CZ24514U1 - Device to determine position of patientÆs head and shoulders - Google Patents

Description

Zařízení pro určení polohy hlavy a ramen pacientaDevice for determining the position of the patient's head and shoulders

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká zařízení pro určení polohy hlavy a ramen pacienta, zejména k lékařským aplikacím v neurologii a rehabilitaci s cílem umožnit lékaři identifikovat patologické stavy v držení hlavy a ramen a kvantifikovat průběh léčení během rehabilitace. Jedná se o kamerový systém pro měření polohy hlavy a ramen pacienta v třídimenzionálním prostoru.The invention relates to a device for determining the position of the head and shoulders of a patient, in particular for medical applications in neurology and rehabilitation in order to enable the physician to identify pathological conditions in the head and shoulders and to quantify the course of treatment during rehabilitation. It is a camera system for measuring the position of the patient's head and shoulders in three-dimensional space.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Lékaři požadují určovat inklinaci, flexi a rotaci hlavy a inklinaci a rotaci hlavy s přesností 2°, neboť existuje řada neurologických poruch, které mohou negativně ovlivnit přirozené držení κι homí poloviny těla. Z tohoto důvodu je lékaři definován anatomický systém os. Při určování anatomické osy hlavy se vychází z definice anatomických bodů na hlavě, které se nachází na chrupavčitém výběžku ušního boltce, tzv. tragus a spodním okraji orbity, tzv. canthus - očnice.Doctors want to determine the inclination, flexion and rotation of the head and the inclination and rotation of the head to within 2 °, as there are a number of neurological disorders that can negatively affect the natural posture of the upper half of the body. For this reason, the anatomical system of axes is defined by physicians. The determination of the anatomical axis of the head is based on the definition of anatomical points on the head, which are located on the cartilaginous projection of the ear lobe, the tragus and the lower edge of the orbit, the canthus - orbit.

Při určování anatomický osy ramen se vychází z definice anatomického bodu na rameni, který se nachází na výběžku zvaném akromión, tj. nadpažek na rameni.The determination of the anatomical axis of the shoulders is based on the definition of the anatomical point on the shoulder, which is located on a promontory called the acromion, ie the shoulder shoulder.

Identifikace polohy hlavy a ramen v lékařství je realizována především úhloměry. Metoda je omezena přesností a možností určování polohy anatomických os v souladu s požadovanými anatomickými osami. K určování polohy hlavy jsou také v lékařství využívány snímky pořízené jedním fotoaparátem a poloha hlavy a ramen je určována úhloměry. Jiných metod založených na fotografické analýze snímků nebylo v lékařství prakticky využito. K určování polohy hlavy a ramen se také používá komerčních kamerových systémů pro analýzu pohybu v prostoru, které nejsou ale pro určování polohy hlavy a ramen primárně navrženy a jejich možnosti použití jsou omezené, neboť nedefinují vhodně anatomický souřadný systém homí poloviny těla nebo nesplňují požadovanou přesnost měření 2°. Pro určování polohy hlavy a ramen v lékařství bylo také testováno zařízení využívající elektromagnetických nebo gyroskopických principů. Metody ale vyžadují upevnění rozměrných senzorů, což negativně ovlivňuje polohu hlavy a ramen pacienta a současně metody neumožňují přesné určení anatomických os hlavy a ramen.The identification of head and shoulders position in medicine is realized mainly by protractors. The method is limited by the accuracy and posibility of positioning the anatomical axes in accordance with the required anatomical axes. Also, pictures taken with a single camera are used to determine head position in medicine and the position of the head and shoulders is determined by protractors. Other methods based on photographic analysis of images were not practically used in medicine. Head and Shoulder Positioning also uses commercial CCTV systems that are not primarily designed for head and shoulder positioning and are limited in use since they do not define the appropriate anatomical coordinate system of the upper half of the body or do not meet the required measurement accuracy. 2 °. Electromagnetic or gyroscopic principles have also been tested to determine the position of the head and shoulders in medicine. However, the methods require the mounting of large sensors, which negatively affects the position of the patient's head and shoulders, while the methods do not allow accurate determination of the anatomical axes of the head and shoulders.

J.D. Young v roce 1988 navrhl způsob měření polohy hlavy založený na využití tří zrcadel a značek umístěných na hlavě. Fotoaparátem je snímán obraz hlavy a jsou určovány úhly rotace, flexe/extenze a inklinace, ale ne v souladu s požadovanými anatomickými osami hlavy. Takovýto systém také neumožňuje měřit polohu ramen a vzájemnou polohu hlavy a ramen. V roce 1995 V.F. Ferrario navrhl metodu využívající kamerový systém založený na analýze obrazu hlavy s označenými 12 body. Úhly polohy jsou pak spočteny z televizního 20sekundového záznamu. Metoda je finančně náročná a nutností je označovat/identifikovat 12 bodů na hlavě. Také tato metoda nezohledňuje možnost studia polohy ramen. G. Galardi v roce 2003 navrhl metodu měře35 ní využívající systém Fastrack, což je systém založený na detekci polohy elektromagneticky pomocí vysílačů a přijímačů, přičemž metodou ale nemůžeme definovat anatomické osy hlavy a ramen, pouze měřit pohyb.J.D. In 1988, Young proposed a head position measurement method based on the use of three mirrors and marks placed on the head. The camera captures the image of the head and determines the angles of rotation, flexion / extension and inclination, but not in accordance with the desired anatomical head axes. Such a system also makes it impossible to measure the position of the arms and the relative position of the head and arms. In 1995, V.F. Ferrario proposed a method using a camera system based on the analysis of a 12-point image of the head. Position angles are then calculated from the 20-second TV recording. The method is expensive and it is necessary to mark / identify 12 points on the head. Also this method does not take into account the possibility of studying the position of the shoulders. In 2003, Galardi proposed a measurement method35 using the Fastrack system, which is a system based on electromagnetic position detection using transmitters and receivers, but with the method we cannot define the anatomical axes of the head and shoulders, only to measure movement.

V biomedicínském inženýrství se také používají pro měření polohy částí těla speciální systémy jako je Zebris nebo SonoSens. Systém Zebris používá speciálního přípravku pro měření polohy hlavy, ale přípravek omezuje pohled pacienta vpřed, což má negativní vliv na možnosti využití u neurologických vyšetření, a nedetekuje polohu hlavy v souladu s definovanými anatomickými osami ani neumožňuje studium polohy anatomické osy ramen. SonoSens je diagnostický systém k dynamické analýze držení těla a pohybu. Systém je založen na ultrazvukovém způsobu měření. Nedostatkem systému je nemožnost přesného definování anatomických bodů z důvodu rozměr45 ných čidel a nižší přesnost, což neumožní měřit s přesností do 2°. Žádná metoda se z důvodů její nevhodnosti nebo nevyhovující přesnosti měření nepoužívá pro určování polohy hlavy a ramen v souladu s definovanými anatomickými osami. Systémy využívající elektromagnetických nebo gyroskopických principů neumožňují přesnou identifikaci anatomických os z důvodu velmi rozměrných prvků umísťovaných na anatomické body hlavy a ramen.In biomedical engineering, special systems such as Zebris or SonoSens are also used to measure the position of body parts. The Zebris system uses a special head position measurement device, but it limits the patient's forward view, which has a negative impact on neurological screening, and does not detect head position in accordance with defined anatomical axes, nor does it allow the anatomical axis of the shoulder to be studied. SonoSens is a diagnostic system for dynamic analysis of body posture and movement. The system is based on ultrasonic measurement. The disadvantage of the system is the impossibility of accurately defining anatomical points due to dimensional sensors and lower accuracy, which does not allow measurement to within 2 °. No method is used to determine the position of the head and shoulders in accordance with defined anatomical axes because of its unsuitability or inadequate measurement accuracy. Systems using electromagnetic or gyroscopic principles do not allow accurate identification of anatomical axes due to very large elements placed on the anatomical points of the head and shoulders.

- I CZ 24514 Ul- I CZ 24514 Ul

V nelékařských oborech se využívá detekce polohy hlavy zejména v kontrolních a řídicích systémech. Sileye O. Ba a Jean-Marc Odobez navrhli metodu pro určení polohy hlavy vůči jedné kameře. Chyba měření je však závislá na celkovém vzhledu tváře a metoda neurčuje polohu anatomických os hlavy ani ramen, z tohoto důvodu metoda nevyhovuje požadavkům lékařů.In non-medical fields, head position detection is used mainly in control and control systems. Sileye O. Ba and Jean-Marc Odobez proposed a method for determining the position of the head relative to one camera. However, the measurement error is dependent on the general appearance of the face and the method does not determine the position of the anatomical axes of the head or shoulders, therefore the method does not meet the requirements of physicians.

Simon Meers, Kořen Ward a lan Piper z University of Wollongong vytvořili systém pro měření pouze polohy hlavy sestávající z jedné kamery a speciálních brýlí s připevněnými infračervenými LED diodami. Na speciální brýle jsou připevněny tri infračervené LED diody. Tato metoda splňuje požadavky na přesnost, nedostatkem je, že brýle nedefinují polohu konkrétních anatomických bodů, které lékaře zajímají, a současně neumožňuje měřit polohu ramen v prostoru.Simon Meers, Ward Root and Lan Piper of the University of Wollongong created a head position measurement system consisting of a single camera and special glasses with infrared LEDs attached. Three infrared LEDs are attached to special glasses. This method meets the requirements for accuracy, the disadvantage is that the glasses do not define the position of specific anatomical points of interest to the physician and at the same time it does not allow to measure the position of the shoulders in space.

io íoshinobu Ebisawa navrhl uspořádání jednoho fotoaparátu a dvou pistencovitých zdrojů světla pro měření polohy hlavy v prostoru. Jeden prstencovitý zdroj světla je umístěn okolo objektivu fotoaparátu a druhý zdroj světlaje umístěn pod objektivem fotoaparátu. Na snímku jsou detekovány obě zornice a nosní dírky. Sytém bohužel neumožňuje měřit polohu anatomických os hlavy a ramen.Ishinobu Ebisawa also designed an arrangement of one camera and two piston-shaped light sources to measure head position in space. One annular light source is located around the camera lens and the other light source is located below the camera lens. Both pupils and nostrils are detected. Unfortunately, the system does not allow to measure the position of anatomical axes of the head and shoulders.

i5 Výše uvedených výčet metod představuje součastný stav technologií umožňujících identifikaci polohy hlavy a ramen v prostoru. Nevýhodou všech současných systémů je, že systémy nejsou uzpůsobeny k měření polohy požadovaných anatomických os hlavy a ramen. Také neexistují systémy s dostatečnou přesností umožňující detekci anatomických bodů definujících anatomické osy hlavy a ramen.i5 The methods listed above represent the current state of the art for identifying head and shoulder positions in space. The disadvantage of all current systems is that the systems are not adapted to measure the position of the desired anatomical axes of the head and shoulders. Also, there are no sufficiently accurate systems to detect anatomical points defining the anatomical axes of the head and shoulders.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro určení polohy hlavy a ramen pacienta, zejména k lékařským aplikacím v neurologii a rehabilitaci, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je stojan opatřený první polohovatelnou základnou pro kameru s vertikálně orientovanou optickou osou a snímač její polohy a druhou polohovatelnou základnou pro kameru s horizontálně orientovanou optickou osou a snímač její polohy, pro profilové snímky pacienta opatřeného alespoň šesti reflexními značkami tvaru polokoule umístěnými na anatomické body hlavy a ramen. Ke stojanu je připojen infračervený zářič a k jeho spodní části plošina se značkami pro umístění chodidel pacienta.The aforementioned drawbacks are largely eliminated by the device for determining the position of the head and shoulders of the patient, in particular for medical applications in neurology and rehabilitation, according to the present invention. It consists of a stand provided with a first positionable base for a camera with a vertically oriented optical axis and its position sensor and a second positionable base for a camera with a horizontally oriented optical axis and its position sensor for profile pictures of a patient with at least six reflective hemisphere markers placed on anatomical points head and shoulders. An infrared radiator is connected to the rack and a platform with marks for placing the patient's feet is attached to the bottom of the rack.

První polohovatelná základna pro kameru a druhá polohovatelná základna pro kameru jsou ve výhodném provedení posuvné a sklopné kolem dvou os. Snímače polohy jsou s výhodou přesně a pevně uchyceny k příslušným kamerám. Kamery se snímači polohy jsou s výhodou propojeny s výpočetním zařízením.The first positionable camera base and the second positionable camera base are preferably sliding and tilting about two axes. The position sensors are preferably accurately and firmly attached to the respective cameras. The cameras with position sensors are preferably connected to a computing device.

Plošina se značkami pro umístění chodidel pacienta může být připevněna k stojanu a střed plošiny se nachází pod kamerou s vertikálně orientovanou optickou osou.A platform with patient foot markings can be attached to the stand and the center of the platform is located below the camera with a vertically oriented optical axis.

Kamerový systém měření polohy hlavy a ramen v třídimenzionálním prostoru sestává ze dvou kamer, umožňujících detekci markérů, které jsou umístěny ve formě nalepovacích reflexních či kontrastních značek na hlavu a ramena pacienta. Z důvodu detekce značek je kamerový systém doplněn infračerveným zářičem resp. reflektorem osvětlujícím tělo a tím zvyšující kontrast reflexních značek umístěných na anatomických bodech hlavy a ramen. Stojan kamerového systému je opatřen jedním vertikálním sloupem a jedním horizontálním ramenem, na horizontálním rameni a svislém sloupu stojanu jsou umístěny dvě polohovatelné základny kamer. Základny jsou polohovatelné tak, aby mohly obě kamery snímat reflexní značky umístěné na homí polovině těla pacientů o různých výškách postavy. Polohovatelné základny také zabezpečují přibližné polohování optických os kamer do vertikálního a horizontálního směru. Obě polohovatelné základny mají možnost posuvného pohybu na stojanu a naklápění kolem dvou os. Na polohovatelných základnách kamer jsou umístěny dvě kamery. Kamery slouží k snímání rotace, flexe a inklinace hlavy a detekci rotace a inklinace ramen. U kamer umístěných na polohovatelných základnách není nutné dodržet takovou polohu, aby optická osa kamery umístěné na horizontálním rameni směřovala přesně vertikálně a optická osa kamery umístěné na vertikálním sloupu směřovalaThe camera system of measuring the position of the head and shoulders in the three-dimensional space consists of two cameras enabling the detection of markers, which are placed in the form of adhesive reflective or contrast marks on the patient's head and shoulders. The camera system is complemented by an infrared emitter or a light emitter. a reflector illuminating the body and thereby increasing the contrast of the reflective markings located at the anatomical points of the head and shoulders. The camera system stand is equipped with one vertical column and one horizontal arm, on the horizontal arm and the vertical column of the stand are two adjustable camera bases. The bases are adjustable so that both cameras can sense reflective markings located on the upper half of the patient's body at different heights. The positioning bases also ensure approximate positioning of the camera's optical axes in the vertical and horizontal directions. Both positioning bases have the possibility of sliding on the stand and tilting around two axes. Two cameras are placed on the adjustable camera bases. The cameras are used to sense rotation, flexion and inclination of the head and to detect rotation and inclination of the shoulders. For cameras placed on adjustable bases, it is not necessary to maintain the position so that the optical axis of the camera placed on the horizontal arm points exactly vertically and the optical axis of the camera placed on the vertical column points

- 2 CZ 24514 Ul přesně horizontálně, neboť jsou k oběma kamerám přesně připevněny snímače jejich poloh v třídimenzionálním zemském souřadném systému.- 2 GB 24514 Ul exactly horizontally, since the position sensors in the three-dimensional earth coordinate system are precisely attached to both cameras.

Ze znalosti přesné polohy kamer zjištěné snímači poloh v zemském souřadném systému je možné určit polohu kamerami snímaných objektů v prostoru. Programové vybavení, pomocí kterého jsou řízeny obě kamery, na kamerových snímcích detekuje polohu bodů definovaných reflexními značkami umístěnými na příslušných anatomických bodech hlavy a ramen, kterých je celkem šest na homí polovině těla subjektu. Pro identifikaci anatomických os hlavy a ramen se musí na anatomické body těla vyšetřované osoby umístit reflexní značky. Značky se umisťují na dva chrupavčité výběžky ušních boltců - tragus a dva spodní okraje orbit - canthus - očnice. Dále pak na io dva výběžky zvané akromión, tj. nadpažky na ramenou. Identifikací poloh šesti reflexních značek na dvou snímcích hlavy a ramen z dvou kamer jsou určeny úhly polohy anatomických os hlavy a ramen vůči zemskému souřadnému systému a vůči sobě navzájem.From the knowledge of the exact position of the cameras detected by the position sensors in the Earth's coordinate system, it is possible to determine the position of the objects scanned by the cameras in space. The software that controls both cameras in the camera images detects the position of the points defined by the reflective markings located at the respective anatomical points of the head and shoulders, which are a total of six on the upper half of the subject's body. In order to identify the anatomical axes of the head and shoulders, reflex marks must be placed on the anatomical points of the body of the person under examination. The markings are placed on the two cartilaginous protuberances of the auricles - the tragus and the two lower edges of the orbits - canthus - orbit. Then there are also two protuberances called acromion, ie the shoulder straps. By identifying the positions of the six reflective marks on the two images of the head and shoulders from two cameras, the angles of the anatomical axes of the head and shoulders relative to the Earth's coordinate system and to each other are determined.

Podstata navrženého řešení je v tom, že pomocí kamer umístěných na stojanu a opatřených snímači jejich polohy v zemské souřadné soustavě jsou zachyceny snímky horního a čelního pohle15 du hlavy a ramen pacienta pro určení polohy anatomických os hlavy a ramen v prostoru a vůči sobě navzájem. Ve spodní části stojanu je ke svislému sloupu stojanu připevněna plošina se značkami pro umístění chodidel pacienta. Plošina je konstrukčně umístěna tak, aby ležel její střed pod kamerou umístěnou na horizontálním rameni stojanu. Plošina je opatřena vyznačenými obrysy chodidel pro zajištění přesného stoje pacienta během lékařského vyšetření.The principle of the proposed solution is that by means of cameras placed on a stand and equipped with sensors of their position in the terrestrial system, images of the top and front views of the patient's head and shoulders are captured to determine the position of the anatomical axes of the head and shoulders. At the bottom of the rack, a platform with marks for positioning the patient's feet is attached to the vertical column of the rack. The platform is structurally positioned so that its center lies below the camera located on the horizontal arm of the stand. The platform is provided with marked foot contours to ensure accurate patient standing during medical examination.

Obě kamery a snímače polohy kamer jsou propojeny s výpočetním zařízením, tj. osobním počítačem. Osobní počítač řídí a vyhodnocuje data získaná z měřicího systému s dvěma kamerami a dvou senzorů poloh kamer v prostoru. Na základě údajů o optických charakteristikách digitálních kamer a poloze kamer v prostoru jsou určeny konstanty charakterizující ve výpočtu uspořádání systému. Tyto konstanty jsou následně využity ve výpočtovém algoritmu pro určení úhlů rotace, flexe a inklinace hlavy a rotace a inklinace ramen. Nalezení úhlů je založeno na goniometrických výpočtech a poloze detekovaných značek na snímcích anatomických bodů těla pacienta.Both cameras and camera position sensors are connected to a computing device, ie a personal computer. The personal computer controls and evaluates data obtained from a measuring system with two cameras and two camera position sensors in space. Based on data on optical characteristics of digital cameras and the position of cameras in space, constants characterizing the system layout are determined. These constants are subsequently used in the computational algorithm to determine the angles of rotation, flexion and inclination of the head and rotation and inclination of the shoulders. Finding angles is based on trigonometric calculations and the position of the detected markers on images of the anatomical points of the patient's body.

Systém je navržen tak, aby umožňoval opakované měření pacientů různého věku a výšky postavy. Životnost systému není omezena. Výměna se předpokládá pouze u reflexních značek. Konstrukce stojanu je dostatečně tuhá, tj. nepředpokládá se její degradace. Časem může docházet o so opotřebení mechanických částí zajišťujících nastavování kamer v prostoru. Systém jako celek je jednoduchý na obsluhu jednou osobou, která pouze nastavuje požadované polohy kamer a umisťuje na pacienta malé reflexní značky v souladu s polohou anatomických bodů hlavy a ramen.The system is designed to allow repeated measurements of patients of different ages and stature. System life is not limited. Replacement is only assumed for reflective marks. The construction of the rack is sufficiently rigid, ie its degradation is not expected. Over time, mechanical parts may be worn to adjust the cameras in space. The system as a whole is simple to operate by one person who only adjusts the desired camera positions and places small reflective markings on the patient in accordance with the position of the anatomical points of the head and shoulders.

Pomocí PC obsluha provádí ostatní úkony pro měření hlavy a ramen v prostoru. Vlastní měření a aplikace reflexních značek není časově náročné, a trvá přibližně dvě minuty.Using the PC, the operator performs other tasks for measuring the head and shoulders in the space. Measurement and application of reflective labels is not time consuming and takes approximately two minutes.

Objasnění obrázků na výkresechClarification of the figures in the drawings

Zařízení pro určení polohy hlavy a ramen pacienta podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených obrázků. Na Obr. 1 je v axonometrickém pohledu znázorněna realizace konstrukce kamerového systému s kamerami pro záznam polohy anatomických bodů hlavy a ramen pacienta v 3D prostoru. Na Obr. 2 je znázor40 něn detail realizované konstrukce stojanu s infračerveným zářičem, polohovatelnou základnou kamery a kamerou s připevněným snímačem polohy kamery v prostoru. Na Obr. 3 je znázorněno schéma kamerového systému v průběhu měření polohy hlavy a ramen pacienta v třídimenzionálním prostoru.The device for determining the position of the head and shoulders of a patient according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1 is an axonometric view showing an embodiment of a camera system with cameras for recording the position of anatomical points of the head and shoulders of a patient in 3D space. In FIG. 2 shows a detail of the realized construction of the stand with an infrared radiator, a positionable camera base and a camera with a camera position sensor mounted in space. In FIG. 3 shows a diagram of the camera system during the measurement of the position of the patient's head and arms in a three-dimensional space.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Pro jednotlivé obrázky odpovídá číselné značení prvků realizované konstrukce systému takto. Stojan J_ kamerového systému s jedním vertikálním sloupem a jedním horizontálním ramenem. Polohovatelná základna 2 kamery 5 s vertikálně orientovanou optickou osou. Polohovatelná základna 3 kamery 6 s horizontálně orientovanou optickou osou. Infračervený zářič 4. Kamera 5 s vertikálně orientovanou optickou osou a kamera 6 s horizontálně orientovanou optickou osou.For individual figures, the numerical marking of the elements of the realized system construction corresponds as follows. Camera system stand 1 with one vertical column and one horizontal arm. Positionable base 2 of the camera 5 with a vertically oriented optical axis. Positioning base 3 of the camera 6 with a horizontally oriented optical axis. An infrared radiator 4. A camera 5 with a vertically oriented optical axis and a camera 6 with a horizontally oriented optical axis.

- 3 CZ 24514 Ul- 3 CZ 24514 Ul

Plošina 7 se značkami pro umístění chodidel pacienta. Výpočetní zařízení 8 automatického sběru dat, a identifikace a vyhodnocování polohy hlavy a ramen v zemském souřadnicovém systému, v podobě stolního osobního počítače. Reflexní značky 9 umístěné na anatomických bodech hlavy a ramen těla pacienta. Snímač 10 polohy kamery 5 s vertikálně orientovanou optickou osou a sní5 mač 11 polohy kamery 6 s horizontálně orientovanou optickou osou.Platform 7 with marks for positioning the patient's feet. Computing device 8 of automatic data collection, and identification and evaluation of the position of the head and shoulders in the terrestrial coordinate system, in the form of a desktop personal computer. Reflective marks 9 located at the anatomical points of the patient's head and shoulders. Position sensor 10 of the camera 5 with a vertically oriented optical axis and position sensor 11 of the camera 6 with a horizontally oriented optical axis.

Jak je patrné z přiloženého Obr. I, Obr. 2 a Obr. 3, zařízení sestává ze stojanu i kamerového systému s jedním vertikálním sloupem a jedním horizontálním ramenem, stojan i tvoří nosnou konstrukci kamerového systému.As can be seen from the enclosed FIG. 1; FIG. 2 and FIG. 3, the device consists of a stand and a camera system with one vertical column and one horizontal arm, the stand also forms the supporting structure of the camera system.

Ke stojanu 1 je připevněna polohovatelná základna 2 kamery 5 s vertikálně orientovanou opticio kou osou a polohovateiná základna 3 kamery ó s horizontálně orientovanou optickou osou. K polohovatelně základně 2 je pevně připevněna kamera 5 s vertikálně orientovanou optickou osou.Attached to the stand 1 is a positionable camera base 2 with a vertically oriented optical axis and a positionable camera base 3 with a horizontally oriented optical axis. A camera 5 with a vertically oriented optical axis is fixedly fixed to the positioning base 2.

K polohovatelně základně 3 je pevně připevněna kamera 6 s horizontálně orientovanou optickou osou. Polohovatelně základny 2 a 3 jsou polohovatelně tak, aby zabezpečily přibližné nasměrování optických os kamer 5 a 6 do vertikálního a horizontálního směru, a směrem na homí polovi15 nu těla měřeného pacienta. Obě polohovatelně základny 2 a 3 mají možnost posuvného pohybu na stojanu I a naklápění kolem dvou os. Tuhá a pevná konstrukce stojanu 1 zajišťuje přibližně úhel 90° mezi optickými osami kamer 5 a 6. Použité kamery 5, 6 jsou monochromatická kamery DMK21AF04.AS IMAGING SOURCE s IR filtrem, 640x480 pixelů, propojeny s výpočetním zařízením 8 - stolním počítačem pomocí FireWire kabelů. IR filtr umístěný před objektivem ka20 mer 5, 6 propouští pouze záření v infračerveném oboru spektra od 850 nm výše.A camera 6 with a horizontally oriented optical axis is fixedly fixed to the positioning base 3. The positioning bases 2 and 3 are positionable so as to provide an approximate orientation of the optical axes of the cameras 5 and 6 in the vertical and horizontal directions, and towards the upper half of the body of the patient to be measured. Both positioning bases 2 and 3 have the possibility of sliding on the stand I and tilting about two axes. The rigid and rigid construction of the stand 1 provides an approximately 90 ° angle between the optical axes of cameras 5 and 6. The cameras 5, 6 are monochrome cameras DMK21AF04.AS IMAGING SOURCE with IR filter, 640x480 pixels, connected to a computing device 8-desktop computer using FireWire cables . The IR filter placed in front of the ka20 mer 5,6 lens transmits only infrared radiation from 850 nm upwards.

Ke kameře 5 s vertikálně orientovanou optickou osou v prostoru je pevně a přesně upevněn snímač 10 polohy kamery 5 v zemském souřadném systému. Ke kameře 6 s horizontálně orientovanou optickou osou v prostoru je pevně a přesně upevněn snímač 11 polohy kamery 6 v zemském souřadném systému. Použité snímače 10 a li jsou gyro-akcelerometry typu Phidgets USB 9 DoF.To the camera 5 with a vertically oriented optical axis in space, a sensor 10 of the position of the camera 5 in the earth coordinate system is fixed and accurately fixed. To the camera 6 with the horizontally oriented optical axis in space, the position sensor 11 of the camera 6 in the terrestrial coordinate system is fixed and accurately mounted. The 10 and li sensors used are Phidgets USB 9 DoF gyro-accelerometers.

Snímače 10 a JT polohy poskytují informaci o poloze kamer 5 a 6 pro výpočetní zařízení 8 automatického sběru dat, a identifikace a vyhodnocování polohy hlavy a ramen v zemském souřadnicovém systému, v podobě stolního počítače. K výpočetnímu zařízení 8 v podobě běžně dostupného osobního počítače jsou připojeny obě kamery 5 a 6.Position sensors 10 and JT provide position information of the cameras 5 and 6 for the automatic data acquisition device 8, and the identification and evaluation of the position of the head and arms in the earth coordinate system, in the form of a desktop computer. Both cameras 5 and 6 are connected to a computing device 8 in the form of a commercially available personal computer.

Ke stojanu i je v horní části připevněn infračervený zářič 4 k osvětlení reflexních značek 9 jo umístěných na anatomických bodech hlavy a ramen těla pacienta. Použitý infračervený zářič 4 je typu Redbeam IRD120 s výkonem 2 W emituje záření 850 nm. Šest reflexních značek 9 ve tvaru polokoule s poloměrem 2 mm je umístěno na chrupavčité výběžky ušních boltců - tragus, spodní okraje orbity - canthus - očnice, a akromióny - nadpažky na ramenou.An infrared radiator 4 is attached to the stand 1 at the top to illuminate the reflective markers 9j located at the anatomical points of the head and shoulders of the patient's body. The infrared emitter 4 used is of the type 2 Redbeam IRD120 and emits 850 nm radiation. Six reflective markings 9 in the shape of a hemisphere with a radius of 2 mm are placed on the cartilaginous projections of the ear lobes - tragus, the lower edges of the orbit - canthus - orbit, and acrromions - the shoulder straps.

Výpočet úhlů rotace, ťlexe a inklinace hlavy a rotace a inklinace ramen je prováděn na osobním počítači ze znalosti koordinátu bodů odpovídajících reflexním značkám 9 umístěným na anatomických bodech hlavy a ramen těla pacienta.Calculation of the angles of rotation, reflection and inclination of the head and rotation and inclination of the shoulders is performed on a personal computer by knowing the coordinate of the points corresponding to the reflective marks 9 located on the anatomical points of the head and shoulders of the patient.

Ke stojanu i je v dolní části připevněna plošina 2 se značkami pro umístění chodidel pacienta. Měření kamerovým systémem je prováděno tak, že si pacient stoupne před kameru 6 uchycenou na vertikálním sloupu stojanu 1 a pod kameru 5 uchycenou na horizontálním ramenu stojanu 1, přičemž chodidla umístí na plošinu 7 se značkami pro umístění chodidel. Lékař následně umístí na tělo pacienta reflexní značky 9 v souladu s polohou anatomických bodů na levé a pravé straně hlavy a ramen pacienta. Výpočetní zařízení 8 v podobě stolního počítače automaticky předává lékaři informaci o poloze anatomických os hlavy a ramen pacienta v 3D zemském souřadnicovém systému.A platform 2 with marks for positioning the patient's feet is attached to the stand 1 at the bottom. The measurement by the camera system is performed so that the patient stands in front of the camera 6 mounted on the vertical column of the stand 1 and below the camera 5 mounted on the horizontal arm of the stand 1, placing the feet on the platform 7 with the foot positioning marks. The physician will then place reflex marks 9 on the patient's body in accordance with the position of the anatomical points on the left and right sides of the patient's head and shoulders. The computing device 8 in the form of a desktop computer automatically transmits to the physician the position of the anatomical axes of the patient's head and shoulders in the 3D earth coordinate system.

Hlavní mechanickou konstrukční částí je kamerový stojan i z nerezových dílů, jehož hmotnost je přibližně 30 kg, neboť musí být zajištěna dostatečná tuhost konstrukce. Výška sloupu stojanu ije 3,1 m a délka horizontálního ramene je 1,8 m. Systém je navržen tak, aby umožňoval opakované měření pacientů různého věku a výšky postavy.The main mechanical component is a camera stand made of stainless steel, weighing approximately 30 kg, since sufficient rigidity of the structure must be ensured. The column height is 3.1 m and the horizontal arm length is 1.8 m. The system is designed to allow repeated measurements of patients of different ages and stature.

Životnost systému není omezena. Samotná konstrukce stojanu ije dostatečně tuhá, tj. nepředpo50 kládá se její degradace. Časem může docházet k opotřebení mechanických částí zajišťujících nastavování polohy a natočení kamer 5, 6. Krátkou životnost použití, z důvodu jejich degradace,System life is not limited. The construction of the stand itself is sufficiently rigid, ie its degradation is not supposed. Over time, mechanical parts for positioning and panning of cameras 5, 6 may wear. Short service life due to degradation,

-4CZ 24514 Ul mají pouze reflexní značky 9 umísťované na anatomických bodech hlavy, jejich cena je za předpokladu 100 ks - 4 tis. Kč.-4GB 24514 Ul have only reflective marks 9 placed on anatomical points of the head, their price is assuming 100 pcs - 4 thousand. CZK.

Cena konstrukce systému je nízká oproti komerčním systémům, do 20 tis. Kč pro konstrukci mechanických částí stojanu I. Cena dvou kamer 5, 6 v dostatečné kvalitě je do 20 tis. Kč. Ceny snímačů 10, 11 detekce polohy kamer 5, 6 v prostoru je také do 20 tis. Kč. Celková cena systému se pohybuje v rozmezí 60 až 70 tis. Kč, což umožňuje dostupnost systému téměř všem neurologickým a fyzioterapeutickým klinikám.The cost of the system construction is low compared to commercial systems, up to 20 thousand. The price of two cameras 5, 6 in sufficient quality is up to 20 thousand CZK. CZK. Prices of sensors 10, 11 detecting the position of cameras 5, 6 in the space is also up to 20 ths. CZK. The total price of the system ranges from 60 to 70 thousand. CZK, which makes the system available to almost all neurological and physiotherapeutic clinics.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Kamerový systém pro měření polohy hlavy a ramen pacienta v třídimenzionálním prostoru, podle io tohoto technického řešení, lze využít jako lékařský vyšetřovací přístroj v klinické praxi. Technologie umožní využití systému v ortopedii, neurologii a rehabilitaci pro sledování pokroků v léčení pacienta a jako systém umožňující formou rehabilitačních postupů trénování koordinace správného držení těla se zaměřením na homí polovinu těla. Nová technologie umožní doplnit současné systémy měření pohybu v klinické praxi a rozšíří možnosti vyšetření stoje pacienta.The camera system for measuring the position of the patient's head and shoulders in a three-dimensional space, according to this technical solution, can be used as a medical examination device in clinical practice. The technology will make it possible to use the system in orthopedics, neurology and rehabilitation to monitor progress in the treatment of the patient and as a system enabling the coordination of correct posture with the focus on the upper half of the body through rehabilitation procedures. The new technology will complement existing motion measurement systems in clinical practice and will extend the possibilities of patient standing examination.

Claims (6)

15 NÁROKY NA OCHRANU15 PROTECTION REQUIREMENTS 1. Zařízení pro určení polohy hlavy a ramen pacienta, zejména k lékařským aplikacím v neurologii a rehabilitaci, vyznačující se tím, že sestává ze stojanu (1) opatřeného první polohovatelnou základnou (2) pro kameru (5) s vertikálně orientovanou optickou osou a snímač (10) její polohy a druhou poloho vatel nou základnou (3) pro kameru (6) s horizontálně oríentova20 nou optickou osou a snímač (11) její polohy, pro profilové snímky pacienta opatřeného alespoň šesti reflexními značkami (9) tvaru polokoule umístěnými na anatomické body hlavy a ramen a ke spodní části stojanu (1) je připojena plošina (7) se značkami pro umístění chodidel pacienta.A device for determining the position of the head and shoulders of a patient, in particular for medical applications in neurology and rehabilitation, characterized in that it comprises a stand (1) provided with a first positionable base (2) for a camera (5) with vertically oriented optical axis and sensor (10) its position and a second locatable base (3) for a camera (6) with a horizontally oriented optical axis and a position sensor (11) thereof for profile pictures of a patient provided with at least six hemispherical reflective marks (9) positioned on the anatomical a head and shoulder points and a platform (7) with markings for positioning the patient's feet is attached to the bottom of the stand (1). 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke stojanu (1) je připojen infračervený zářič (4) pro nasvětlení reflexních značek (9).Device according to claim 1, characterized in that an infrared radiator (4) is connected to the stand (1) to illuminate the reflective marks (9). 2525 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že první polohovatelná základna (2) pro kameru (5) je posuvná a sklopná kolem dvou os a druhá polohovatelná základna (3) pro kameru (6) je posuvná a sklopná kolem dvou os.Device according to claim 1, characterized in that the first positionable base (2) for the camera (5) is movable and tiltable about two axes and the second positionable base (3) for the camera (6) is movable and tiltable about two axes. 4. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že snímač (10) polohy je přesně a pevně uchycen ke kameře (5) a snímač (11) polohy je přesně a pevně uchycen ke ka30 meře (6).Device according to claim 1 or 2, characterized in that the position sensor (10) is precisely and firmly attached to the camera (5) and the position sensor (11) is precisely and firmly attached to the camera (6). 5. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kamera (5) se snímačem polohy (10) a kamera (6) se snímačem polohy (11) jsou propojeny s výpočetním zařízením (8).Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the camera (5) with the position sensor (10) and the camera (6) with the position sensor (11) are connected to a computing device (8). 6. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že plo35 šina (7) se značkami pro umístění chodidel pacienta je připevněna k stojanu (1) a střed plošiny (7) se nachází pod kamerou (5).Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the platform (7) with marks for positioning the patient's feet is attached to the stand (1) and the center of the platform (7) is located below the camera (5).