專利名稱：用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)。特別是一種基于結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，采用雙單目測(cè)量結(jié)構(gòu)，對(duì)顏面缺損患者的顏面形貌實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)采集的三維測(cè)量系統(tǒng)。屬于光學(xué)測(cè)量、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
各種原因造成的顏面缺損，不僅會(huì)給患者帶來(lái)生理功能的障礙，同時(shí)會(huì)使患者產(chǎn)生嚴(yán)重的心理障礙，難以進(jìn)行正常的工作和社交，甚至使許多患者喪失生活的信心。由于頜面器官的特殊解剖形態(tài)、組織結(jié)構(gòu)及其他影響因素，顏面大面積缺損通常采用贗復(fù)體進(jìn)行修復(fù)治療。該技術(shù)的關(guān)鍵在于患者顏面缺損區(qū)信息的精確獲取，以滿足贗復(fù)體形狀，定位，與組織面貼合，邊緣處理及形態(tài)學(xué)等方面的諸多精度要求。
傳統(tǒng)的患者顏面缺損區(qū)數(shù)據(jù)采集技術(shù)一直停留在印模制取的階段。它采用各類印模材料取得患者的缺損區(qū)的缺損狀況，翻制模型后，再由技師憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工的蠟形雕刻，充填后完成。這種印模制取方法存在很多缺點(diǎn)比如說(shuō)印模材料會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生一定的刺激性，并可能引起軟組織移位，造成模型偏差；同時(shí)存在制作工藝復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)、成型贗復(fù)體美學(xué)效果差，定位和貼合不準(zhǔn)等問(wèn)題。
隨著科技的發(fā)展，部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者和臨床醫(yī)生開(kāi)始采用電腦斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、激光掃描等技術(shù)實(shí)現(xiàn)患者缺損顏面的三維測(cè)量和圖像重建，可替代傳統(tǒng)的印模制取方法而獲得相對(duì)較精確的缺損區(qū)信息。但這些測(cè)量方法仍然具有一定的局限性。CT和MRI測(cè)量方法空間分辨率低、測(cè)量精度差，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)軟組織的重建有一定的欠缺，而且掃描的放射線對(duì)人體有潛在的損害。激光測(cè)量的速度同樣較慢，無(wú)法確保整個(gè)測(cè)量過(guò)程中患者顏面形貌的絕對(duì)靜止，加上激光光源對(duì)人眼有潛在的傷害，都限制了這些方法在顏面缺損修復(fù)中的進(jìn)一步應(yīng)用。
白光三維測(cè)量是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種測(cè)量方法，它采用類似照相的原理，在幾秒之內(nèi)，即可獲取上百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。而且白光測(cè)量安全，對(duì)人體沒(méi)有任何傷害，是一種有前途的人體數(shù)據(jù)測(cè)量及三維重建的好方法。然而，由于患者顏面測(cè)量的特殊性，限制了現(xiàn)有白光三維測(cè)量技術(shù)在這領(lǐng)域的應(yīng)用。比如現(xiàn)有的白光三維測(cè)量技術(shù)通常采用的是數(shù)字式投影儀。已有技術(shù)中，G.H.Notni在其論文Digital Fringe Projection in 3D Shape Measurementan Error Analysis(Proceedings of SPIE，Vol.5144，2003)提到這種數(shù)字式投影方式只能投射離散光強(qiáng)分布和離散空間分布的條紋，從而導(dǎo)致光強(qiáng)量化誤差和空間量化誤差，影響系統(tǒng)測(cè)量精度。并且，數(shù)字式投影儀投射條紋的最大光強(qiáng)和對(duì)比度較低，使得投射至患者顏面特別是深膚色缺損部位的條紋不易提取。另外，現(xiàn)有的白光三維測(cè)量技術(shù)通常實(shí)現(xiàn)單一視角的測(cè)量，要獲取完整數(shù)據(jù)需要多視角測(cè)量，并進(jìn)行軟件拼合；J.

在其論文Three dimensional measurement of human face withstructured-light illumination(Measurement Science Review，Volume 6，Section 2，No.1，2006)中所使用的名為ShapeCam的三維顏面測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)由數(shù)字式投影儀和攝像機(jī)組成的單目測(cè)量頭。該系統(tǒng)在測(cè)量多個(gè)視角顏面數(shù)據(jù)后不得不再使用ShapeMatcher這個(gè)軟件進(jìn)行拼合以獲得完整顏面數(shù)據(jù)。由于整個(gè)測(cè)量過(guò)程中患者姿勢(shì)和顏面形態(tài)不可能保持絕對(duì)靜止不動(dòng)，所以多視角測(cè)量后拼合會(huì)引入較大的拼合誤差，從而導(dǎo)致患者顏面測(cè)量數(shù)據(jù)的不精確。


發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明針對(duì)顏面測(cè)量的特點(diǎn)，提出了一種全新的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)。采用結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，能在非接觸條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)患者顏面自然狀態(tài)軟組織的精確數(shù)據(jù)采集，為臨床顏面缺損修復(fù)治療提供實(shí)用可靠的患者顏面三維形貌原始數(shù)據(jù)。
本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明包括左單目測(cè)量頭、右單目測(cè)量頭、測(cè)量頭支架、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)、控制柜和計(jì)算機(jī)。其中左單目測(cè)量頭包括左幻燈投影儀和左攝像機(jī)，右單目測(cè)量頭包括右幻燈投影儀和右攝像機(jī)。左幻燈投影儀和右幻燈投影儀分別置于左攝像機(jī)和右攝像機(jī)上方。左幻燈投影儀和右幻燈投影儀均由白光源、隔熱玻璃、物理編碼光柵、光柵平移機(jī)構(gòu)、投影鏡頭組成。白光源經(jīng)過(guò)隔熱玻璃隔熱，背投至物理編碼光柵，將物理編碼光柵的編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案通過(guò)投影鏡頭投射至患者顏面。
左攝像機(jī)用來(lái)采集左幻燈投影儀投射到顏面缺損患者左側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。右攝像機(jī)用來(lái)采集右幻燈投影儀投射到顏面缺損患者右側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。由于顏面三維形貌對(duì)圖案的調(diào)制作用，投射至顏面的結(jié)構(gòu)光條紋圖案發(fā)生變形。左攝像機(jī)和右攝像機(jī)均采集包含有顏面三維形貌信息的變形結(jié)構(gòu)光條紋圖像，通過(guò)圖像解碼、三角測(cè)量原理和雙目測(cè)量數(shù)據(jù)合并，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者顏面形貌的三維測(cè)量。
物理編碼光柵使用光刻技術(shù)將測(cè)量所需的格雷碼和相移組合編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案刻在一塊膨脹率極小的石英玻璃上制成。物理編碼光柵上結(jié)構(gòu)光條紋圖案由7幅格雷碼圖案和4幅相移圖案組成。這種組合編碼健壯性好，分辨率高，既可測(cè)量突變或不連續(xù)表面，又可獲得表面的精細(xì)紋理，適用于顏面缺損患者顏面三維形貌的測(cè)量。物理編碼光柵安裝在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光柵平移機(jī)構(gòu)上。光柵平移機(jī)構(gòu)沿編碼結(jié)構(gòu)光圖案條紋方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影結(jié)構(gòu)光圖案的切換。
左單目測(cè)量頭和右單目測(cè)量頭固定于測(cè)量頭支架的兩端，并通過(guò)測(cè)量頭支架中點(diǎn)實(shí)現(xiàn)和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)的固定鏈接。測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)是一兩軸直線移動(dòng)平臺(tái)，可做上下和前后的位置平移。
控制柜放置可編程控制器(PLC)和元器件，實(shí)現(xiàn)左幻燈投影儀、右幻燈投影儀和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)的控制。具體包括對(duì)左幻燈投影儀和右幻燈投影儀中光柵平移機(jī)構(gòu)的控制、左幻燈投影儀和右幻燈投影儀中白光源的通斷控制、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)的上下和前后平移控制。
計(jì)算機(jī)通過(guò)串口按照PLC通訊協(xié)議查詢PLC狀態(tài)及發(fā)布指令，控制左幻燈投影儀、右幻燈投影儀和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)作；同時(shí)通過(guò)通用串行總線(USB)控制左攝像機(jī)和右攝像機(jī)拍攝及圖像數(shù)據(jù)傳輸，從而按照測(cè)量系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，能在非接觸條件下對(duì)患者顏面自然狀態(tài)軟組織形貌進(jìn)行精確數(shù)據(jù)采集，測(cè)量精度在0.03mm以內(nèi)；作為一種面掃描技術(shù)，結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量能在8s內(nèi)完成對(duì)顏面缺損患者完整顏面的測(cè)量，可獲得近200萬(wàn)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云；采用雙單目測(cè)量結(jié)構(gòu)，一次測(cè)量即可獲取患者顏面完整數(shù)據(jù)，避免了多視角數(shù)據(jù)拼合誤差；采用物理編碼光柵投影，可獲得高對(duì)比度、連續(xù)光強(qiáng)分布的結(jié)構(gòu)光投影條紋。該測(cè)量系統(tǒng)的臨床應(yīng)用可以取代傳統(tǒng)顏面缺損修復(fù)中贗復(fù)體制作的印模制取工藝過(guò)程，大大縮短治療周期，減少了技師工作強(qiáng)度。由于這些數(shù)據(jù)直接來(lái)自患者自然狀態(tài)，制成的贗復(fù)體與患者顏面缺損部位可做到十分精確的吻合，極大地減少由于人為原因造成的誤差，提高贗復(fù)體制作精度，降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性。相對(duì)于CT、MRI、激光等技術(shù)，采用白光作為背投光源，對(duì)人體不產(chǎn)生任何潛在傷害。



圖1本發(fā)明雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)示意圖 圖2本發(fā)明幻燈投影儀結(jié)構(gòu)示意圖 圖3本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)控制原理示意圖 圖中1左單目測(cè)量頭、2右單目測(cè)量頭、3測(cè)量頭支架、4測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)、5控制柜、6計(jì)算機(jī)、7左幻燈投影儀、8左攝像機(jī)、9右幻燈投影儀、10右攝像機(jī)、11白光源、12隔熱玻璃、13物理編碼光柵、14光柵平移機(jī)構(gòu)、15投影鏡頭、16患者顏面
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步描述。
如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括左單目測(cè)量頭1、右單目測(cè)量頭2、測(cè)量頭支架3、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4、控制柜5和計(jì)算機(jī)6。其中左單目測(cè)量頭1包括左幻燈投影儀7和左攝像機(jī)8，右單目測(cè)量頭2包括右幻燈投影儀9和右攝像機(jī)10。左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9分別置于左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10上方。左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9均由白光源11、隔熱玻璃12、物理編碼光柵13、光柵平移機(jī)構(gòu)14、投影鏡頭15組成。白光源11經(jīng)過(guò)隔熱玻璃12隔熱，背投至物理編碼光柵13，將物理編碼光柵13的編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案通過(guò)投影鏡頭15投射至患者顏面16。
左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10均采用Basler A102k工業(yè)攝像機(jī)。左攝像機(jī)8用來(lái)采集左幻燈投影儀7投射到顏面缺損患者左側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。右攝像機(jī)10用來(lái)采集右幻燈投影儀9投射到顏面缺損患者右側(cè)面部的結(jié)構(gòu)光條紋圖案。由于顏面三維形貌對(duì)圖案的調(diào)制作用，投射至顏面的結(jié)構(gòu)光條紋圖案發(fā)生變形。左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10采集包含有顏面三維形貌信息的變形結(jié)構(gòu)光條紋圖像，通過(guò)圖像解碼和三角測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者顏面形貌的三維測(cè)量。
物理編碼光柵13使用光刻技術(shù)將測(cè)量所需的格雷碼和相移組合編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案刻在一塊膨脹率極小的石英玻璃上制成。物理編碼光柵13上結(jié)構(gòu)光條紋圖案由7幅格雷碼圖案和4幅相移圖案組成。物理編碼光柵13安裝在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光柵平移機(jī)構(gòu)14上。光柵平移機(jī)構(gòu)14沿編碼圖案條紋方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)投影結(jié)構(gòu)光圖案的切換。
測(cè)量頭支架3為長(zhǎng)600-800mm的鋁合金型材。左單目測(cè)量頭1和右單目測(cè)量頭2相互成40-50度角固定于測(cè)量頭支架3的兩端。測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4和測(cè)量頭支架3中間位置固接。測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4是一兩軸直線移動(dòng)平臺(tái)，可做上下420mm行程范圍和前后200mm行程范圍的位置平移。
控制柜5放置可編程控制器(PLC)和元器件?？刂乒?分別與左幻燈投影儀7、右幻燈投影儀9和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4電連接，分別控制左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9中光柵平移機(jī)構(gòu)14的平移、左幻燈投影儀7和右幻燈投影儀9中白光源11的通斷、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4的上下和前后平移。
計(jì)算機(jī)6通過(guò)串口和控制柜5中的PLC電連接，按照PLC通訊協(xié)議查詢PLC狀態(tài)及發(fā)布指令，控制左幻燈投影儀7、右幻燈投影儀9和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4的運(yùn)作；計(jì)算機(jī)6通過(guò)通用串行總線(USB)分別與左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10電連接，控制左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10拍攝及圖像數(shù)據(jù)傳輸，從而按照測(cè)量系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制。
為避免外界環(huán)境光照條件對(duì)白光三維測(cè)量的影響，本發(fā)明將左單目測(cè)量頭1、右單目測(cè)量頭2、測(cè)量頭支架3和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4安置于小型暗室中，在隔絕外界光照的情況下，對(duì)坐于暗室中的顏面缺損患者進(jìn)行顏面測(cè)量。測(cè)量時(shí)，患者可處于舒適的坐姿，由醫(yī)護(hù)人員上下和前后點(diǎn)動(dòng)移動(dòng)測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)4，根據(jù)左攝像機(jī)8和右攝像機(jī)10實(shí)時(shí)拍攝的場(chǎng)景，將左單目測(cè)量頭1和右單目測(cè)量頭2調(diào)整至合適的測(cè)量位置后開(kāi)始對(duì)患者顏面進(jìn)行測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，包括左單目測(cè)量頭(1)、右單目測(cè)量頭(2)、測(cè)量頭支架(3)、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)、控制柜(5)和計(jì)算機(jī)(6)，其特征在于左單目測(cè)量頭(1)包括左幻燈投影儀(7)和左攝像機(jī)(8)，右單目測(cè)量頭(2)包括右幻燈投影儀(9)和右攝像機(jī)(10)；左幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9)分別置于左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)上方；左幻燈投影儀(7)和右幻燈投影儀(9)均由白光源(11)、隔熱玻璃(12)、物理編碼光柵(13)、光柵平移機(jī)構(gòu)(14)、投影鏡頭(15)組成；物理編碼光柵(13)安裝在光柵平移機(jī)構(gòu)(14)上，光柵平移機(jī)構(gòu)(14)沿編碼圖案條紋方向移動(dòng)；左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)固定于測(cè)量頭支架(3)的兩端；測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)和測(cè)量頭支架(3)中間位置固接；控制柜(5)放置可編程控制器(PLC)和元器件；控制柜(5)分別與左幻燈投影儀(7)、右幻燈投影儀(9)和測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)電連接；計(jì)算機(jī)(6)通過(guò)串口和控制柜(5)中的PLC電連接；計(jì)算機(jī)(6)通過(guò)通用串行總線(USB)分別與左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述的左單目測(cè)量頭(1)和右單目測(cè)量頭(2)相互成40-50度角固定于測(cè)量頭支架(3)的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述的測(cè)量頭支架(3)是長(zhǎng)為600-800mm的鋁合金型材。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，其特征是測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)(4)是一兩軸直線移動(dòng)平臺(tái)，其上下行程為420mm，前后行程為200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述的物理編碼光柵(13)的結(jié)構(gòu)光條紋圖案由7幅格雷碼圖案和4幅相移圖案組成；物理編碼光柵(13)是使用光刻技術(shù)將測(cè)量所需的格雷碼和相移組合編碼結(jié)構(gòu)光條紋圖案刻在一塊膨脹率極小的石英玻璃上制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述的左攝像機(jī)(8)和右攝像機(jī)(10)均采用型號(hào)為BaslerA102k的工業(yè)攝像機(jī)。
全文摘要
用于患者顏面缺損修復(fù)的雙單目白光三維測(cè)量系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。包括左單目測(cè)量頭、右單目測(cè)量頭、測(cè)量頭支架、測(cè)量頭平移機(jī)構(gòu)、控制柜和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光投影三維視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，采用雙單目測(cè)量結(jié)構(gòu)，左幻燈投影儀和右幻燈投影儀均使用對(duì)人體安全的白光源來(lái)背投物理編碼光柵，將格雷碼和相移編碼條紋投射至顏面缺損患者左右側(cè)面部，左攝像機(jī)和右攝像機(jī)拍攝到變形的光柵圖像后，通過(guò)圖像解碼、三角原理和雙目測(cè)量數(shù)據(jù)合并，實(shí)現(xiàn)對(duì)完整患者顏面三維形貌的測(cè)量。本發(fā)明可在非接觸條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)患者顏面自然狀態(tài)軟組織的精確數(shù)據(jù)采集，為臨床顏面缺損修復(fù)治療提供實(shí)用可靠的患者顏面三維形貌原始數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)A61B5/107GK101301199SQ200810038198
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者習(xí)俊通, 陳曉波, 熊耀陽(yáng), 張富強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)