三維人體掃描系統在慢性皮膚潰瘍面積測量中的應用

魯晉，王亮，萬燕，姚礪，唐洪泰，夏照帆

1.第二軍醫大學長海醫院 燒傷科，上海 200433；2.東華大學 計算機科學與技術學院，上海 201620

三維人體掃描系統在慢性皮膚潰瘍面積測量中的應用

魯晉1，王亮1，萬燕2，姚礪2，唐洪泰1，夏照帆1

1.第二軍醫大學長海醫院 燒傷科，上海 200433；2.東華大學 計算機科學與技術學院，上海 201620

目的研究BurnCalc掃描系統在慢性皮膚潰瘍創面測量中的效果。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掃描方法對患者創面進行測量，使用統計學方法分析3種檢測方法測量結果的一致性。結果隨機區組方差分析顯示3種方法測得創面面積無統計學差異（F=2.57，P=0.085）；獨立t檢驗分析B法與A法創面面積差值，無統計學差異（t=-0.728，P=0.472）；獨立t檢驗分析C法與A法創面面積差值，無統計學差異（t=2.010，P=0.054）。結論BurnCalc掃描系統可以精確測量慢性皮膚潰瘍創面面積，可作為臨床評估慢性皮膚潰瘍創面的新方法。

三維掃描；無菌薄膜勾法；數碼相機法；慢性潰瘍面積測量

糖尿病皮膚潰瘍是一種慢性難治性潰瘍，是糖尿病神經和血管損害導致的一種嚴重并發癥，其主要表現為足部的感染、潰瘍，深層組織破壞和壞疽。潰瘍表面積的準確測量是治療的前提及療效評估的重要指標[1-11]。糖尿病足潰瘍表現多種多樣，可以通過計算潰瘍面積的變化來評估潰瘍的預后，然而迄今為止在廣義的皮膚潰瘍治療中沒有一種較為統一的潰瘍面積測量方法[12]。臨床上有許多創面面積評估技術，目前臨床較為常用的有直尺法、無菌薄膜勾邊法、數碼相機拍照法等[13-17]。Resch等[18]認為一種理想的潰瘍面積測量工具應具備精確、敏感、高效、無偏倚、多維性、無創、對潰瘍面無污染、患者易于接受等特點。美國國立衛生研究所提供的免費的醫學圖象分析軟件ImageJ比較符合上述特點，目前已廣泛應用于醫學圖像處理領域[16]，然而這種方法為二維估算法，不能提供創面三維深度等信息，因此不能體現個體化差異。創面形狀不規則、分布不同、創面深度不同、不同醫生對同一創面的判斷及認識不同，這些因素都會影響醫療工作者對傷情的判斷和治療策略的制定，因此尚未建立統一的評價標準[19]。

我們在之前開發的BurnCalc掃描系統的基礎上[19]，研發出皮膚慢性潰瘍掃描系統。整套系統包括：圖像采集設備、三維模型重建系統和可視化三維交互顯示系統。其中圖像采集設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傳感器的Kinect for Windows手持式掃描設備。該設備是在原Kinect一代的基礎之上升級后發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的彩色視頻圖像，分辨率升級為1920×1080像素；紅外投影機用于主動投射近紅外光譜，分辨率升級為512×424像素；深度（紅外）攝像頭用于分析紅外光譜，創建可視范圍內的人體的深度信息，分辨率升級為512×424像素。深度攝像頭采用的是光編碼方法，即利用連續光（近紅外線）對測量空間進行編碼，經感應器讀取編碼的光線，交由晶片運算進行解碼后，產生一張具有深度的圖像[19]，它相對于我們之前使用的Kinect更為精確、高效。本研究以無菌薄膜勾邊法為“金標準”進行對照實驗，探討并驗證一種精確、敏感、簡便、高效的皮膚慢性潰瘍面積測量方法。

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）測量皮膚潰瘍創面，該試驗獲得我院倫理委員會批準。

患者納入標準：① 診斷為糖尿病足、褥瘡等皮膚慢性潰瘍的患者；② 根據國家藥物臨床試驗管理規范規定，獲取知情同意并已簽署知情同意書者。排除標準：① 患有精神疾病，包括嚴重的癔癥；② 不具備自主能力；③ 妊娠、哺乳期或準備妊娠的婦女；④ 有中風或伴有肢體皮膚植物神經功能障礙等疾病；⑤ 最近3個月參加過其他臨床試驗；⑥ 據判斷有可能干擾試驗結果或增加患者風險的任何病史。

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，將自帶坐標網格的無菌薄膜（聚安酯膜和丙烯酸粘劑組成）緊貼于慢性皮膚潰瘍創面表面，使整個創面被包含在薄膜的邊界之內，使用記號筆沿創面邊緣勾畫出創面表面形狀，揭下背襯，根據薄膜自帶的坐標網格計算出創面面積，每個坐標網格面積為0.25 cm2，對于邊界內不滿一格的按照只計左側和上方的原則計算。對于更大的創面，使用數張薄膜連接在一起，覆蓋整個創面區域后分別計算每張薄膜標記區域的面積，相加后得出創面的總面積。

1.2.2 NIH ImageJ 方法[11,21,22]

使用數碼相機于固定的高度和角度對每一個慢性皮膚潰瘍創面進行拍照，并使用尺子作為標記。每個照片使用NIH ImageJ軟件測量3次，并使用直尺作為標尺進行分析。將數碼相機采集的圖片導入計算機，選出最清晰圖片，應用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，同時用描記筆勾勒標尺上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系統掃描方法[19]

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

（2）潰瘍創面三維重建：采集到的數據通過Kinect Fusion算法進行匹配定位與融合來實現三維場景重建。

（3）可視化三維交互顯示系統計算面積：應用三維可視化面片繪制方法計算得到的三維模型面積。將被測創面處理為若干個基于點云庫中相鄰3點所形成的三角面片，對構成這個三維物體表面的所有三角面片的面積進行累加，得到該物體的表面積。操作人員通過軟件平臺手動選擇定義“創面區域”，計算區域內所有三角網格的面積之和，即為創面面積。

1.2.4 統計分析

采用SPSS 19.0軟件進行分析，3種方法所得創面面積運用隨機區組方差分析進行比較，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

采用3種方法分別測量的30位患者所得創面面積柱狀圖，見圖1。

圖1 3種測量方法測得創面面積柱狀圖

3種方法測得創面面積統計結果，見表1。隨機區組方差分析顯示3種方法測得創面面積無統計學差異（F=2.57，P=0.085）；獨立t檢驗分析B法與A法創面面積差值，差值無統計學差異（t=-0.728，P=0.472）；獨立t檢驗分析C法與A法創面面積差值，差值無統計學差異（t=2.010，P=0.054）。

3 討論

糖尿病足是糖尿病晚期并發癥之一，通常傷口愈合緩慢，嚴重時可能導致患者截肢等。因此，對皮膚慢性潰瘍面積的準確判斷對于臨床醫護工作者來說尤為重要[2]。

無菌薄膜勾邊法經濟、簡單，一直被認為是臨床測量創面面積的金標準，但該方法主要缺點在于：① 由于薄膜之下的邊緣模糊不清，導致難以識別傷口邊緣；② 薄膜遇上濕潤的傷口變硬，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險，引起患者不舒適和疼痛[11,23-25]。

NIH ImageJ方法可達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面接觸從而導致不良事件產生的缺點，目前臨床上較多使用NIH ImageJ法來評估慢性皮膚潰瘍創面。但NIH ImageJ法要求數碼相機拍攝時與慢性皮膚潰瘍面保持垂直，且必須有標尺作為對照，以避免相機鏡頭與潰瘍面距離不同所造成的差異。同時，該方法對數碼相機與創面的拍照距離也有要求，如果創面之間的拍照距離不一致，可能會導致創面測量結果的誤差[11]，因此也不是最合適的創面測量方法。

本研究結果表明BurnCalc掃描方法與NIH ImageJ方法、無菌薄膜勾邊法在測量創面面積方面精確度相似。相較傳統二維創面測量方法，三維創面測量更能準確的反映出創面的真實信息。BurnCalc掃描系統只需要一臺Kinect掃描儀和一臺筆記本電腦便可以完成系統的構建，它能測量出創面的形狀和表面信息，這一功能使得創面面積計算更加符合實際情況。BurnCalc掃描系統三維交互界面同時支持創面模型的測量、旋轉和存儲，為進一步研究提供有力支持。本系統選用的三維人體掃描設備，突破了以往的人體掃描設備安裝困難、準備工作費時費力、不能移動的限制，使得批量測量創面三維數據成為可能，大大降低了工作人員的工作強度，為建立創面數據庫提供了技術支持。目前研究選用的BurnCalc掃描系統還不能直接計算出慢性創面的垂直深度和體積信息，我們正在進行此類功能的研究開發。

4 結論

BurnCalc掃描系統是一套無創、快捷、便攜、經濟、精確的人體掃描系統，可以精確測量慢性皮膚潰瘍創面的面積，是一種評估慢性皮膚潰瘍創面的臨床新方法。BurnCalc掃描系統的臨床意義在于它可以成為一種評價慢性皮膚潰瘍創面的通用方法，從而使糖尿病足或者褥瘡患者得到更加精確、客觀的評價。

表1 3種方法測得創面面積統計分析表

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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

國家自然科學基金（81372057）。

夏照帆，教授，院士，主要研究領域為燒創傷疾病的救治。

通訊作者郵箱：drtanght@163.com