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三维形态测量及其在体育中的应用

 运动机能形态学 2022-08-10 发布于北京

导语


       随着测量研究的精细化,形态测量逐步由二维向三维发展,三维形态测量逐步推广,应用至体育、医学、人类学、服装等多个研究领域。三维形态测量的实现目前主要可以通过三维人体扫描技术、CT/MRI检查后三维重建、单相机立体视觉等方法实现。

一、三维人体扫描技术

      应用光敏设备捕捉投射到人体表面的光,进而提取形成的图像,其后利用软件程序解读出三维图像上的形态特征。常用德国Human Solution公司生产的三维人体扫描仪。研究表明,三维扫描技术有着巨大的优势,但在前臂长、上臂长、肩宽等指标上与手工测量误差较大,其软件指标体系与体育相关测试精度尚待提高。

      优点:扫描时间短、一次测试指标多、无身体接触等、数据方便储存;

      缺点:测试精度依赖于大样本、全人群的测试和精确的算法(相关软件以服装行业需求为准,直接应用于体育有偏差)。

      测试要求:男-头戴浴帽,上身裸露,紧身短裤,赤足;女-头戴浴帽,上身着统一配发的内衣,紧身短裤,赤足。避免衣物褶皱造成的测量误差,不得佩戴手表、项链、戒指等金属物品防止干扰。

二、CT/MRI检查后三维重建

     CT/MRI检查目前已广泛应用于临床医疗和医学科学研究,目前的CT扫描仪可以做到128排,层厚可达到0.5mm。目前医学和人类学领域研究较多。

      优点:真实表达生物体表型特征点的空间解剖关系;

      缺点:有辐射,价格昂贵,数据处理较复杂。

      测试一般根据CT测试要求即可,针对研究目标部位完成三维CT扫描,后将数据导入三维重建软件(VG Studio3.0等),通过提取标志点的三维坐标,对耳廓形态进行几何形态学测量。其后将数据导入数据处理软件,对目标部位特征进行分析,常用欧几里德几何距离矩阵分析法进行数据处理。

三、单相机立体视觉法

      利用多目立体视觉的几何原理,采用单个相机,以不同的角度进行拍摄,构建“单相机、多视角”的单目立体视觉系统。主要可应用于测量脊柱的三维形态,含三个基本面上的偏离情况;以及身体姿态相关指标的测试。研究表明,该方法具有较好的测量精度,测量误差在±3°以内,测得脊柱评估角与X线测量所得Cobb角相关性达到0.818,可应用于衡量脊柱畸形的严重程度,体育领域可用于评价相关运动训练的身体姿态改善效果。

     优点:简单易行(多相机标定工作复杂繁琐,环境适应性差),可用于日常体表监测,成本低廉、无辐射可多次测量,可适用于家庭环境下的日常监测;

     缺点:与X线片测量法对比有一定误差,有进一步完善空间。

     测试:一台相机、6*8棋盘格(边长20 mm)一张、8mm圆形标记点若干。受试者脊柱棘突处贴圆形标记点,其后让受试者面对墙面站立在棋盘格附近,测试人员用相机以不同角度对患者后背上的标志和墙上的棋盘格进行拍摄,完成后,将采集的图像导入程序进行处理,得出测量结果。

参考文献

1. 任弘等. 三维人体扫描技术在身体形态测量中的应用. 北京体育大学学报. 2013.1.

2. 许泽君等. 基于EDMA的辽宁汉族成人3DCT重建耳廓几何形态测量分析. 解剖学杂志. 2019.3.

3. 张经惠. 用于日常体表监测的三维脊柱形态测量技术. 生物医学工程学杂志. 2020.10.

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