背景：强直性脊柱炎是一个以中轴受累为主的血清阴性脊柱关节病,以脊柱及骶髂关节的慢性炎症为特征的全身进行性自身免疫性疾病。严重者可发生脊柱畸形和关节强直,具有病程长、缠绵难愈、误诊率高、致残率高的特点。在我国患病率约为0.3%。本病以男性发病居多,主要累及脑力和体力处于最佳状态的30岁以内的青年男性,是青壮年致残的主要原因之一。临床症状和体征在强直性脊柱炎的的诊断中意义重大,主要临床表现为：腰背部疼痛、发僵、活动受限、脊柱畸形、外周关节炎或关节外症状。临床体格检查可见：直腿抬高试验、“4”字试验、骶髂关节叩击痛等相关检查阳性,并可有Schober试验、指地距、胸廓活动度、颌柄距等指标异常。本病的特点为逐渐出现的骶髂关节、脊柱各关节的纤维化及骨性强直,至晚期骨强直后,病情即不可逆转。脊柱强直常常可导致脊柱的活动度下降,是疾病进展的特征之一,对评估患者病情进展及生活质量具有重要意义。近年来文献多从枕墙距、指地距、颌柄距、胸廓活动度、Schober指数等指标出发探讨强直性脊柱炎患者的脊柱运动能力,以作为“以动防残”这一指导强直性脊柱炎患者运动康复原则的依据。而这些数据主要测量的是脊柱侧位的伸屈度和前后的位移,尽管能在一定程度上反映脊柱的运动形态,但脊柱运动归根结底是一个立体的三维运动。正常人的脊柱轮廓包含了颈部和腰部的前凸以及胸部和骶骨处的后凸,整个脊椎骨及其周围相连系的韧带等软组织共同保持了脊柱的自然弯曲和平衡,任何关于脊柱正常曲线的改变都可能是脊柱异常信号的表现,而作为脊柱轮廓测量的方法在脊柱失序的临床诊断或者人体工程学研究等方面有着重要的意义。脊柱节段的运动是上/下、前/后和左／右移位以及前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转角度等六种运动的复合,具有较大的自由度,属于三维运动,要保证其测量的精确度则需采用三维测量系统的技术。而作为国外开展的应用脊柱测量仪(Spinalmouse)测量脊柱运动能力的方法则能最大程度的反映脊柱运动的能力,但从我们前期应用的实际效果来看,脊柱测量仪存在着仪器使用成本过高等局限,这就要求我们必须通过一种更为经济实用的方法来实现脊柱测量仪测量脊柱运动功能的同时,降低使用成本。近些年来,随着计算机图像处理技术和计算机视觉研究的不断深入,逆向工程、现代制造技术、多媒体技术的飞速发展,使采用三维测量技术确定物体的空间位置成为可能,并使三维测量系统的技术日臻成熟,并在工程设计、质量控制、机器人、高速在线检测、医学诊断、计算机半自动设计、计算机辅助制造及刑事侦察等领域起着越来越重要的作用。文献介绍了三维测量系统的在各个方面的应用,该系统不仅可以快速获取大量三维数据信息,并且能够以最小的占地面积获得较大的测量范围,测量精度和测量速度完全能够满足相应要求,因此能够极大地提高检测设备的应用范围。总之,随着视觉技术的不断成熟和发展,三维测量系统将在不远的将来成为发展的主流。目的：本实验旨在通过对脊柱测量仪测评强直性脊柱炎患者脊柱运动能力的研究及三维测量系统的研制,探讨出一种能切实有效而又经济可行的测量出人体脊柱三维活动的一种方法来作为强直性脊柱炎患者测量脊柱运动能力的方式。方法：一、运用目前国际上已普遍认可的脊柱测量仪对强直性脊柱炎患者的脊柱运动能力进行测评,来具体了解脊柱测量仪对强直性脊柱炎患者脊柱运动能力实现的方式以及测评的方法。二、为了能够实现三维测量系统中的图像采集与处理,需要一套可以用来做图像收集的系统,一套可以作为特征点提取、图像匹配和三维重建的相关软件,以及在实现三维重建过程中的摄像机标定方法的设计和测量精度的分析。在三维测量系统中,计算机视觉系统是重要的组成部分,其中的摄像机的标定是确定摄像机几何与光学特性(内部参数)或摄像机结构相对于某个世界坐标系的三维位置和方向(外部参数)的重要方式。摄像机标定是计算机视觉技术的基础,因为在许多情况下,计算机视觉系统的综合性能与摄像机标定的精度密切相关。精确标定摄像机内外参数不仅可以直接提高测量精度,而且可以为后续的立体匹配与三维重建奠定良好的基础。因此,我们需要设计出一套能够实现三维重建过程中的摄像机精确标定方法和高测量精度的系统来实现三维测量的准确测量。三、我们在了解脊柱整体的曲度和活动度的同时,还需要细化至每个椎体的曲度和活动度,这就需要我们在整个脊柱上将每个椎体节段细化以指导更进一步的单个椎体曲度和活动度的研究。我们将随机回顾收集由2位未参加本试验研究的高年资(>15年)放射诊断医师从南方医科大学附属南方医院2010年3月至2012年12月正常人全脊柱摄影患者50例健康人全脊柱X光片,将收集的全脊柱DR片以dicom格式保存,在eFilm Workstation图像后处理工作站环境下打开,分别在侧位片下依次测量从胸1椎体中心至胸2椎体中心距离、胸2椎体中心至胸3椎体中心……直至腰4椎体中心至腰5椎体中心距离,并相加得出从胸1中心至腰5中心的总长度,最终得出每个节段所占胸1中心至腰5中心的总长度的百分比,以单个椎体节段占总体长度百分比的形式来细化每个椎体节段所占的比例。四、正常人的脊柱轮廓包含了颈部和腰部的前凸以及胸部和骶骨处的后凸,整个脊椎骨及其周围相连系的韧带等软组织共同保持了脊柱的自然弯曲和平衡,任何关于脊柱正常曲线的改变都可能是脊柱信号异常的表现,而作为脊柱轮廓的测量的方法在脊柱失序的临床诊断或者人体工程学研究等方面有着重要的意义。脊柱节段的运动是上/下、前/后和左/右移位以及前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转角度等六种运动的复合,具有较大的自由度,属于三维运动,要保证其测量的精确度则需采用三维测量系统的技术。目前,针对高精度三维测量人体脊柱形态的研究还较少,本文采取使用标记物的手段解决了特征提取精度问题,并且对标记点进行三维坐标重建,再根据实际的三维坐标点进行脊柱形态的曲线拟合。为了进一步提高精度,本课题组还对于定标模板尺寸、定标参数选择、摄像机摆放进行了详细的讨论与研究,通过适当世界坐标系的选取,解决了双目立体视觉中深度重建误差集中的情况。最后,对参数优化后的系统进行了最终的实验测量。并由所重建的三维坐标点进行三个体位下的曲线拟合,验证有效性。结果：一、脊柱测量仪可以实现测量直立、前屈、后伸三种体位下的脊柱各节段的活动角度,胸椎、腰椎曲度,腰背长度以及脊柱整体轮廓等信息以及计算出胸椎、腰椎、骶椎及整个脊柱弯曲和伸展的范围。二、标定后对棋盘格的长度进行三维测量所得值,其实测值及相对误差经正态性检验后P值均小于0.001,每个格的长度误差约为0.157mm,相对误差为±0.394%。能够满足大型零件的几何量测量精度小于0.5mm的要求。已知现国际上普遍认可的作为脊柱形态测量工具的Spinalmouse其测量精度为同一患者同一姿势重复测量所得的背部长度<1cm,长度测量精度±0.5%。本设备测量精度与之相比较更为精确。三、我们可将轮廓线按比例换算成一种标准背长来表示,而各个节段所占比例即可用标准背长的百分比来表示,以单个椎体节段占总体长度百分比的形式来细化每个椎体节段所占的比例的角度出发,我们对50例健康人的数据进行了Shapiro-Wilk正态性检验,得出T1-L5的单个脊柱节段占这段的总体长度的百分比数据均符合正态分布,据此可用T1椎体至L5椎体各节段长度占总长度的比值中每组数值的均数来代替。四、三种体位下的R2值均大于0.8,拟合效果较好。则我们可认为按照我们设计的三维测量系统可以较好的实现人体脊柱形态的重建并结合前文论述的T1-L5的单个脊柱节段占这段的总体长度的百分比即可实现脊柱曲度和各个椎体较为精确的定位,可以作为一种实现脊柱整体曲度和单个节段曲度及其定位的可行的测量方法。结论：一、脊柱测量仪可以实现无创无辐射的对强直性脊柱炎患者的脊柱运动能力进行测评,且测量精度高,结果直观明了、易于理解接受,但是也存在着成本较高等问题,因此我们希望能自行设计出一套低成本的可以替代脊柱测量仪的方法。二、三维测量系统具有快速、准确的优势,且人体测量的智能化、自动化是未来发展的趋势,先进的人体测量技术是解决这个问题的关键。三、三维测量系统与目前国际上普遍认可的脊柱测量仪相比在测量精度稍有提高的基础上,在成本上却大大降低,使这种先进技术在我们现实国情下推广成为可能。四、三维测量系统可以尝试通过空间标志点来重建脊柱的曲线,下一步工作将是对曲线进行人工分割,并探讨可能的测量椎体间角度的方法,这也是未来需要进一步研究的方向。