以機器視覺進行嬰兒頭形影像之特徵量測與分析

Abstract

量測頭形是診斷及分析嬰兒頭部變形必要的手段，但現行的目測法不夠精細，儀器量測對嬰兒也有諸多的限制及不良影響。為了能獲取足夠的頭形資訊以及可量化的數據提供臨床評比之用，本研究提出一解決方式，以頭環間接拓取嬰兒的頭圍輪廓，再利用機器視覺方法針對頭環的影像進行頭形的量測與分析。在頭圍影像中，共計擷取了10組大小尺寸特徵及7組形狀特徵，並定義了3項新穎的頭形觀測指標：(1)不對稱指標(Asymmetry Index, AI)，(2)歪斜指標(Plagiocephaly Index, PI)以及(3)相對變形指標(Relative Deformity Index, RDI)，同時能將頭圍輪廓上4組具有觀測意義之平、凸特徵以向量作表示。相較傳統的方式，本研究除能自動擷取慣用的頭形計測值及頭形指標(Cephalic Index , CI)外，能快速取得更為豐富的頭形資訊，並能整合這些資訊從事嬰兒頭形特徵的變化分析。經實驗結果顯示，本論文所提出的新穎、安全、客觀、人道及量化的量測方法快速而穩定；透過近2000筆不同群組樣本實測結果的統計分析，所得出的論點，在醫學臨床上亦具有極高的評價及參考價值。

Head deformation measurement is an important stage for diagnosis and management of infants with plagiocephaly. Because the head shape data of infants is difficult to be obtained under the consideration of safety and cost. So, in clinical, the doctors still estimate the change of a head shape by observation or simple measurement. It is difficult for different doctors to describe such unstable states in different clinical environment. This paper is to develop a measuring system that can extract and analyze important features from the head ring images. There are 10 size features and 7 shape features that can be extracted from the head ring images by the developed method. Three important indices were defined in this research: (1) Asymmetry Index (2) Plagiocephaly Index, and (3) Relative Deformity Index. On the other hand, a method that can be used to examine the position and seriousness of the intrusive /extrusive state of a head contour was also developed. Comparing to the current operation processes, this research can derive more results and provide more information from the input head ring images for clinical references. 摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 IX 符號說明 X 第一章 緒 論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 1 1.3 研究對象 3 1.4 研究方法及目的 4 1.5 論文架構 6 第二章 文獻回顧 7 2.1 嬰兒頭部變形之探討 7 2.2 影像處理及分析 10 2.2.1 影像前置處理 11 2.2.2 邊界偵測 14 2.2.3 形狀表示及描述 15 2.3 頭形量測技術 17 2.3.1 方法的演進 17 2.3.2 形狀差異 18 2.3.3 形狀的不對稱性 20 第三章 頭圍輪廓擷取 23 3.1 頭環影像前置處理 24 3.2 頭圍輪廓資料擷取 26 第四章 頭圍形態特徵定義與擷取 31 4.1 輪廓大小特徵 31 4.2 輪廓形狀特徵 35 4.2.1 頭圍輪廓的不對稱性 37 4.2.2 頭圍輪廓形狀差異度量測 41 4.2.3 局部形狀的平凸特徵 42 第五章 系統實作與結果驗證 50 5.1 系統的開發環境 50 5.2 系統流程 50 5.3 實例分析 52 5.3.1 特徵值的量測與分析 52 5.3.2 AI值的量測與分析 57 5.3.3 CI值的量測與分析 61 5.3.4 PI值的量測與分析 63 5.3.5 RDI值的量測與分析 64 第六章 結論與建議 66 6.1 結論 66 6.2 改進及建議 67 6.3 未來之研究 68 參考文獻 70 附錄一：頭環規格及製作說明 75 附錄二：正常案例及斜頸案例的年齡、人數和AI值統計 76 附錄三：頭環樣本群組分類 77 附錄四：斜頸患者頭圍輪廓樣本 78 附錄五：六個頭圍輪廓曲率簽字曲線階梯值 79