刘婷玉 高 志

(华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237)

基于激光扫描的医用压力袜推荐设备设计

刘婷玉 高 志*

(华东理工大学机械与动力工程学院 上海 200237)

医用压力袜是预防和治疗静脉曲张的有效手段之一，要想保证治疗的效果，必须根据病人的腿部尺寸信息进行腿部数据提取，从而推荐相应规格的压力袜。但是市面上提供的医用压力袜尺码选择范围很小，许多病人实际所需压力袜尺寸与市面提供的压力袜尺码不相符，腿部各段所受压力不能满足医疗要求，严重影响治疗的效果。针对这种情况，提出了压力袜推荐设备的设计方法，介绍了设备的测量原理，设计出控制系统、光学系统、图像采集模块来实现快速腿部扫描，扩展压力袜尺码库，设计袜型匹配模块实现压力袜推荐。经自行开发的软件控制系统执行图像提取与数据分析，即可短时间内准确测量人体腿部尺寸，计算出所需压力袜的尺码。最后，对腿部进行实验，扫描过程可在10 s内完成，测量误差小于0.3%，能够快速计算出压力袜的所需尺码，提高缓压治疗的效果。

医用压力袜 激光扫描 袜型匹配

0 引 言

在制造过程中引入CAD技术，已成为国内外各制造业关注和研究的热点。医用压力袜[1]能够促进静脉血液回流心脏，是一种有效预防和治疗静脉曲张的产品，该产品在国外已得到广泛的使用[2]，但国内使用范围较小，因此医用压力袜具有重要的应用价值及广阔的市场前景。

医用压力袜要想保证治疗的效果，必须在人腿各部施加合适的压力[3]，但是近年来制造商提供的压力袜只有大中小三个尺码，而病人的腿部形状差异很大，若压力袜尺码与病人腿部尺寸不相符，则不能在腿部各段建立合适的压力，严重影响治疗效果。为提高治疗效果，本文扩展袜库使得病人可以选择更加合适的压力袜。

随着人工智能算法和数字图像处理技术的不断发展，三维扫描技术已广泛应用于人体测量。Kovacs等[4]利用三维扫描测量人脸数据。孔维敬等[5]基于三维扫描短时间内重建出所测量的足部轮廓。黄承亮[6]将三维扫描技术应用在人体三维建模中。但是现今国内外市场专门的腿部扫描仪很少，且不能提取客户所需要的腿部尺寸。本文改进传统的全周扫描仪，将三个激光器应用于扫描过程中，可提高扫描精度；提出一种简单高精度的激光中心线提取算法；开发的人机交互界面可获取腿部特征尺寸，最终推荐合适的压力袜给病者，从扫描测量到推荐尺码实现操作一体化。

1 测量原理

压力袜与人体腿部相匹配的前提是测量精确的腿部数据，激光扫描技术是目前三维扫描中应用非常广泛的技术，根据被测物体表面点的三维坐标值、纹理以及反射率等信息，可快速重建出具有几何特征的三维模型。将激光扫描技术应用到人体腿部测量中，得到腿部的空间点云，即可在短时间内重建出腿部轮廓，并依据自行开发的软件控制系统进行图像提取与数据分析，从而得到腿部的特征参数。

传统的全周扫描仪[7]以四组CCD图像传感器和四组激光器，配合步进电机高速扫描采集点云数据。由于人体腿部轮廓斜率变化较小，区别于其他复杂曲面的测量，因此文中使用三组激光器配合四组CCD完成数据的采集，减少一个激光器可以提高激光线的重合精度，减少点云数据的重合区域从而提高计算机重建腿部模型的速度，此改进措施不仅节约了设备的成本，而且提高了系统的测量精度和运行速度。使用多CCD可消除遮挡造成的点云缺失，量测出被测物体的全部轮廓，因此研究使用四个CCD镜头对人体腿部提取图像，分别为前左、前右CCD和后左、后右CCD，利用图像采集卡提取四个CCD的图像。

基于以上原理，单片机编程使得步进电机驱动丝杠，通过线性滑轨使装有激光器和CCD的平台上下移动，完成腿部的快速扫描。三条激光线经调整后在腿部一水平面形成封闭区域，通过平台的上下移动，实现四个CCD的同步取像，从而获得腿部各部位的高度变化，并在短时间内重建出腿部的三维模型。最后经自主研发的软件控制系统实现点云数据提取和数据分析。

图1为腿部测量原理示意图。脚着力于铝板上，设定该坐标面为XOZ面，前后CCD视野中心轴与XOZ面同样成45°放置，三个激光器等距分布，夹角均为120°。以脚踝部为原点设置移动平台的初始位置，使得四个CCD和三个激光器沿着Y轴正方向以相同速度同步移动。三条激光线聚集于腿部形成一个类似圆的封闭曲线，同时，四个CCD同步拍摄封闭曲线的部分图像，通过点云融合得到封闭曲线的完整数据。

图1 测量原理示意图

2 激光中心线提取原理与实现方法

系统标定[8-9]后，激光条纹中心提取的精度决定了腿部点云数据的精度，因此激光中心线的快速高精度提取显得尤为重要。提取激光条纹中心线的基本方法有质心法、阈值法、极值法等[10-12]，这些方法虽然易于实现，但是精度不能满足系统的要求。

本文提出可变方向模板和迭代算法相结合的光带中心提取算法。首先提取光带的骨架，对骨架周围阈值内的数据点进行二阶拟合，二次函数为：

y=ax2+bx+c

(1)

任一点(x0,y0)处的斜率为t=2ax0+b，则t=0时，法线方向为y轴方向；t≠0时，法线方向的斜率为n=-1/t。在光带骨架上各点的法线方向求出之后，利用迭代算法求出阈值范围内分布点的重心位置。可变方向模板可快速判别光带的法线方向，提高系统的速度；迭代算法对骨架周围阈值内的数据点进行迭代，最终获取的条纹中心线为亚像素级别，提高系统的精度。图2(b)为提取的亚像素级的激光中心线，图示可见，本文的中心线提取算法可准确去除杂点，得到位置精确的中心线。

图2 基于可变方向模板和迭代算法提取的激光中心线

3 测量原理

3.1 硬件系统

医用压力袜推荐设备的硬件系统即为腿部激光三维扫描系统，其原理为步进电机驱动丝杠。通过线性滑轨使得平台上下移动，利用CCD(四个)和激光器(三个)进行快速腿部扫描。最后经过自行开发的软件控制系统执行图像提取与数据分析，得到腿部的空间点云，即可在短时间内重建腿部轮廓从而得到腿部的特征参数。其基本组成部分为：机械系统、视觉系统和控制系统等，图3为硬件系统结构图。

图3 硬件系统结构图

3.2 软件系统

医用压力袜定制设备的软件系统包括三维测量软件系统和袜型匹配系统两部分。其中三维测量软件系统主要包括三个部分，即步进电机控制模块、图像采集处理模块和人机交互模块。

步进电机驱动程序模块主要实现电机复位停止以及驱动平台的位移控制等，采用单片机来控制步进电机绕组电流的大小和方向[13]；图像采集处理模块完成CCD的设置，采集传输激光扫描图，处理腿部点云数据以及提取腿部特征参数；人机交互模块是软件设计的核心，响应各种对话框以及菜单事件，实现操作者的指令，完成整个测量过程的控制和测量结果的显示。人机交互模块以VS2010为开发环境，图4为三维测量软件系统的人机交互界面，主要包括扫描数据、数据处理、参数提取以及生成报告四个按钮。

图4 硬件系统结构图

袜型匹配系统主要由数据库系统[14]、尺码归档系统以及人机交互系统组成。采用Access数据库系统存储和读取样本数据，以关系模型为数据模式，其中样本数据来自于某袜业公司。选择反映腿部整体特征的丰满指标和高度指标来对腿型进行分类，总共得到300个号型系列，其中丰满指标为大腿围度、大腿膝盖围差等，高度指标为大腿根高、膝盖高度等。尺码归档系统是指在尺码规格库中找到与用户腿部数据最为接近的尺码规格，基于模式识别算法[15]来解决压力袜尺码归档的问题。人机交互界面以VS2010为开发环境，提取三维测量系统生成报告中的腿部数据，依据最近邻法则为病人推荐最合适的压力袜。图5为设备软件整体工作流程。

图5 软件系统流程图

4 实验与误差分析

4.1 测量实验

研究对一假腿模型进行测量实验，图像经过标定、滤除噪声点、激光中心线提取等处理后，可获得腿部曲面轮廓，通过NURBS曲线建模得到特征截面的尺寸，实验结果，如图6所示。图中不仅有需要的腿部特征参数的尺寸，还有在高度方向上每隔5mm提取的围度尺寸。

图6 基于三维扫描的腿部尺寸报告

4.2 误差分析

为了验证三维测量系统的稳定性，对同一样本数据进行5次测量，如表1所示，本设备测量同一腿部样本的误差均在±0.2mm之内，稳定性达到要求。

表1 系统稳定性实验验证结果 mm

为了验证三维测量系统的精度，研究利用三坐标测量机测量假腿轮廓尺寸，并将测量得到的尺寸与本测量系统得到的数据进行对比分析，如表2所示，腿部三维测量系统与CMM量测的腿部各个尺寸的误差均在±0.3 mm之内，精度达到要求。

表2 系统稳定性实验验证结果 mm

将三维激光扫描得到的腿部特征参数的准确尺寸导入至号型推荐系统中，基于最近邻法则推荐合适的压力袜尺码。表3为一组实验者的推荐结果。病人穿上实验推荐的压力袜，经医学设备测试后发现，压力袜能够与腿部完全贴合且能提供合适的压力，提高缓压治疗的效果。

表3 压力袜号型推荐的实验结果

5 结 语

医用压力袜推荐设备是一个光、机、电、算相结合的一体化系统。三维测量系统以激光扫描作为系统的开发基础，根据人体腿部的特点，采用三个激光器和四个CCD特定的架构方式，从不同方向拍摄腿部图像，提出基于模板和迭代法求取激光中心线的算法，提高了点云数据的精度。袜型匹配系统将原有的3个压力袜号型扩展至300个号型，病人将获得提高治疗效果的压力袜尺寸，采用最邻近法则作为袜型匹配的依据，能够快速有效的推荐合适的压力袜。该设备可在10 s内完成测量过程，最大测量高度可达1000 mm，通过自行开发的软件进行数据处理，得到高质量的腿部模型并能推荐合适的压力袜尺码，满足静脉曲张病人的需求。研究具有很好的市场前景，且有效地将激光扫描技术和医学领域相结合。

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DESIGN OF RECOMMENDATION EQUIPMENT FOR MEDICAL COMPRESSIONSTOCKINGS BASED ON LASER SCANNING

Liu Tingyu Gao Zhi*

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

The compression stocking is one of the effective means to prevent and cure varix. The corresponding size of compression stocking is recommended according to the leg shape information of patients by extracting leg data, which is supposed to ensure the curing effect. However, enterprises only provide limited size of the medical compression stockings, the gradual pressure of the leg cannot satisfied the medical requirement, which means huge numbers of patients cannot get the suitable compression stockings from the market and that can be bad for the treatment. Due to this situation, the design method of the recommendation equipment is put forward and its principle is introduced. Rapid leg scanning is achieved by controlling system, optical system and image collection, also sizes of compression stockings are extended and achieved by matching system. Image extraction and data analysis is implemented by self-developed software system, which means size of legs can be measured in a short time and the required compression stocking size can be calculated. In the end, the experiments on legs show that the measurement process can be completed in 10 seconds, and the measuring error is less than 0.3%, which means the proposed method can calculate the size of suitable compression stockings rapidly and improve the effect of pressure release.

Medical compression stockings Laser scanning Size categorization

2015-12-10。刘婷玉，硕士生，主研领域：图像处理，机电一体化。高志，教授。

TP23

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.03.031