基于三维点云数据的胸骨变形检测方法及装置

1.本发明涉及点云数据分析技术领域，尤其涉及一种基于三维点云数据的胸骨变形检测方法及装置。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.胸骨变形容易引起漏斗胸(funnel chest)与鸡胸(pectus carinatum)等疾病，漏斗胸与鸡胸都是先天性疾病，多发于儿童，可能在出生时就已经存在，随着年龄的增长变形会愈来愈明显。现有检测胸骨变形即检查与分析漏斗胸与鸡胸的方法大多为ct，用ct扫描能够评价漏斗胸的凹陷程度、对称性，心脏的受压以及位移程度，肺部受压程度和合并的其它问题。
4.但是采用传统ct检测胸骨变形的方法存在辐射过大的问题，胸骨畸形者多数为儿童，且在确诊、治疗、恢复的过程中需多次检查，辐射对儿童的影响较大。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种基于三维点云数据的胸骨变形检测方法，用以基于三维点云数据安全地检测胸骨变形，该方法包括：
6.获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；
7.将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；
8.将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；
9.将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；
10.根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形。
11.本发明实施例还提供一种基于三维点云数据的胸骨变形检测装置，用以基于三维点云数据安全地检测胸骨变形，该装置包括：
12.获取单元，用于获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；
13.剪切单元，用于将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；
14.取出单元，用于将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；
15.偏移角数值确定单元，用于将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；
16.检测单元，用于根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度
合理范围值，判定待检测胸骨是否变形。
17.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于三维点云数据的胸骨变形检测方法。
18.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于三维点云数据的胸骨变形检测方法。
19.本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于三维点云数据的胸骨变形检测方法。
20.本发明实施例中，基于三维点云数据的胸骨变形检测方案，与现有技术中用ct扫描检测胸骨变形不安全的技术方案相比，通过：获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形，可以实现基于三维点云数据安全地检测胸骨变形。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
22.图1为本发明实施例中利用体表三维点云数据检测胸骨变形的原理示意图；
23.图2a为本发明实施例中一份三维激光扫描仪采集的原数据图；图2b为本发明实施例中剪切后的数据图；
24.图3为本发明实施例中剔除横截面内异常离散点过程中，截面基于最小外包矩形的不规则三角网图，此处以一个截面为例；
25.图4a为本发明实施例中为原截面图；图4b为本发明实施例中剔除异常离散点后截面图；
26.图5为本发明实施例中多截面重叠并计算出的偏移角角度值结果图；
27.图6为本发明实施例中设定合理范围值示意图；
28.图7为本发明实施例中基于三维点云数据的胸骨变形检测的流程示意图；
29.图8为本发明实施例中基于三维点云数据的胸骨变形检测的装置的结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
31.本技术技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合国家法律法规的相关规定。
32.针对传统ct检测胸骨变形的方法中的缺陷与不足，本发明实施例提供了一种基于三维点云数据的胸骨变形检测方案，该方案为一种采用三维激光扫描仪所采集的体表三维点云数据来检测胸骨变形的方案，以解决传统ct辐射过大导致检测胸骨变形不安全的问题。下面对该基于三维点云数据的胸骨变形检测方案进行详细介绍。
33.图7为本发明实施例中基于三维点云数据的胸骨变形检测的流程示意图，如图7所示，该方法包括如下步骤：
34.步骤101：获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；
35.步骤102：将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；
36.步骤103：将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；
37.步骤104：将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；
38.步骤105：根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形。
39.本发明实施例提供的基于三维点云数据的胸骨变形检测方法，工作时：获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形。
40.与现有技术中用ct扫描检测胸骨变形不安全的技术方案相比，本发明实施例提供的基于三维点云数据的胸骨变形检测方法可以基于三维点云数据安全地检测胸骨变形。下面对基于三维点云数据的胸骨变形检测方法进行详细介绍。
41.本发明实施例提供的基于三维点云数据的胸骨变形检测方法为一种通过三维点云数据中各截面的偏移角来检测胸骨变形的方法，本发明实施例采用了如下方案：
42.s1、获取疑是(待检测)胸骨畸形者体表三维点云数据，即上述步骤101。
43.s2、将获取到的疑是胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，即上述步骤102。
44.在一个实施例中，上述步骤s2将所述将获取到的体表三维点云数据进行剪切，可采用点云处理软件进行剪切，剪切出胸廓部分的有效数据。
45.s3、将胸廓点云数据等高取出若干横截面，即上述步骤103。
46.在一个实施例中，上述步骤s3等高取出若干横截面的方式为：
47.计算出整个点云(有效三维点云数据)的高度，记为h，规定一个将h若干等分的相对于h较小(该较小的含义可以是小于预设值，该值可以根据大量实验确定)的高度(预设高度)，记为h，将点云按高度从最低点(该最低点可以是靠近被检测者的靠的方向的部分)到最高点(例如靠近被检测者的头部的方向的部分)的顺序进行循环，每隔h个单位取出一个横截面，得到若干等高取出的截面。
48.通过上述可知，在一个实施例中，将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面，可以包括：
49.确定所述有效三维点云数据的点云高度，以及设定一个将点云高度进行若干等分的预设高度；
50.将点云按高度从最低点进行循环，每隔预设高度取出一个横截面，直到预设高度等于剩余点云高度时得到若干等高取出的横截面。
51.s4、将所有截面进行单截面处理，即上述步骤104。
52.在一个实施例中，上述步骤s4中的单截面处理，此处以一个截面为例，具体包括：
53.剔除异常点(由于三维激光扫描仪在采集数据时可能具有穿透性，截面内部会出现一些离散的异常点)，可利用最小外包矩形的不规则三角网(tin，triangulated irregular network)拟合截面并剔除截面内的异常点；
54.找出截面中距离最远的两个点并连线，记为截面横轴，取出横轴中点，记为截面中心点o，过点o作出横轴的垂线，记为截面纵轴；
55.分别找出横轴两侧点云中距离中心点o最近的两个点并与点o相连，将前胸上的最近点与点o的连线记为截面偏移线，将偏移线与截面纵轴形成的锐角记为截面偏移角，计算出截面偏移角的角度值。
56.通过上述可知，在一个实施例中，将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值，可以包括：
57.利用最小外包矩形的不规则三角网拟合横截面，剔除拟合横截面内的异常点，得到剔除异常点后的横截面；
58.针对剔除异常点后的横截面，做出横截面横轴、中心点及横截面纵轴；根据横截面横轴、中心点及横截面纵轴，得到每一所述横截面对应的偏移角数值。
59.通过上述可知，在一个实施例中，利用最小外包矩形的不规则三角网拟合横截面，剔除拟合横截面内的异常点，得到剔除异常点后的横截面，可以包括：
60.找出横截面点云的横轴方向的最大值、横轴方向的最小值、纵轴方向的最大值及纵轴方向的最小值，绘制出最小外包矩形，根据不规则三角网的规则绘制出基于最小外包矩形的不规则三角网；
61.遍历三角网中所有的三角形，判定出包含最小外包矩形顶点的三角形，保留判定出的三角形中矩形顶点外的另外两点与线段，将保留的所有点进行去重，得到剔除异常点后的横截面。
62.通过上述可知，在一个实施例中，针对剔除异常点后的横截面，做出横截面横轴、中心点及横截面纵轴；根据横截面横轴、中心点及横截面纵轴，得到每一所述横截面对应的偏移角数值，可以包括：
63.对剔除异常点后的横截面点云进行遍历，将点进行两两配对，通过两点间的距离公式计算出所有两点间的距离，取出距离最远的两点相连，记为横截面横轴；取出横轴中点作为横截面中心点；
64.将横轴绕中心点旋转90度，得到过中心点且垂直于横轴的直线作为横截面纵轴；
65.分别找出由横轴切分的前后两部分点云当中距离中心点最近的两个点，将该两个点分别与中心点连接，得到横截面的前半径及后半径，将前半径与横截面纵轴形成的锐角
作为横截面偏移角，计算出偏移角的角度数值。
66.s5、设置合理范围值，即上述步骤105。
67.经过上述s4步骤之后，每个截面都得到一个对应的偏移角数值，设置一个合理范围值，偏移角超出合理值即为胸骨变形。
68.通过上述可知，在一个实施例中，根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形，可以包括：
69.在多截面重叠对应的偏移角数值超过预先设置的偏移角角度合理范围值时，判定待检测胸骨发生变形。
70.为了便于理解本发明如何实施，下面举个例子进行详细介绍。
71.目前，基于传统ct来检测胸骨变形，检查儿童鸡胸与漏斗胸的方法存在因辐射过大，在确诊、治疗、恢复的过程中需要多次检查对儿童影响较大的问题。针对现有传统ct辐射过大导致胸骨变形检测不安全的技术问题，本发明实施例提供一种基于三维点云数据的胸骨变形检测方法，该方法基于三维激光扫描仪所采集的体表三维点云数据，首先利用点云数据处理软件(本发明以cloudcompare为例)将数据进行剪切，再从剪切后的有效点云数据中等高取出若干截面，然后将每个截面进行单截面处理(其中包括剔除异常点，确定横轴、纵轴及偏移角，计算偏移角角度值)，最后设置合理范围值及判定胸骨是否变形。
72.本发明实施例公开了一种基于三维点云数据的胸骨变形检测方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
73.图1为本发明提供的利用体表三维点云数据检测胸骨变形方法的具体流程图，本发明具体方法包括以下步骤：
74.步骤s1：获取三维激光扫描仪采集的胸骨畸形者体表三维点云数据，以下示例设定以一份点云数据为主。即在一个实施例中，获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据，可以包括：获取通过三维激光扫描仪采集的待检测胸骨畸形者体表三维点云数据。
75.图2a为本发明实施例中一份三维激光扫描仪采集的原数据图；图2b为本发明实施例中剪切后的数据图。
76.步骤s2：将获取的点云数据进行剪切，利用点云处理软件(此处以cloudcompare为例)中的剪切功能将数据进行剪切，只留下肩膀以下、腹部以上的胸廓部分有效数据。
77.步骤s3：将剪切后的胸廓部分有效数据等高取出若干横截面。
78.步骤s3.1：找出点云中的最高点与最低点，将两个点的高程分别记为h
max
与h
min
计算出两个点的高差即点云的高度，记为h，即h＝h
max-h
min
，规定一个将h等分且相对于h较小的h(此处以h＝10)为例。
79.步骤s3.2：从点云最低点高程即h
min
开始，按照
80.hi＝h
min
i*h(i＝1,2
…
,h
max
/h)
81.进入循环，循环到hi时取出点云中高程比hi小的第一个截面(因点云数据中存在部分离散的异常点，需设定一个取出的点数量n判定，此处以n＝10为例，取出的点小于n个，即为取出部分离散点，则继续往下取点；取出的点大于n个，即为取出截面点云)，一直循环到hi＝h
max
时，则为完全取出i个截面。
82.步骤s4：将上述s3取出的若干截面进行单截面处理，此处以一个截面为例。
83.步骤s4.1：将截面内部的异常点剔除(因三维激光扫描仪在采集数据时具有穿透
性，在点云内部会出现部分离散异常点)并拟合截面轮廓。
84.图3为剔除截面内异常离散点过程中，截面基于最小外包矩形的不规则三角网图，此处以一个截面为例。
85.步骤s4.1.1：找出截面点云的四个最值(横轴方向的最大值、横轴方向的最小值、纵轴方向的最大值及纵轴方向的最小值，即分别为x
min
，x
max
，y
min
，y
max
)，绘制出最小外包矩形，再根据不规则三角网的规则绘制出基于最小外包矩形的不规则三角网。
86.步骤s4.1.2：遍历三角网中所有的三角形，首先判定出包含最小外包矩形顶点的三角形，然后保留这些三角形中矩形顶点外的另外两点与线段，将保留的所有点进行去重，即为剔除异常点后的截面轮廓点(根据三角网规则，矩形顶点只会与外包轮廓点形成三角形，保留轮廓点则间接的剔除了异常离散点)。
87.图4a为本发明实施例中为原截面图；图4b为本发明实施例中剔除异常离散点后截面图。
88.步骤s4.2：作出剔除异常点后的截面横轴、中心点、截面纵轴，及计算偏移角。
89.步骤s4.2.1：将上述步骤s4.1中剔除异常点后的点云进行遍历，将点进行两两配对，通过两点间的距离公式
[0090][0091]
计算出所有两点间的距离(此中需要将遍历过的点做单点标记，避免同一个点多次配对)，取出距离最远的两点相连，记为截面横轴；取出横轴中点，记为截面中心点o。
[0092]
步骤s4.2.2：将横轴绕点o旋转90
°
，可得到过点o且垂直与横轴的直线，记为截面纵轴。具体可通过将横轴两个端点绕点o进行旋转，具体公式为：
[0093][0094]
(其中，(x1,y1)为初始点，(x2,y2)为旋转后的点，(x0,y0)为参考点，θ为旋转角度)。
[0095]
步骤s4.2.3：分别找出由横轴切分的前后两部分点云当中距离中心点o最近的两个点并分别与点o连接，记为截面的前后半径，将前半径与截面纵轴形成的锐角记为截面偏移角，计算出偏移角的角度数值。
[0096]
图5为多截面重叠并计算出的偏移角角度值结果图。
[0097]
步骤s5：设置偏移角角度的合理范围值，当截面偏移角角度超过合理范围，则判定为胸骨变形。
[0098]
图6为设定合理范围值示意图，虚线区域为合理偏移值。
[0099]
本发明实施例中还提供了一种基于三维点云数据的胸骨变形检测装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与基于三维点云数据的胸骨变形检测方法相似，因此该装置的实施可以参见基于三维点云数据的胸骨变形检测方法的实施，重复之处不再赘述。
[0100]
图8为本发明实施例中基于三维点云数据的胸骨变形检测的装置的结构示意图，如图8所示，该装置包括：
[0101]
获取单元01，用于获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；
[0102]
剪切单元02，用于将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；
[0103]
取出单元03，用于将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；
[0104]
偏移角数值确定单元04，用于将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；
[0105]
检测单元05，用于根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形。
[0106]
在一个实施例中，所述取出单元具体用于：
[0107]
确定所述有效三维点云数据的点云高度，以及设定一个将点云高度进行若干等分的预设高度；
[0108]
将点云按高度从最低点进行循环，每隔预设高度取出一个横截面，直到预设高度等于剩余点云高度时得到若干等高取出的横截面。
[0109]
在一个实施例中，所述偏移角数值确定单元具体用于：
[0110]
利用最小外包矩形的不规则三角网拟合横截面，剔除拟合横截面内的异常点，得到剔除异常点后的横截面；
[0111]
针对剔除异常点后的横截面，做出横截面横轴、中心点及横截面纵轴；根据横截面横轴、中心点及横截面纵轴，得到每一所述横截面对应的偏移角数值。
[0112]
在一个实施例中，利用最小外包矩形的不规则三角网拟合横截面，剔除拟合横截面内的异常点，得到剔除异常点后的横截面，包括：
[0113]
找出横截面点云的横轴方向的最大值、横轴方向的最小值、纵轴方向的最大值及纵轴方向的最小值，绘制出最小外包矩形，根据不规则三角网的规则绘制出基于最小外包矩形的不规则三角网；
[0114]
遍历三角网中所有的三角形，判定出包含最小外包矩形顶点的三角形，保留判定出的三角形中矩形顶点外的另外两点与线段，将保留的所有点进行去重，得到剔除异常点后的横截面。
[0115]
在一个实施例中，针对剔除异常点后的横截面，做出横截面横轴、中心点及横截面纵轴；根据横截面横轴、中心点及横截面纵轴，得到每一所述横截面对应的偏移角数值，包括：
[0116]
对剔除异常点后的横截面点云进行遍历，将点进行两两配对，通过两点间的距离公式计算出所有两点间的距离，取出距离最远的两点相连，记为横截面横轴；取出横轴中点作为横截面中心点；
[0117]
将横轴绕中心点旋转90度，得到过中心点且垂直于横轴的直线作为横截面纵轴；
[0118]
分别找出由横轴切分的前后两部分点云当中距离中心点最近的两个点，将该两个点分别与中心点连接，得到横截面的前半径及后半径，将前半径与横截面纵轴形成的锐角作为横截面偏移角，计算出偏移角的角度数值。
[0119]
在一个实施例中，所述检测单元具体用于：在多截面重叠对应的偏移角数值超过预先设置的偏移角角度合理范围值时，判定待检测胸骨发生变形。
[0120]
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于三维点
云数据的胸骨变形检测方法。
[0121]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于三维点云数据的胸骨变形检测方法。
[0122]
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于三维点云数据的胸骨变形检测方法。
[0123]
本发明实施例中，基于三维点云数据的胸骨变形检测方案，与现有技术中用ct扫描检测胸骨变形不安全的技术方案相比，通过：获取待检测胸骨畸形者体表三维点云数据；将待检测胸骨畸形者体表三维点云数据进行剪切，得到剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据；将剪切出的胸廓部分的有效三维点云数据等高取出若干横截面；将每一所述横截面进行单截面处理，得到每一所述横截面对应的偏移角数值；根据每一所述横截面对应的偏移角数值，得到多截面重叠对应的偏移角数值；根据多截面重叠对应的偏移角数值，以及预先设置的偏移角角度合理范围值，判定待检测胸骨是否变形，可以基于三维点云数据安全地检测胸骨变形。
[0124]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0125]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0126]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0127]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0128]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。