三維人體掃描系統(tǒng)在慢性皮膚潰瘍面積測(cè)量中的應(yīng)用

魯晉，王亮，萬燕，姚礪，唐洪泰，夏照帆

1.第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)海醫(yī)院 燒傷科，上海 200433；2.東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620

三維人體掃描系統(tǒng)在慢性皮膚潰瘍面積測(cè)量中的應(yīng)用

魯晉1，王亮1，萬燕2，姚礪2，唐洪泰1，夏照帆1

1.第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)海醫(yī)院 燒傷科，上海 200433；2.東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620

目的研究BurnCalc掃描系統(tǒng)在慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面測(cè)量中的效果。方法選取2014年6月～2014年12月于我院就診的皮膚慢性潰瘍患者30例，分別采用無菌薄膜勾邊法、NIH ImageJ方法和BurnCalc掃描方法對(duì)患者創(chuàng)面進(jìn)行測(cè)量，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析3種檢測(cè)方法測(cè)量結(jié)果的一致性。結(jié)果隨機(jī)區(qū)組方差分析顯示3種方法測(cè)得創(chuàng)面面積無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（F=2.57，P=0.085）；獨(dú)立t檢驗(yàn)分析B法與A法創(chuàng)面面積差值，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-0.728，P=0.472）；獨(dú)立t檢驗(yàn)分析C法與A法創(chuàng)面面積差值，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=2.010，P=0.054）。結(jié)論BurnCalc掃描系統(tǒng)可以精確測(cè)量慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面面積，可作為臨床評(píng)估慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面的新方法。

三維掃描；無菌薄膜勾法；數(shù)碼相機(jī)法；慢性潰瘍面積測(cè)量

糖尿病皮膚潰瘍是一種慢性難治性潰瘍，是糖尿病神經(jīng)和血管損害導(dǎo)致的一種嚴(yán)重并發(fā)癥，其主要表現(xiàn)為足部的感染、潰瘍，深層組織破壞和壞疽。潰瘍表面積的準(zhǔn)確測(cè)量是治療的前提及療效評(píng)估的重要指標(biāo)[1-11]。糖尿病足潰瘍表現(xiàn)多種多樣，可以通過計(jì)算潰瘍面積的變化來評(píng)估潰瘍的預(yù)后，然而迄今為止在廣義的皮膚潰瘍治療中沒有一種較為統(tǒng)一的潰瘍面積測(cè)量方法[12]。臨床上有許多創(chuàng)面面積評(píng)估技術(shù)，目前臨床較為常用的有直尺法、無菌薄膜勾邊法、數(shù)碼相機(jī)拍照法等[13-17]。Resch等[18]認(rèn)為一種理想的潰瘍面積測(cè)量工具應(yīng)具備精確、敏感、高效、無偏倚、多維性、無創(chuàng)、對(duì)潰瘍面無污染、患者易于接受等特點(diǎn)。美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究所提供的免費(fèi)的醫(yī)學(xué)圖象分析軟件ImageJ比較符合上述特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域[16]，然而這種方法為二維估算法，不能提供創(chuàng)面三維深度等信息，因此不能體現(xiàn)個(gè)體化差異。創(chuàng)面形狀不規(guī)則、分布不同、創(chuàng)面深度不同、不同醫(yī)生對(duì)同一創(chuàng)面的判斷及認(rèn)識(shí)不同，這些因素都會(huì)影響醫(yī)療工作者對(duì)傷情的判斷和治療策略的制定，因此尚未建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]。

我們?cè)谥伴_發(fā)的BurnCalc掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[19]，研發(fā)出皮膚慢性潰瘍掃描系統(tǒng)。整套系統(tǒng)包括：圖像采集設(shè)備、三維模型重建系統(tǒng)和可視化三維交互顯示系統(tǒng)。其中圖像采集設(shè)備采用集成了彩色攝像頭、深度（紅外）攝像頭和紅外線投影機(jī)傳感器的Kinect for Windows手持式掃描設(shè)備。該設(shè)備是在原Kinect一代的基礎(chǔ)之上升級(jí)后發(fā)布的一款三維體感攝像頭。其中彩色攝像頭用于拍攝視角范圍內(nèi)的彩色視頻圖像，分辨率升級(jí)為1920×1080像素；紅外投影機(jī)用于主動(dòng)投射近紅外光譜，分辨率升級(jí)為512×424像素；深度（紅外）攝像頭用于分析紅外光譜，創(chuàng)建可視范圍內(nèi)的人體的深度信息，分辨率升級(jí)為512×424像素。深度攝像頭采用的是光編碼方法，即利用連續(xù)光（近紅外線）對(duì)測(cè)量空間進(jìn)行編碼，經(jīng)感應(yīng)器讀取編碼的光線，交由晶片運(yùn)算進(jìn)行解碼后，產(chǎn)生一張具有深度的圖像[19]，它相對(duì)于我們之前使用的Kinect更為精確、高效。本研究以無菌薄膜勾邊法為“金標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，探討并驗(yàn)證一種精確、敏感、簡(jiǎn)便、高效的皮膚慢性潰瘍面積測(cè)量方法。

1 資料與方法

1.1 資料

選取2014年6月～12月于我院就診的30例皮膚慢性潰瘍患者進(jìn)行研究，其中男性17名，女性13名，年齡46～82歲，平均（64±8.39）歲。分別采用無菌薄膜勾邊法（A法）、NIH ImageJ方法（B法）和BurnCalc掃描方法（C法）測(cè)量皮膚潰瘍創(chuàng)面，該試驗(yàn)獲得我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

患者納入標(biāo)準(zhǔn)：① 診斷為糖尿病足、褥瘡等皮膚慢性潰瘍的患者；② 根據(jù)國(guó)家藥物臨床試驗(yàn)管理規(guī)范規(guī)定，獲取知情同意并已簽署知情同意書者。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 患有精神疾病，包括嚴(yán)重的癔癥；② 不具備自主能力；③ 妊娠、哺乳期或準(zhǔn)備妊娠的婦女；④ 有中風(fēng)或伴有肢體皮膚植物神經(jīng)功能障礙等疾病；⑤ 最近3個(gè)月參加過其他臨床試驗(yàn)；⑥ 據(jù)判斷有可能干擾試驗(yàn)結(jié)果或增加患者風(fēng)險(xiǎn)的任何病史。

1.2 方法

1.2.1 無菌薄膜勾邊法[20]

打開傷口外敷料后清潔、干燥傷口，將自帶坐標(biāo)網(wǎng)格的無菌薄膜（聚安酯膜和丙烯酸粘劑組成）緊貼于慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面表面，使整個(gè)創(chuàng)面被包含在薄膜的邊界之內(nèi)，使用記號(hào)筆沿創(chuàng)面邊緣勾畫出創(chuàng)面表面形狀，揭下背襯，根據(jù)薄膜自帶的坐標(biāo)網(wǎng)格計(jì)算出創(chuàng)面面積，每個(gè)坐標(biāo)網(wǎng)格面積為0.25 cm2，對(duì)于邊界內(nèi)不滿一格的按照只計(jì)左側(cè)和上方的原則計(jì)算。對(duì)于更大的創(chuàng)面，使用數(shù)張薄膜連接在一起，覆蓋整個(gè)創(chuàng)面區(qū)域后分別計(jì)算每張薄膜標(biāo)記區(qū)域的面積，相加后得出創(chuàng)面的總面積。

1.2.2 NIH ImageJ 方法[11,21,22]

使用數(shù)碼相機(jī)于固定的高度和角度對(duì)每一個(gè)慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面進(jìn)行拍照，并使用尺子作為標(biāo)記。每個(gè)照片使用NIH ImageJ軟件測(cè)量3次，并使用直尺作為標(biāo)尺進(jìn)行分析。將數(shù)碼相機(jī)采集的圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，選出最清晰圖片，應(yīng)用NIH ImageJ軟件，采用描記筆沿潰瘍邊緣勾勒潰瘍面表面輪廓，得出像素平方值，同時(shí)用描記筆勾勒標(biāo)尺上1 cm的直線距離，得出1 cm直線距離的像素值，再將1 cm像素值相乘，得出1 cm2的像素平方值，最后用潰瘍表面輪廓的像素平方值除以1 cm2的像素平方值，得到慢性潰瘍皮膚面積。

1.2.3 BurnCalc系統(tǒng)掃描方法[19]

（1）采集圖像信息：采用Kinect for Windows手持式掃描設(shè)備，通過不同角度掃描人體創(chuàng)面，每秒獲取1幀圖片，獲得的圖像數(shù)據(jù)傳輸至電腦處理。

（2）潰瘍創(chuàng)面三維重建：采集到的數(shù)據(jù)通過Kinect Fusion算法進(jìn)行匹配定位與融合來實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景重建。

（3）可視化三維交互顯示系統(tǒng)計(jì)算面積：應(yīng)用三維可視化面片繪制方法計(jì)算得到的三維模型面積。將被測(cè)創(chuàng)面處理為若干個(gè)基于點(diǎn)云庫(kù)中相鄰3點(diǎn)所形成的三角面片，對(duì)構(gòu)成這個(gè)三維物體表面的所有三角面片的面積進(jìn)行累加，得到該物體的表面積。操作人員通過軟件平臺(tái)手動(dòng)選擇定義“創(chuàng)面區(qū)域”，計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有三角網(wǎng)格的面積之和，即為創(chuàng)面面積。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析，3種方法所得創(chuàng)面面積運(yùn)用隨機(jī)區(qū)組方差分析進(jìn)行比較，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

采用3種方法分別測(cè)量的30位患者所得創(chuàng)面面積柱狀圖，見圖1。

圖1 3種測(cè)量方法測(cè)得創(chuàng)面面積柱狀圖

3種方法測(cè)得創(chuàng)面面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。隨機(jī)區(qū)組方差分析顯示3種方法測(cè)得創(chuàng)面面積無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（F=2.57，P=0.085）；獨(dú)立t檢驗(yàn)分析B法與A法創(chuàng)面面積差值，差值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=-0.728，P=0.472）；獨(dú)立t檢驗(yàn)分析C法與A法創(chuàng)面面積差值，差值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（t=2.010，P=0.054）。

3 討論

糖尿病足是糖尿病晚期并發(fā)癥之一，通常傷口愈合緩慢，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致患者截肢等。因此，對(duì)皮膚慢性潰瘍面積的準(zhǔn)確判斷對(duì)于臨床醫(yī)護(hù)工作者來說尤為重要[2]。

無菌薄膜勾邊法經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單，一直被認(rèn)為是臨床測(cè)量創(chuàng)面面積的金標(biāo)準(zhǔn)，但該方法主要缺點(diǎn)在于：① 由于薄膜之下的邊緣模糊不清，導(dǎo)致難以識(shí)別傷口邊緣；② 薄膜遇上濕潤(rùn)的傷口變硬，使薄膜與傷口不貼合；③ 薄膜與傷口直接接觸，增加了傷口污染的風(fēng)險(xiǎn)，引起患者不舒適和疼痛[11,23-25]。

NIH ImageJ方法可達(dá)到與無菌薄膜勾邊法相似的效果，且克服了無菌薄膜勾邊法需要與創(chuàng)面接觸從而導(dǎo)致不良事件產(chǎn)生的缺點(diǎn)，目前臨床上較多使用NIH ImageJ法來評(píng)估慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面。但NIH ImageJ法要求數(shù)碼相機(jī)拍攝時(shí)與慢性皮膚潰瘍面保持垂直，且必須有標(biāo)尺作為對(duì)照，以避免相機(jī)鏡頭與潰瘍面距離不同所造成的差異。同時(shí)，該方法對(duì)數(shù)碼相機(jī)與創(chuàng)面的拍照距離也有要求，如果創(chuàng)面之間的拍照距離不一致，可能會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)面測(cè)量結(jié)果的誤差[11]，因此也不是最合適的創(chuàng)面測(cè)量方法。

本研究結(jié)果表明BurnCalc掃描方法與NIH ImageJ方法、無菌薄膜勾邊法在測(cè)量創(chuàng)面面積方面精確度相似。相較傳統(tǒng)二維創(chuàng)面測(cè)量方法，三維創(chuàng)面測(cè)量更能準(zhǔn)確的反映出創(chuàng)面的真實(shí)信息。BurnCalc掃描系統(tǒng)只需要一臺(tái)Kinect掃描儀和一臺(tái)筆記本電腦便可以完成系統(tǒng)的構(gòu)建，它能測(cè)量出創(chuàng)面的形狀和表面信息，這一功能使得創(chuàng)面面積計(jì)算更加符合實(shí)際情況。BurnCalc掃描系統(tǒng)三維交互界面同時(shí)支持創(chuàng)面模型的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)，為進(jìn)一步研究提供有力支持。本系統(tǒng)選用的三維人體掃描設(shè)備，突破了以往的人體掃描設(shè)備安裝困難、準(zhǔn)備工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、不能移動(dòng)的限制，使得批量測(cè)量創(chuàng)面三維數(shù)據(jù)成為可能，大大降低了工作人員的工作強(qiáng)度，為建立創(chuàng)面數(shù)據(jù)庫(kù)提供了技術(shù)支持。目前研究選用的BurnCalc掃描系統(tǒng)還不能直接計(jì)算出慢性創(chuàng)面的垂直深度和體積信息，我們正在進(jìn)行此類功能的研究開發(fā)。

4 結(jié)論

BurnCalc掃描系統(tǒng)是一套無創(chuàng)、快捷、便攜、經(jīng)濟(jì)、精確的人體掃描系統(tǒng)，可以精確測(cè)量慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面的面積，是一種評(píng)估慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面的臨床新方法。BurnCalc掃描系統(tǒng)的臨床意義在于它可以成為一種評(píng)價(jià)慢性皮膚潰瘍創(chuàng)面的通用方法，從而使糖尿病足或者褥瘡患者得到更加精確、客觀的評(píng)價(jià)。

表1 3種方法測(cè)得創(chuàng)面面積統(tǒng)計(jì)分析表

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Application of BurnCalc 3D Body Scanning System in Measurement of the Area of Chronic Skin Ulcers

Objective To study the effectiveness of application of BurnCalc 3D body scanning system in measurement of the wound areas of chronic skin ulcers. Methods Altogether 30 cases of chronic skin ulcer patients who were treated in Changhai Hospital from June 2014 to December 2014 was involved in this study. Their wounds were measured by using the transparency tracing method (Method A),NIH ImageJ method (Method B) and BurnCalc scanning method (Method C) respectively. The statistical approach was applied to analyze the consistency among the results acquired by using three methods. Results According to the randomized block analysis of variance,no statistically signifcant difference was found among wound areas acquired by using three measurement methods (F=2.569,P=0.085). The results of independentt-test analysis showed that the difference between wound areas acquired by using Method B,Method A and Method C,Method A had no statistical signifcance respectively [(t=-0.728,P=0.472),(t=2.010,P=0.054)]. Conclusion The BurnCalc 3D body scanning system proved its effectiveness in accurate measurement of the wound areas of chronic skin ulcers,which could be considered a new method for the clinical evaluation of wound areas of chronic skin ulcers.

three-dimensional scanning;transparency tracing method;NIH ImageJ method;chronic ulcer area measurement

LU Jin1,WANG Liang1,WAN Yan2,YAO Li2,TANG Hong-tai1,XIA Zhao-fan1
1. Department of Burn Surgery,Changhai Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China;2. Department of Computer Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China

R632

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.011

1674-1633(2016)09-0046-04

2015-09-28

2015-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（81372057）。

夏照帆，教授，院士，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊齽?chuàng)傷疾病的救治。

通訊作者郵箱：drtanght@163.com