基于3D建模指關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量的研發(fā)及應(yīng)用

張 艷,徐瑞璟,李卓穎

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院,湖北443000

人體所有器官中,手是活動(dòng)精細(xì),敏感的運(yùn)動(dòng)感覺(jué)器官,在生活和勞動(dòng)中較易受到傷害。肌腱修復(fù)術(shù)后有4%～10%發(fā)生肌腱斷裂,10%發(fā)生限制性粘連,50%發(fā)生一定程度的指間關(guān)節(jié)僵硬[1-4]。部分病人由于未能正確實(shí)施功能鍛煉而導(dǎo)致手部功能康復(fù)效果不佳,從而對(duì)家庭、單位和社會(huì)都造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[5]。因此,針對(duì)性的教育和指導(dǎo)保證病人能夠在住院期間、出院后準(zhǔn)確進(jìn)行功能鍛煉和復(fù)查是非常重要的。調(diào)查表明,我國(guó)專科康復(fù)護(hù)理隊(duì)伍人才的培養(yǎng)以及康復(fù)護(hù)理的普及存在不足[6],手外科整體評(píng)估及康復(fù)治療尚有改善空間,康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)于關(guān)節(jié)功能的評(píng)價(jià)手段一直為手工測(cè)量角度,這不僅耗費(fèi)時(shí)間成本,更需要較長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)訓(xùn)練,才能獲得較為準(zhǔn)確的、穩(wěn)定的數(shù)據(jù),以此對(duì)康復(fù)計(jì)劃進(jìn)行指導(dǎo)。一旦病人離開了專業(yè)康復(fù)部門,其康復(fù)的效果則無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評(píng)估。直接影響病人手部康復(fù)訓(xùn)練的精確評(píng)估以及后續(xù)康復(fù)計(jì)劃的指導(dǎo),導(dǎo)致影響病人手部的康復(fù)進(jìn)度和效果。本研究通過(guò)3D建模測(cè)量指關(guān)節(jié)活動(dòng)度軟件,對(duì)病人手部進(jìn)行3D掃描,對(duì)每個(gè)階段病人的康復(fù)效果實(shí)時(shí)量化,并將所獲取三維影像各個(gè)角度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,測(cè)量出手部相鄰兩段指骨之間的角度數(shù)據(jù),所得數(shù)據(jù)與人工所測(cè)得角度信息進(jìn)行比對(duì),并比對(duì)二者所使用的時(shí)間,評(píng)估該軟件測(cè)量及使用效果,為探索更準(zhǔn)確且便利的測(cè)量方法提供參考依據(jù),從而幫助提高臨床診療效率,加快臨床康復(fù)進(jìn)度,增強(qiáng)臨床康復(fù)效果。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)選取50例本科室屈指肌腱損傷術(shù)后住院病人,所有病人均已知情同意。

1.2 方法

1.2.1 測(cè)量工具

3D掃描儀;通用量角器。

1.2.2 基于3D建模測(cè)量指關(guān)節(jié)活動(dòng)度方法

利用3D掃描儀對(duì)處于不同姿態(tài)的病人手部進(jìn)行3D掃描,獲取病人手部相應(yīng)實(shí)時(shí)三維影像信息;對(duì)該信息進(jìn)行程序解析及數(shù)字化測(cè)量,以采集病人每個(gè)手指上相鄰兩段指骨之間的角度信息。在三維影像信息采集過(guò)程中,獲取每個(gè)手指對(duì)應(yīng)的剖面圖像數(shù)據(jù);對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行輪廓提取處理,生成病人手部實(shí)時(shí)手指輪廓信息。根據(jù)上述手指輪廓信息選擇對(duì)應(yīng)手指上每段指骨的末端作為節(jié)點(diǎn),提取所有指骨的節(jié)點(diǎn),并將相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接;得出相鄰兩根線段之間的角度,初步確定角度信息。選取病人手部所有指骨皮膚表面中點(diǎn)作為校準(zhǔn)點(diǎn);計(jì)算校準(zhǔn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)指骨的線段之間的距離L,并將其與預(yù)設(shè)距離閾值L0進(jìn)行比對(duì);在所述距離L與所述預(yù)設(shè)距離閾值L0的比值r大于預(yù)設(shè)值r0時(shí),將所得對(duì)應(yīng)指骨和與其相鄰的指骨之間的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。校正處理:根據(jù)所述校準(zhǔn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)指骨兩端的節(jié)點(diǎn)之間的線段,得出校準(zhǔn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)指骨兩端之間線段對(duì)應(yīng)的夾角C0;將所采集的校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)指骨和與其相鄰的指骨之間的角度α0帶入如下公式進(jìn)行校正處理;α=α0-1/2 C0;獲得角度α為校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)指骨和與其相鄰的指骨之間校正處理后的角度。

1.2.3 評(píng)估方法

參考相關(guān)文獻(xiàn),資深手外科醫(yī)生5名,信息工程師核定并進(jìn)行軟件研發(fā),科室建立角度測(cè)量小組,隨機(jī)抽取本科室50例屈指肌腱損傷病人,由研究者對(duì)本科室2名醫(yī)生、2名護(hù)士進(jìn)行角度測(cè)量培訓(xùn)。小組成員分別在病人出院當(dāng)天對(duì)50例屈指肌腱損傷病人分別行人工量角器測(cè)量及3D建模角度測(cè)量,測(cè)量病人掌指關(guān)節(jié)(MP)、近側(cè)指骨關(guān)節(jié)(PIP)、遠(yuǎn)側(cè)指骨關(guān)節(jié)(DIP)活動(dòng)度,同時(shí)計(jì)算兩種方法測(cè)量所使用時(shí)間,出院當(dāng)天所測(cè)得的MP、PIP、DIP關(guān)節(jié)活動(dòng)度

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 人工量角器與3D建模技術(shù)測(cè)量出院前、康復(fù)醫(yī)院病人MP、PIP、DIP角度比較(見表1)

表1 人工量角器與3D建模技術(shù)測(cè)量出院前、康復(fù)醫(yī)院病人MP、PIP、DIP角度比較[M (P25,P75)]

2.2 兩種測(cè)量方法測(cè)量時(shí)間比較(見表2)

表2 兩種測(cè)量方法測(cè)量時(shí)間比較單位:s

3 討論

骨關(guān)節(jié)角度的測(cè)量需具有真實(shí)簡(jiǎn)單、直觀高效、無(wú)創(chuàng)、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),且關(guān)節(jié)功能、狀態(tài)的異常與骨關(guān)節(jié)疾病的診斷、療效和預(yù)后有密切聯(lián)系。本研究發(fā)現(xiàn),3D建模技術(shù)運(yùn)用于屈指肌腱損傷病人出院前及病人至康復(fù)醫(yī)院后,所得出DIP角度值較人工量角器測(cè)量DIP角度值大,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,其余結(jié)果差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,該結(jié)果可能與DIP關(guān)節(jié)活動(dòng)度較小,患指末端被敷料包裹有關(guān)。國(guó)際上測(cè)量手段有Human Norm系統(tǒng)、CROM系列等較精準(zhǔn)的測(cè)量手段,但操作復(fù)雜度高,成本昂貴[7-13]。目前,國(guó)內(nèi)進(jìn)行關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量大多采用通用量角器、照相法和X線法,但這些方法在精度、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性方面都無(wú)法滿足臨床需要,無(wú)法得到進(jìn)一步推廣[14-15]。根據(jù)本研究結(jié)果顯示,3D建模技術(shù)測(cè)量未經(jīng)培訓(xùn)的康復(fù)醫(yī)院醫(yī)護(hù)測(cè)量值與病人在院測(cè)量值較人工量角器測(cè)量值MP指標(biāo)差異更小、所得數(shù)值更穩(wěn)定、測(cè)量使用時(shí)間更短,3D建模技術(shù)具有手指屈曲角度測(cè)量功能,對(duì)康復(fù)前、中、后的病人手指關(guān)節(jié)功能可進(jìn)行系統(tǒng)、客觀、準(zhǔn)確的評(píng)估。在此基礎(chǔ)上,可組建由醫(yī)生、康復(fù)師、康復(fù)護(hù)士共同參與的康復(fù)小組,結(jié)合三方的專業(yè)知識(shí)及臨床經(jīng)驗(yàn),可多方位全面地對(duì)病人進(jìn)行評(píng)估,總結(jié)出最優(yōu)的功能鍛煉方案并有效進(jìn)行調(diào)整。實(shí)施康復(fù)延伸護(hù)理服務(wù),即便病人在院外,也可以及時(shí)將康復(fù)情況以微信視頻形式反饋給醫(yī)生及康復(fù)師,了解恢復(fù)情況和發(fā)現(xiàn)康復(fù)鍛煉中的問(wèn)題,以迅速調(diào)整康復(fù)計(jì)劃、給予干預(yù)糾正,保證康復(fù)鍛煉安全準(zhǔn)確實(shí)施。提高肌腱損傷病人手部功能恢復(fù)效果,使手康復(fù)護(hù)理趨于規(guī)范化、流程化。保證肌腱損傷術(shù)后康復(fù)病人的康復(fù)護(hù)理、專業(yè)信息、鍛煉方法、心理狀態(tài)等連續(xù)性。提高專科康復(fù)護(hù)理水平的同時(shí)讓病人感受到社會(huì)的關(guān)愛。

4 小結(jié)

3D建模技術(shù)運(yùn)用于病人手部骨關(guān)節(jié)活動(dòng)度的測(cè)量可提高測(cè)量的準(zhǔn)確性、時(shí)效性,提高了臨床診療效率,給予病人更便捷的就醫(yī)體驗(yàn),減少了醫(yī)療人員技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)等個(gè)人素質(zhì)以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響,為未來(lái)手部康復(fù)延伸服務(wù)及病人自我康復(fù)監(jiān)測(cè)提供了可能,本研究的不足之處,目前未能解決敷料等覆蓋物對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)度測(cè)量所造成的影響,本技術(shù)僅對(duì)靜態(tài)角度進(jìn)行測(cè)量,未能對(duì)患指動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)估,這將是進(jìn)一步研究的方向。