用于患者颜面缺损修复的双单目白光三维测量系统

摘要

用于患者颜面缺损修复的双单目白光三维测量系统，属于光学测量、机械工程和医学工程技术领域。包括左单目测量头、右单目测量头、测量头支架、测量头平移机构、控制柜和计算机。本发明基于结构光投影三维视觉测量技术，采用双单目测量结构，左幻灯投影仪和右幻灯投影仪均使用对人体安全的白光源来背投物理编码光栅，将格雷码和相移编码条纹投射至颜面缺损患者左右侧面部，左摄像机和右摄像机拍摄到变形的光栅图像后，通过图像解码、三角原理和双目测量数据合并，实现对完整患者颜面三维形貌的测量。本发明可在非接触条件下实现对患者颜面自然状态软组织的精确数据采集，为临床颜面缺损修复治疗提供实用可靠的患者颜面三维形貌原始数据。

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种用于患者颜面缺损修复的双单目白光三维测量系统。特别是一种基于结构光投影三维视觉测量技术，采用双单目测量结构，对颜面缺损患者的颜面形貌实现完整数据采集的三维测量系统。属于光学测量、机械工程和医学工程技术领域。

背景技术：

各种原因造成的颜面缺损，不仅会给患者带来生理功能的障碍，同时会使患者产生严重的心理障碍，难以进行正常的工作和社交，甚至使许多患者丧失生活的信心。由于颌面器官的特殊解剖形态、组织结构及其他影响因素，颜面大面积缺损通常采用赝复体进行修复治疗。该技术的关键在于患者颜面缺损区信息的精确获取，以满足赝复体形状，定位，与组织面贴合，边缘处理及形态学等方面的诸多精度要求。

传统的患者颜面缺损区数据采集技术一直停留在印模制取的阶段。它采用各类印模材料取得患者的缺损区的缺损状况，翻制模型后，再由技师凭经验进行手工的蜡形雕刻，充填后完成。这种印模制取方法存在很多缺点：比如说印模材料会对组织产生一定的刺激性，并可能引起软组织移位，造成模型偏差；同时存在制作工艺复杂、制作周期长、成型赝复体美学效果差，定位和贴合不准等问题。

随着科技的发展，部分国内外学者和临床医生开始采用电脑断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、激光扫描等技术实现患者缺损颜面的三维测量和图像重建，可替代传统的印模制取方法而获得相对较精确的缺损区信息。但这些测量方法仍然具有一定的局限性。CT和MRI测量方法空间分辨率低、测量精度差，获取数据时间长，对软组织的重建有一定的欠缺，而且扫描的放射线对人体有潜在的损害。激光测量的速度同样较慢，无法确保整个测量过程中患者颜面形貌的绝对静止，加上激光光源对人眼有潜在的伤害，都限制了这些方法在颜面缺损修复中的进一步应用。

白光三维测量是近年来迅速发展的一种测量方法，它采用类似照相的原理，在几秒之内，即可获取上百万个点的测量数据。而且白光测量安全，对人体没有任何伤害，是一种有前途的人体数据测量及三维重建的好方法。然而，由于患者颜面测量的特殊性，限制了现有白光三维测量技术在这领域的应用。比如现有的白光三维测量技术通常采用的是数字式投影仪。已有技术中，G.H.Notni在其论文Digital Fringe Projection in 3D Shape Measurement：an Error Analysis(Proceedings of SPIE，Vol.5144，2003)提到这种数字式投影方式只能投射离散光强分布和离散空间分布的条纹，从而导致光强量化误差和空间量化误差，影响系统测量精度。并且，数字式投影仪投射条纹的最大光强和对比度较低，使得投射至患者颜面特别是深肤色缺损部位的条纹不易提取。另外，现有的白光三维测量技术通常实现单一视角的测量，要获取完整数据需要多视角测量，并进行软件拼合；J.在其论文Three dimensional measurement of human face withstructured-light illumination(Measurement Science Review，Volume 6，Section 2，No.1，2006)中所使用的名为ShapeCam的三维颜面测量系统是一个由数字式投影仪和摄像机组成的单目测量头。该系统在测量多个视角颜面数据后不得不再使用ShapeMatcher这个软件进行拼合以获得完整颜面数据。由于整个测量过程中患者姿势和颜面形态不可能保持绝对静止不动，所以多视角测量后拼合会引入较大的拼合误差，从而导致患者颜面测量数据的不精确。

发明内容：

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明针对颜面测量的特点，提出了一种全新的用于患者颜面缺损修复的双单目白光三维测量系统。采用结构光投影三维视觉测量技术，能在非接触条件下实现对患者颜面自然状态软组织的精确数据采集，为临床颜面缺损修复治疗提供实用可靠的患者颜面三维形貌原始数据。

本发明是通过下述技术方案实现的。本发明包括左单目测量头、右单目测量头、测量头支架、测量头平移机构、控制柜和计算机。其中左单目测量头包括左幻灯投影仪和左摄像机，右单目测量头包括右幻灯投影仪和右摄像机。左幻灯投影仪和右幻灯投影仪分别置于左摄像机和右摄像机上方。左幻灯投影仪和右幻灯投影仪均由白光源、隔热玻璃、物理编码光栅、光栅平移机构、投影镜头组成。白光源经过隔热玻璃隔热，背投至物理编码光栅，将物理编码光栅的编码结构光条纹图案通过投影镜头投射至患者颜面。

左摄像机用来采集左幻灯投影仪投射到颜面缺损患者左侧面部的结构光条纹图案。右摄像机用来采集右幻灯投影仪投射到颜面缺损患者右侧面部的结构光条纹图案。由于颜面三维形貌对图案的调制作用，投射至颜面的结构光条纹图案发生变形。左摄像机和右摄像机均采集包含有颜面三维形貌信息的变形结构光条纹图像，通过图像解码、三角测量原理和双目测量数据合并，实现对患者颜面形貌的三维测量。

物理编码光栅使用光刻技术将测量所需的格雷码和相移组合编码结构光条纹图案刻在一块膨胀率极小的石英玻璃上制成。物理编码光栅上结构光条纹图案由7幅格雷码图案和4幅相移图案组成。这种组合编码健壮性好，分辨率高，既可测量突变或不连续表面，又可获得表面的精细纹理，适用于颜面缺损患者颜面三维形貌的测量。物理编码光栅安装在步进电机驱动的光栅平移机构上。光栅平移机构沿编码结构光图案条纹方向移动，实现投影结构光图案的切换。

左单目测量头和右单目测量头固定于测量头支架的两端，并通过测量头支架中点实现和测量头平移机构的固定链接。测量头平移机构是一两轴直线移动平台，可做上下和前后的位置平移。

控制柜放置可编程控制器(PLC)和元器件，实现左幻灯投影仪、右幻灯投影仪和测量头平移机构的控制。具体包括对左幻灯投影仪和右幻灯投影仪中光栅平移机构的控制、左幻灯投影仪和右幻灯投影仪中白光源的通断控制、测量头平移机构的上下和前后平移控制。

计算机通过串口按照PLC通讯协议查询PLC状态及发布指令，控制左幻灯投影仪、右幻灯投影仪和测量头平移机构的运作；同时通过通用串行总线(USB)控制左摄像机和右摄像机拍摄及图像数据传输，从而按照测量系统控制策略，实现对测量系统整个测量过程的控制。

本发明的有益效果：

本发明采用结构光投影三维视觉测量技术，能在非接触条件下对患者颜面自然状态软组织形貌进行精确数据采集，测量精度在0.03mm以内；作为一种面扫描技术，结构光投影三维视觉测量能在8s内完成对颜面缺损患者完整颜面的测量，可获得近200万三维数据点云；采用双单目测量结构，一次测量即可获取患者颜面完整数据，避免了多视角数据拼合误差；采用物理编码光栅投影，可获得高对比度、连续光强分布的结构光投影条纹。该测量系统的临床应用可以取代传统颜面缺损修复中赝复体制作的印模制取工艺过程，大大缩短治疗周期，减少了技师工作强度。由于这些数据直接来自患者自然状态，制成的赝复体与患者颜面缺损部位可做到十分精确的吻合，极大地减少由于人为原因造成的误差，提高赝复体制作精度，降低了手术的风险性。相对于CT、MRI、激光等技术，采用白光作为背投光源，对人体不产生任何潜在伤害。

附图说明：

图1本发明双单目白光三维测量系统示意图

图2本发明幻灯投影仪结构示意图

图3本发明测量系统控制原理示意图

图中1左单目测量头、2右单目测量头、3测量头支架、4测量头平移机构、5控制柜、6计算机、7左幻灯投影仪、8左摄像机、9右幻灯投影仪、10右摄像机、11白光源、12隔热玻璃、13物理编码光栅、14光栅平移机构、15投影镜头、16患者颜面

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。

如图1、图2、图3所示，本发明包括左单目测量头1、右单目测量头2、测量头支架3、测量头平移机构4、控制柜5和计算机6。其中左单目测量头1包括左幻灯投影仪7和左摄像机8，右单目测量头2包括右幻灯投影仪9和右摄像机10。左幻灯投影仪7和右幻灯投影仪9分别置于左摄像机8和右摄像机10上方。左幻灯投影仪7和右幻灯投影仪9均由白光源11、隔热玻璃12、物理编码光栅13、光栅平移机构14、投影镜头15组成。白光源11经过隔热玻璃12隔热，背投至物理编码光栅13，将物理编码光栅13的编码结构光条纹图案通过投影镜头15投射至患者颜面16。

左摄像机8和右摄像机10均采用Basler A102k工业摄像机。左摄像机8用来采集左幻灯投影仪7投射到颜面缺损患者左侧面部的结构光条纹图案。右摄像机10用来采集右幻灯投影仪9投射到颜面缺损患者右侧面部的结构光条纹图案。由于颜面三维形貌对图案的调制作用，投射至颜面的结构光条纹图案发生变形。左摄像机8和右摄像机10采集包含有颜面三维形貌信息的变形结构光条纹图像，通过图像解码和三角测量原理，实现对患者颜面形貌的三维测量。

物理编码光栅13使用光刻技术将测量所需的格雷码和相移组合编码结构光条纹图案刻在一块膨胀率极小的石英玻璃上制成。物理编码光栅13上结构光条纹图案由7幅格雷码图案和4幅相移图案组成。物理编码光栅13安装在步进电机驱动的光栅平移机构14上。光栅平移机构14沿编码图案条纹方向移动，实现投影结构光图案的切换。

测量头支架3为长600-800mm的铝合金型材。左单目测量头1和右单目测量头2相互成40-50度角固定于测量头支架3的两端。测量头平移机构4和测量头支架3中间位置固接。测量头平移机构4是一两轴直线移动平台，可做上下420mm行程范围和前后200mm行程范围的位置平移。

控制柜5放置可编程控制器(PLC)和元器件。控制柜5分别与左幻灯投影仪7、右幻灯投影仪9和测量头平移机构4电连接，分别控制左幻灯投影仪7和右幻灯投影仪9中光栅平移机构14的平移、左幻灯投影仪7和右幻灯投影仪9中白光源11的通断、测量头平移机构4的上下和前后平移。

计算机6通过串口和控制柜5中的PLC电连接，按照PLC通讯协议查询PLC状态及发布指令，控制左幻灯投影仪7、右幻灯投影仪9和测量头平移机构4的运作；计算机6通过通用串行总线(USB)分别与左摄像机8和右摄像机10电连接，控制左摄像机8和右摄像机10拍摄及图像数据传输，从而按照测量系统控制策略，实现对测量系统整个测量过程的控制。

为避免外界环境光照条件对白光三维测量的影响，本发明将左单目测量头1、右单目测量头2、测量头支架3和测量头平移机构4安置于小型暗室中，在隔绝外界光照的情况下，对坐于暗室中的颜面缺损患者进行颜面测量。测量时，患者可处于舒适的坐姿，由医护人员上下和前后点动移动测量头平移机构4，根据左摄像机8和右摄像机10实时拍摄的场景，将左单目测量头1和右单目测量头2调整至合适的测量位置后开始对患者颜面进行测量。