強直性脊柱炎患者脊柱運動能力的研究.pdf

1、背景:強直性脊柱炎是一個以中軸受累為主的血清陰性脊柱關節(jié)病，以脊柱及骶髂關節(jié)的慢性炎癥為特征的全身進行性自身免疫性疾病。嚴重者可發(fā)生脊柱畸形和關節(jié)強直，具有病程長、纏綿難愈、誤診率高、致殘率高的特點。在我國患病率約為0.3％。本病以男性發(fā)病居多，主要累及腦力和體力處于最佳狀態(tài)的30歲以內(nèi)的青年男性，是青壯年致殘的主要原因之一。臨床癥狀和體征在強直性脊柱炎的的診斷中意義重大，主要臨床表現(xiàn)為:腰背部疼痛、發(fā)僵、活動受限、脊柱畸形、外周關節(jié)炎

2、或關節(jié)外癥狀。臨床體格檢查可見:直腿抬高試驗、“4”字試驗、骶髂關節(jié)叩擊痛等相關檢查陽性，并可有Schober試驗、指地距、胸廓活動度、頜柄距等指標異常。本病的特點為逐漸出現(xiàn)的骶髂關節(jié)、脊柱各關節(jié)的纖維化及骨性強直，至晚期骨強直后，病情即不可逆轉。脊柱強直常?？蓪е录怪幕顒佣认陆担羌膊∵M展的特征之一，對評估患者病情進展及生活質量具有重要意義。近年來文獻多從枕墻距、指地距、頜柄距、胸廓活動度、Schober指數(shù)等指標出發(fā)探討強直性脊柱

3、炎患者的脊柱運動能力，以作為“以動防殘”這一指導強直性脊柱炎患者運動康復原則的依據(jù)。而這些數(shù)據(jù)主要測量的是脊柱側位的伸屈度和前后的位移，盡管能在一定程度上反映脊柱的運動形態(tài)，但脊柱運動歸根結底是一個立體的三維運動。
　　 正常人的脊柱輪廓包含了頸部和腰部的前凸以及胸部和骶骨處的后凸，整個脊椎骨及其周圍相連系的韌帶等軟組織共同保持了脊柱的自然彎曲和平衡，任何關于脊柱正常曲線的改變都可能是脊柱異常信號的表現(xiàn)，而作為脊柱輪廓測量的方法

4、在脊柱失序的臨床診斷或者人體工程學研究等方面有著重要的意義。脊柱節(jié)段的運動是上/下、前/后和左/右移位以及前屈/后伸、左/右側彎和左/右軸向旋轉角度等六種運動的復合，具有較大的自由度，屬于三維運動，要保證其測量的精確度則需采用三維測量系統(tǒng)的技術。
　　 而作為國外開展的應用脊柱測量儀（Spinalmouse）測量脊柱運動能力的方法則能最大程度的反映脊柱運動的能力，但從我們前期應用的實際效果來看，脊柱測量儀存在著儀器使用成本過高等

5、局限，這就要求必須通過一種更為經(jīng)濟實用的方法來實現(xiàn)脊柱測量儀測量脊柱運動功能的同時，降低使用成本。
　　 近些年來，隨著計算機圖像處理技術和計算機視覺研究的不斷深入，逆向工程、現(xiàn)代制造技術、多媒體技術的飛速發(fā)展，使采用三維測量技術確定物體的空間位置成為可能，并使三維測量系統(tǒng)的技術日臻成熟，并在工程設計、質量控制、機器人、高速在線檢測、醫(yī)學診斷、計算機半自動設計、計算機輔助制造及刑事偵察等領域起著越來越重要的作用。
　　

6、文獻介紹了三維測量系統(tǒng)的在各個方面的應用，該系統(tǒng)不僅可以快速獲取大量三維數(shù)據(jù)信息，并且能夠以最小的占地面積獲得較大的測量范圍，測量精度和測量速度完全能夠滿足相應要求，因此能夠極大地提高檢測設備的應用范圍?？傊S著視覺技術的不斷成熟和發(fā)展，三維測量系統(tǒng)將在不遠的將來成為發(fā)展的主流。
　　 目的:本實驗旨在通過對脊柱測量儀測評強直性脊柱炎患者脊柱運動能力的研究及三維測量系統(tǒng)的研制，探討出一種能切實有效而又經(jīng)濟可行的測量出人體脊柱三

7、維活動的一種方法來作為強直性脊柱炎患者測量脊柱運動能力的方式。
　　 方法:
　　 一、運用目前國際上已普遍認可的脊柱測量儀對強直性脊柱炎患者的脊柱運動能力進行測評，來具體了解脊柱測量儀對強直性脊柱炎患者脊柱運動能力實現(xiàn)的方式以及測評的方法。
　　 二、為了能夠實現(xiàn)三維測量系統(tǒng)中的圖像采集與處理，需要一套可以用來做圖像收集的系統(tǒng)，一套可以作為特征點提取、圖像匹配和三維重建的相關軟件，以及在實現(xiàn)三維重建過程中的攝像

8、機標定方法的設計和測量精度的分析。
　　 在三維測量系統(tǒng)中，計算機視覺系統(tǒng)是重要的組成部分，其中的攝像機的標定是確定攝像機幾何與光學特性（內(nèi)部參數(shù)）或攝像機結構相對于某個世界坐標系的三維位置和方向（外部參數(shù)）的重要方式。攝像機標定是計算機視覺技術的基礎，因為在許多情況下，計算機視覺系統(tǒng)的綜合性能與攝像機標定的精度密切相關。精確標定攝像機內(nèi)外參數(shù)不僅可以直接提高測量精度，而且可以為后續(xù)的立體匹配與三維重建奠定良好的基礎。因此，需要

9、設計出一套能夠實現(xiàn)三維重建過程中的攝像機精確標定方法和高測量精度的系統(tǒng)來實現(xiàn)三維測量的準確測量。
　　 三、在了解脊柱整體的曲度和活動度的同時，還需要細化至每個椎體的曲度和活動度，這就需要在整個脊柱上將每個椎體節(jié)段細化以指導更進一步的單個椎體曲度和活動度的研究。將隨機回顧收集由2位未參加本試驗研究的高年資（＞15年）放射診斷醫(yī)師從南方醫(yī)科大學附屬南方醫(yī)院2010年3月至2012年12月正常人全脊柱攝影患者50例健康人全脊柱X光片

10、，將收集的全脊柱DR片以dicom格式保存，在eFilm WorkStation圖像后處理工作站環(huán)境下打開，分別在側位片下依次測量從胸1椎體中心至胸2椎體中心距離、胸2椎體中心至胸3椎體中心……直至腰4椎體中心至腰5椎體中心距離，并相加得出從胸1中心至腰5中心的總長度，最終得出每個節(jié)段所占胸1中心至腰5中心的總長度的百分比，以單個椎體節(jié)段占總體長度百分比的形式來細化每個椎體節(jié)段所占的比例。
　　 四、正常人的脊柱輪廓包含了頸部和

11、腰部的前凸以及胸部和骶骨處的后凸，整個脊椎骨及其周圍相連系的韌帶等軟組織共同保持了脊柱的自然彎曲和平衡，任何關于脊柱正常曲線的改變都可能是脊柱信號異常的表現(xiàn)，而作為脊柱輪廓的測量的方法在脊柱失序的臨床診斷或者人體工程學研究等方面有著重要的意義。
　　 脊柱節(jié)段的運動是上/下、前/后和左/右移位以及前屈/后伸、左/右側彎和左/右軸向旋轉角度等六種運動的復合，具有較大的自由度，屬于三維運動，要保證其測量的精確度則需采用三維測量系統(tǒng)的

12、技術。
　　 目前，針對高精度三維測量人體脊柱形態(tài)的研究還較少，本文采取使用標記物的手段解決了特征提取精度問題，并且對標記點進行三維坐標重建，再根據(jù)實際的三維坐標點進行脊柱形態(tài)的曲線擬合。為了進一步提高精度，本課題組還對于定標模板尺寸、定標參數(shù)選擇、攝像機擺放進行了詳細的討論與研究，通過適當世界坐標系的選取，解決了雙目立體視覺中深度重建誤差集中的情況。最后，對參數(shù)優(yōu)化后的系統(tǒng)進行了最終的實驗測量。并由所重建的三維坐標點進行三個體

13、位下的曲線擬合，驗證有效性。
　　 結果:
　　 一、脊柱測量儀可以實現(xiàn)測量直立、前屈、后伸三種體位下的脊柱各節(jié)段的活動角度，胸椎、腰椎曲度，腰背長度以及脊柱整體輪廓等信息以及計算出胸椎、腰椎、骶椎及整個脊柱彎曲和伸展的范圍。
　　 二、標定后對棋盤格的長度進行三維測量所得值，其實測值及相對誤差經(jīng)正態(tài)性檢驗后P值均小于0.001，每個格的長度誤差約為0.157mm，相對誤差為±0.394％。能夠滿足大型零件的幾何

14、量測量精度小于0.5mm的要求。已知現(xiàn)國際上普遍認可的作為脊柱形態(tài)測量工具的Spinalmouse其測量精度為同一患者同一姿勢重復測量所得的背部長度_≤1cm，長度測量精度±0.5％。本設備測量精度與之相比較更為精確。
　　 三、可將輪廓線按比例換算成一種標準背長來表示，而各個節(jié)段所占比例即可用標準背長的百分比來表示，以單個椎體節(jié)段占總體長度百分比的形式來細化每個椎體節(jié)段所占的比例的角度出發(fā)，對50例健康人的數(shù)據(jù)進行了Shapi

15、ro-Wilk正態(tài)性檢驗，得出T1-L5的單個脊柱節(jié)段占這段的總體長度的百分比數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，據(jù)此可用T1椎體至L5椎體各節(jié)段長度占總長度的比值中每組數(shù)值的均數(shù)來代替。
　　 四、三種體位下的R2值均大于0.8，擬合效果較好。則可認為按照設計的三維測量系統(tǒng)可以較好的實現(xiàn)人體脊柱形態(tài)的重建并結合前文論述的T1-L5的單個脊柱節(jié)段占這段的總體長度的百分比即可實現(xiàn)脊柱曲度和各個椎體較為精確的定位，可以作為一種實現(xiàn)脊柱整體曲度和單個

16、節(jié)段曲度及其定位的可行的測量方法。
　　 結論:
　　 一、脊柱測量儀可以實現(xiàn)無創(chuàng)無輻射的對強直性脊柱炎患者的脊柱運動能力進行測評，且測量精度高，結果直觀明了、易于理解接受，但是也存在著成本較高等問題，因此我們希望能自行設計出一套低成本的可以替代脊柱測量儀的方法。
　　 二、三維測量系統(tǒng)具有快速、準確的優(yōu)勢，且人體測量的智能化、自動化是未來發(fā)展的趨勢，先進的人體測量技術是解決這個問題的關鍵。
　　 三、三