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三维罗盘包括至少一个三轴磁传感器，至少一个三轴加速度计，连接到所述传感器和所述加速度计并接收来自所述传感器和所述加速度计的信号的微控制器，收发所述三维罗盘的往返数据信号的收发模组，以及电源***。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个摄像头各固定在一个圆盘上，该圆盘具有一组齿，并连接到一个齿轮，以便所述齿轮调整所述圆盘和相应摄像头的角位置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个摄像头各附着在一个活动底座上，使所述活动底座的运动改变相应摄像头的水平位置。

5.根据权利要求4所述的装置，该装置进一步包括一个连接到所述活动底座并采用蜗杆式连接的螺钉头，使所述活动底座以小增量步进的形式移动。

6.一种用于测定人体头部三维立体定向的方法，该方法包括：步骤：

将左、右人类学基线置于患者面部，人类学基线各连接着患者面部对应侧的眶点和耳穴；

提供一个头罩装置，该装置包括一对颞部元件和能够旋转地连接到所述颞部元件的前壳体，所述前壳体包括至少两个摄像头和一个三维罗盘，摄像头和三维罗盘均能够在前壳体内部移动；

将头罩装置放在患者头部上；

所述两个摄像头各进行定位，使其视场拍摄到患者面部的所述人类学基线其中之一；

当所述人类学基线平行并对齐时，用所述两个摄像头的视场构建人体颅底平面，该人体颅底平面作为左、右人类学基线形成的平面；

将所述三维罗盘放入与所构建的人体颅底平面重合的测量平面内；并且

当所述三维罗盘放入与所构建的人体颅底平面重合的测量平面内时，使用所述三维罗盘定量测量患者头部的三维立体定向。

7.根据权利要求6所述的方法，该方法进一步包括，当所述三维罗盘放入与人体颅底平面重合的测量平面内(作为患者头部的中间位置)时，记录患者头部的所述实测三维立体定向这一步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括在患者移动头部后，使用所述三维罗盘，定量测量患者头部的新三维立体定向，并定量比较患者头部的所述新三维立体定向与所述中间位置这两个步骤。