способ лазерного видеоизмерения рельефа поверхности

Формула изобретения

Способ измерения рельефа поверхности, включающий освещение поверхности лазерным излучением, отличающийся тем, что лазерное излучение фокусируют, формируя опорный и предметный лучи, расположенные под углом друг к другу, которыми сканируют измеряемую поверхность, регистрируют изображение лучей в виде светящихся точек на поверхности цифрового экрана и фиксируют на каждом шаге сканирования расстояние между точками, фиксируют видеопоследовательность изображений цифрового экрана и определяют глубину рельефа h на каждом шаге сканирования по следующему соотношению:

где B₁ - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерными лучами, на начальном шаге сканирования, В_х - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерным излучением, на последующих шагах сканирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, измерительной технике, медицинской технике, биомедицинской инженерии и может быть использовано для определения формы, размеров, глубины и рельефа поверхности анатомических объектов.

Известны способ и устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат (см., например. Техническое зрение роботов. - Под. ред. А.Пью; пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1987, с.56 и 57).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств являются низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции сканирования.

Известен способ и устройство, его реализующее, для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных полос, создаваемая путем пространственной модуляции вдоль одной координаты интенсивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируются целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. О контролируемых размерах судят по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат (см., например, описание изобретения к заявке PCT/WO 00/70303, МПК G01В 11/24).

Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением коэффициента отражения.

Известен способ контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам за счет формирования отдельных проекций объекта восстановления томограммы и последующей обработки полученной томограммы на ЭВМ. Известный способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов заключается в многократном освещении поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения под разными ракурсами, регистрации плоских изображений освещенных участков поверхности при каждом изменении ракурса освещения, восстановлении топологии поверхности контролируемого объекта путем обратного проецирования изображений освещенных участков поверхности и суммирования обратных проекций с учетом поворота каждой проекции на угол, соответствующий каждому ракурсу освещения (см., например, Г.Г.Левин, Г.Н.Вишняков. Оптическая томография. - М.: Радио и связь, 1989, - 224 с.: ил., стр.10-12).

Недостатками известного способа является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта равномерно распределенного по сечению пучка оптического изучения, искажения картины, вызванные неглубокими локальными впадинами и выпуклостями, размеры которых меньше сечения пучка, не регистрируются и их невозможно идентифицировать без априорной информации о микроструктуре поверхности контролируемой поверхности.

Известен также способ визуализации профилей трехмерных объектов. Способ реализует принцип "структурированной подсветки", который используется в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности. Способ заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки, двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении. Модуляцией интенсивности управляют по двум координатам и спектру, так что на поверхности контролируемого объекта создается структурированная засветка в виде совокупности зон, каждая из которых отлична от всех остальных. Благодаря этому каждая область рельефа уникальным образом кодируется по высоте рельефа и по двум другим координатам, что, в свою, очередь позволяет однозначно интерпретировать области, образованные сквозными отверстиями в контролируемом объекте при обработке на ЭВМ зарегистрированной картины структурированной подсветки (см. патент на изобретение РФ №2199716, МПК G01B 11/24).

Недостатками известного способа являются высокая погрешность контроля, ограниченные функциональные возможности, техническая сложность реализации.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения рельефа микрообъектов, в котором микрообъект освещают лазерным излучением, получают его изображение, совмещают это изображение с масштабной сеткой в виде системы интерференционных полос и определяют рельеф микрообъекта, с целью повышения точности измерения и информативности, систему интерференционных полос создают путем отражения лазерного излучения от двух граней прозрачной пластинки, изменяют расходимость пучка лазерного излучения, совмещают границы пучка с интерференционными полосами и по изгибу полос определяют рельеф микрообъекта, а по количеству полос, занимаемых микрообъектом, определяют его поперечные размеры (см. патент на изобретение РФ №1315800, МПК G01B 11/24).

Недостатком данного способа является невысокая разрешающая способность и низкие эксплуатационные параметры способа, поскольку необходимо формировать систему полос на всем изображении поверхности объекта и использовать систему интерференционных полос с низким контрастом, кроме того, известный способ не позволяет реализовать сканирование указанной поверхности.

Задача настоящего изобретения заключается в определении формы, размеров и глубины анатомических поверхностей в различных возрастных и половых группах в связи с разработкой новых оперативных технологий в ринохирургии, стоматологии и пластической хирургии.

Поставленная задача решается тем, что анатомическую поверхность освещают лазерными опорным и предметным лучами, расположенными под углом друг к другу, сканируют поверхность, формируют проекцию освещаемых точек лазерным излучением на цифровом экране и фиксируют на каждом шаге сканирования расстояние между точками, фиксируют видеопоследовательность изображений цифрового экрана и определяют глубину рельефа h на каждом шаге сканирования по следующему соотношению:

где В₁ - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерным излучением, на начальном шаге сканирования, B _х - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерным излучением, на последующих шагах сканирования. Модуль в соотношении для h введен для учета случаев, когда величина В_x будет принимать значения, большие, чем В₁.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1. Схема освещения поверхности двумя лазерными лучами - опорным и предметным, расположенными под углом друг к другу: B₁ - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерным излучением, на начальном шаге сканирования, B _x - расстояние между светящимися точками на цифровом экране, формируемыми лазерным излучением на последующих шагах сканирования, h - глубина исследуемой поверхности, Вх1, Вх2 - расстояние между проекциями точек лучей в процессе сканирования поверхности, hx1, hx2 - расстояние от точек падения предметного луча до оси смещения лазера в двух случаях, l - расстояние между проекциями точек соседних максимумов поверхности, В2 - определяет расстояние между проекциями точек опорного и предметного лучей в начале и конце измерений.

Фиг.2. Проекция освещаемых точек лазерным излучением на цифровом экране: а - на начальном шаге сканирования, б и в - на последующих шагах сканирования.

Фиг.3. Установка для реализации предложенного способа: 1 - лазер формирующий предметный луч, 2 - лазер, формирующий опорный луч, 3 - предметный столик с исследуемым анатомическим объектом.

Фиг.4. Диаграмма возрастных изменений глубины клыковой ямки: а - у мужчин, б - у женщин.

Способ осуществляется следующим образом. Освещают анатомическую поверхность 1 (см. фиг.1) двумя лазерными лучами - опорным 2 и предметным 3, расположенными под углом друг к другу. Формируют проекцию двух освещаемых точек В₁ лазерным излучением на цифровом экране (см. фиг.2а). Фиксируют на последующих шагах сканирования расстояние между точками В_х (см. фиг.2б). Фиксируют видеопоследовательность изображений цифрового экрана (см. фиг.2в) и определяют глубину рельефа h на каждом шаге сканирования по следующему соотношению:

Пример практической реализации.

Установка для реализации предложенного способа включала два лазерных зондирующих луча, видеоприемное устройство и компьютерную систему анализа видеоизображения. Зондирующие лучи располагались под углом 45 градусов друг к другу, причем один из них был направлен нормально относительно плоскости измеряемой поверхности объекта. Для повышения точности измерений лазерные излучатели были снабжены устройствами фокусировки. Программа видеоанализа изображений обеспечивала измерение расстояний в плоскости изображения с точностью 0,2 мм. Процедура измерения рельефа поверхности включала сканирование лазерным зондом по анатомической поверхности объекта, фиксировании с помощью видеокамеры проекции освещаемых точек лазерным излучением на цифровом экране. С помощью специально разработанной программы, позволяющей автоматизировать процесс обработки последовательности кадров, измерялось на каждом шаге сканирования расстояние между точками, и определялась глубина рельефа h на каждом шаге сканирования по следующему соотношению:

Измерения, проведенные для двух смещений опорного и предметного лучей (см. Фиг.2), указаны в таблице 1.

Табл.1
№ опыта	В1, мм	Вх, мм	h, мм	hизм., мм	htest, мм
1	2,5	9,7	7,2	16,1	15
2	2,5	18,6	16,1

Для сравнения указана глубина исследуемой области, измеренная тестовым методом (h_test ). Как следует из табл.1, наблюдается соответствие результатов измерений предлагаемым и тестовым методом.

Материалом для апробации послужили 200 паспортизированных черепов взрослых людей из научной коллекции фундаментального музея кафедры анатомии человека Саратовского государственного медицинского университета. При распределении черепов по возрастным группам использовали классификацию, принятую на 7-й Всесоюзной конференции по проблемам возрастной морфологии, физиологии и биохимии.

Решалась задача определения параметров клыковой ямки, поскольку данная область определена хирургами как зона наибольшего риска травматизации важного анатомического образования - подглазничного сосудисто-нервного пучка. Между тем ни в одной анатомической литературе не имеется сведений об анатомо-топографической изменчивости клыковой ямки и ее билатеральных особенностях у мужчин и женщин при различных формах черепа.

Результаты апробации. Глубина клыковой ямки во всех возрастных периодах преобладает на черепах мужчин, причем слева она больше, чем справа как у мужчин, так и у женщин (фиг.1, 2). Справа глубина ямки в период старческого возраста по сравнению с I периодом зрелого возраста у мужчин уменьшается в 1,4 раза, у женщин - в 1,2 раза. Слева глубина клыковой ямки у мужчин практически не изменяется с возрастом, у женщин отмечается уменьшение глубины в IV возрастном периоде в 1,3 раза по сравнению с I периодом. Глубина клыковой ямки наименее изменчива у мужчин в старческом возрасте слева (Cv, % = 12,2%), а наиболее вариабельна у женщин во втором периоде зрелого возраста справа (Cv, % = 43,7%).

Таким образом, определены диапазон изменчивости и средние значения глубины клыковой ямки с учетом возрастного и полового диморфизма. Проведена оценка статистически достоверных различий глубины клыковой ямки между возрастными группами. Решена проблема абсолютного измерения анатомо-топографической изменчивости клыковой ямки у мужчин и женщин при различных формах черепа.