本文是一篇计算机论文，本文所使用的测量方法有几个局限性。首先，整个测量方法的测量精度取决于利用深度相机拍摄的多个正常人体的标准颈椎数据与虚拟设备的空间定位系统。尽管本文已经尽力去除了受测者个体的特征数据，但不能保证平均后的正常人体点云数据是否只有所有正常人的普遍性质。同时虚拟设备的空间定位系统的波动性应该很小，但随着基站的使用，发射不可见激光的物理器件可能产生磨损从而定位失准，同时头戴显示器搭载的内部 IMU 器件可能需要进行校准以确保其正常工作。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
颈椎作为支撑人体脑部的关键骨骼，十分重要的同时却又十分脆弱。随着现代社会的发展，人们的工作模式由传统的室外体力劳动转变为了室内的办公室脑力劳动，使得颈椎病的患病率大幅增高[1]。颈椎病主要是指颈椎间盘退化以及继发性变刺激或挤压周围人体组织[2]。一旦颈椎出现了问题，一般情况下需要患者到医院，进行 X 光的照射，获取到颈椎的 X 光片，医生根据颈椎的影像学表现来判断患者颈椎活动程度的情况[3]。同时，患者进行手术治疗之后，因疼痛或者恐惧等原因，患者继续使用 X 光的方式进行颈部活动数据的测量会有些不便。因此，本文提出一种方便患者佩戴，测量数据满足医生需求的方法，据此判断颈椎活动是否存在异常等，此方法能让测试者不接受放射性照射，节约了一定的医学资源，同时对测试者的健康更加友好，对医生进行临床分析、判断有一定的参考价值。
目前的测量颈椎方法，主要有借助外部设备（例如激光[4]）与影像学诊断[5]的方法。其中外部激光设备是通过使测试者头戴可发激光头带，根据激光照射到有标记墙壁上的偏移进行测量。这种方式测量数据结果与医学文献报告的正常人颈椎活动度基本一致。但这种方式需要让患者与有刻度墙壁保持一定的距离，由于垂直距离变化导致产生误差，具有一定的不便利性。另一方面，现在医院主要采用的方式是连续拍摄 X-Ray 光片，通过对患者一连续运动的状态进行拍摄，医生可以查看颈椎骨骼的特征以及运动过程。影响学诊断还可能会出现假阳性误差，有一些例子表明存在 X-Ray 光片的影像学数据不是很正常，但是测试者并无异常[6]的情况。
目前的颈椎功能训练主要采用医生院内指导、患者出院后自行训练、定期随访复查，其缺陷在于患者可能因疼痛、恐惧等原因自行降低训练效果甚至不训练，医生也无法实时获知，缺乏应变与调整。增加复查次数虽能改善这种状况，但增加了医疗时间和经济成本。同时在临床实践中，颈椎外科医生发出指令指导患者行屈曲或仰伸过程时，会嘱患者以最大幅度完成该项运动，如“把头埋到最低”、“把头仰到最高”等指令，但部分患者未必能按照要求完成以上动作，导致拍摄出的 X 光片无法完全反应患者头颈部真实的活动情况；医生通过 X 光片仅能获得静态的患者骨骼形态，而骨骼形态并不能真实地反映患者头颈部活动情况，特别是对于患者而言，活动能力的恢复情况是其最主要的关注点之一。使用虚拟现实技术来获取运动学特征恰恰可以很好地解决以上两大问题，该受试者到达最大运动角度耗时较长。若对该患者使用 X 光进行测试，极有可能得到图 1.1 箭头所示的位置的 X 光片，即该 X 光片无法完整反映患者最大运动角度。但是，采用虚拟现实设备可以极好的捕捉受试者运动全过程，能够更全面地反映全过程的运动状态。
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1.2 国内外研究进展
虚拟现实技术在 20 世纪 60 年代首次由 Sutherland[17]提出。一般简称 VR 技术，是一种多信息融合，具有高交互性的结合现实行为的系统仿真技术。VR 通常被定义为计算机模拟的环境或现实，目的是模拟一个令人信服的真实环境。VR 的目的是让使用者体验并操纵这个虚拟出来的环境。VR 有三个明显的特性，沉浸感 (Immersion)、交互性（Interaction）、构想性（Imagination）。沉浸感是指使用者沉浸于计算机虚拟出来的三维场景里面，就像作梦一样无法区分虚拟与现实。交互性是指使用者在虚拟出来的三维场景里面利用 VR 系统的交互硬件可以像在真实世界一样与环境进行互动。构想性是指使用者在虚拟三维场景中可以最大程度地发挥自己的想象力，对空间进行创造或者更改。
VR 系统拥有多种类的信息输出形式，如三维视觉信息，听觉信息；同时，得益于 VR 设备中的定位模块，使用者佩戴 VR 设备时可获取使用者的运动过程中的角度，速度，位移等运动学参数。VR 这个概念在过去会定期出现在大众视野，然后很快消失，但目前随着更强大的图形硬件和创新的跟踪技术的出现，VR 不再仅仅用于娱乐使用。
近年来，VR 技术凭借其能够虚拟构建现实环境的功能，在医疗领域引起了广泛的关注，为手术教学，术前手术规划等医疗工作提供了新的思路。VR 设备是由 VR 硬件与相应的计算机软件构成的，计算机软件通过编写程序的方式来实现对现实的仿真。基于 VR 系统可重复、高保真等特点，一个 VR 软件开发完成之后可以让使用者有接近“真实世界”的体验。因此，VR 技术已经在术前手术规划[18]和手术教学[19]中有着广泛的应用。
VR 技术因其具有便捷高效、无创无射线辐射等特点、在颈椎活动度的测定上展现出一定的应用前景。利用 VR 进行评估时，首先将需要执行的测量过程编写到 VR 场景中，接着由患者穿戴 VR 硬件，按照程序指令依次完成各个步骤。在执行运动的过程中，VR 硬件内置的运动传感器完整记录相关数据，再经计算机程序处理计算，再最终输出成临床上常用的运动学数据。
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第 2 章 相关内容和理论基础
2.1 引言
基于深度相机-VR 设备混合颈椎活动度测量是一个医学与计算机科学结合的技术方案。其测量数据流程为使用者一个干净整洁的房间，在颈椎外科医生的指导下，穿戴上 VR 设备进行数据采集。在穿戴虚拟设备之前，由已经固定在房间，在人体头部上方不远的深度相机记录使用者的初始深度信息。然后在使用者穿戴着 VR 设备进行屈曲，左右侧倾，左右旋六个动作之后，记录 VR 设备记录的运动角度，用于之后分析。整个采集过程需要彩色摄像机记录，一次采集过程需要测量若干个受测者，视频的大小会比较庞大，为了节省资源、减少冗余，采用一种利用以简单方法划分感兴趣区域的压缩图像算法，将无人的地方视作非感兴趣区域，着重保留受测者的行为[26]。
本章主要介绍本课题使用硬件，VR 设备与深度相机，同时简要介绍医学上颈椎的结构以及颈椎的运动学特征，最后简要说明下医学传统测量颈椎活动程度的方法。
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2.2 VR 设备
VR 设备，是开发出来用于体验 VR 技术的硬件设备。VR 设备的基本组成分为 3 个基础模块，计算模块、显示模块与精准定位模块。VR 设备的计算模块用于渲染出图像与将图像输出，显示模块一般由放置于左右眼睛的两块屏幕、电子光学组件（放大镜和屈光度近视镜）和陀螺仪组成，用于显示计算模块计算并传输出来的图像和提供头部的动作位置；精准定位模块一般由 VR 手柄、头戴显示器和基站组成，VR 手柄提供手部动作位置，头戴显示器提供头部动作位置，基站提供辅助定位作用，共同完成定位功能。
目前市面上商业 VR 设备根据拥有模块数量分为三类，分别是主机式 VR、一体式VR 与移动端 VR[27]。主机式 VR 是利用计算机的图形处理器将渲染图像展示到 VR 设备的显示器的同时，通过 VR 设备的精准定位模块，将 VR 设备的显示器的位置与真实世界联系起来，达到使用者以不同的方向或者朝向观看屏幕，就会观察到不同方向或朝向的渲染图像，从而实现一种身临其境的沉浸感。移动端 VR 是指移动设备提供计算模块与显示模块的功能，一般物理构造比较简单，由类似普通眼镜的结构以及两块镜片组成，一般需要额外附加用于控制设备。一体式 VR 拥有独立的显示模块、运算模块和定位模块，无需连接其他设备。本文选用主机式 VR，HTC Vive Pro Eye (图 2.1 ) 作为 VR设备，其显示模块与精准定位模块, 如图 2.2 与图 2.3 所示。
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第 3 章 深度相机-VR 设备混合颈椎活动度测量方法.................. 17
3.1 颈椎活动度标准状态..................................... 17
3.1.1 颈椎活动度标准状态的提出 ....................................... 17
3.1.2 颈椎活动度初始角度状态获取方法 ............................... 17
第 4 章 深度相机-VR 混合设备颈椎活动度测量实验及分析 ................................. 35
4.1 实验流程 .................................... 35
4.2 实验环境 .................................... 35
4.3 实验数据获取 ............................ 36
第 5 章 结论与展望.................................... 51
5.1 本文工作总结 ............................................... 51
5.2 后续研究工作展望........................................ 51
第 4 章 深度相机-VR 混合设备颈椎活动度测量实验及分析
4.1 实验流程
由第三章介绍的颈椎活动度测量方法，实验将 VR 设备与深度相机放置于医院的一个专用测试的房间里面。HTC Vive 定位基站利用三脚架进行搭载，保证三脚架位置有标记且不会频繁移动，可以采集到定位基站所覆盖的头戴显示器的活动数据；深度相机固定于受测者佩戴虚拟设备的正上方，同时保证一定距离。实验开始前，需要先征集正常人志愿者，在实际测试位置，在专业颈椎外科医生的监督下保持一个标准的颈椎活动状态，利用已经安装固定好的深度相机 Realsense D435i 进行采集深度图像与彩色图像。采集完毕将深度图像与彩色图像保留，以用来后面处理为平均之后的正常人颈椎深度图像与彩色图像及其对应的点云数据。实验开始时，需要受测者听取颈椎外科医生讲解保持颈椎正常状态的方法，与测量所需要做的六组动作，受测者理解测试方法之后，到指定的位置，戴上虚拟设备的头戴显示器，通过看到头戴显示器显示的指示移动方向的闪烁箭头动画与医生发出的动作指令做出对应动作。以上测量步骤分别由两个颈椎外科医生分三次进行测量，其中先由第一位受测者测量一次，医生作为记录者记录后，再由第二位受测者测量第二次，最后再由第一位受测者测量第三次，由另一名医生充当记录者，记录第三次测量结果。同时，受测者还需要做两组骨科量角器测量头部活动的测量，骨科量角器测量方法为进行 VR 设备测量的那两名颈椎外科医生执行，他们分别使用骨科量角器（如图 4.1 ）进行测量，每次测量完由当前记录者读取并记录。受测者使用骨科量角器与佩戴 VR 设备应进行同等的活动程度，并分别记录下活动角度。以上两组利用骨科量角器的测试活动分别安排于三次 VR 测量过程之间。保证多次测量活动相对独立，更为可信。
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第 5 章 结论与展望
5.1 本文工作总结
本文提出一种新型的利用了深度相机与 VR 设备用于混合测量颈椎活动度的测量方法，并召集了一些健康受试者进行实际测试，将该方法与骨科量角器测量方法进行了组内一致性与组间一致性的分析，最后得到了本文所使用方法可以用于测量人体颈椎活动度的结论。
使用本文方法测量颈椎活动范围有至少两个优点，首先，测量数据可以转化为观察友好的可视化图像，这对于医生对受测者的颈椎运动情况有一个更加直观的结论。其次，X 光片仅能获得静态的患者骨骼形态，而骨骼形态并不能真实地反映患者头颈部活动情况，特别是对于做了颈椎手术之后的患者而言，活动能力的恢复情况是其最主要的关注点之一。因此，人们可以将虚拟设备与深度相机用作生物反馈设备和康复工具，以监视和改善自己的颈椎活动范围。长时间使用 VR 头戴显示器会导致恶心和不平衡。头戴式显示器的重量可能会导致或加剧颈椎疾病患者的颈部疼痛。因此本文建议研究人员在不同的测量时段之间需要足够的间隔（例如 5 分钟）。这也可以防止参与者在运动过程中颈部肌肉疲劳。