三维人体扫描系统在慢性皮肤溃疡面积测量中的应用

鲁晋，王亮，万燕，姚砺，唐洪泰，夏照帆

1.第二军医大学长海医院 烧伤科，上海 200433；2.东华大学 计算机科学与技术学院，上海 201620

三维人体扫描系统在慢性皮肤溃疡面积测量中的应用

鲁晋1，王亮1，万燕2，姚砺2，唐洪泰1，夏照帆1

1.第二军医大学长海医院 烧伤科，上海 200433；2.东华大学 计算机科学与技术学院，上海 201620

目的研究BurnCalc扫描系统在慢性皮肤溃疡创面测量中的效果。方法选取2014年6月～2014年12月于我院就诊的皮肤慢性溃疡患者30例，分别采用无菌薄膜勾边法、NIH ImageJ方法和BurnCalc扫描方法对患者创面进行测量，使用统计学方法分析3种检测方法测量结果的一致性。结果随机区组方差分析显示3种方法测得创面面积无统计学差异（F=2.57，P=0.085）；独立t检验分析B法与A法创面面积差值，无统计学差异（t=-0.728，P=0.472）；独立t检验分析C法与A法创面面积差值，无统计学差异（t=2.010，P=0.054）。结论BurnCalc扫描系统可以精确测量慢性皮肤溃疡创面面积，可作为临床评估慢性皮肤溃疡创面的新方法。

三维扫描；无菌薄膜勾法；数码相机法；慢性溃疡面积测量

糖尿病皮肤溃疡是一种慢性难治性溃疡，是糖尿病神经和血管损害导致的一种严重并发症，其主要表现为足部的感染、溃疡，深层组织破坏和坏疽。溃疡表面积的准确测量是治疗的前提及疗效评估的重要指标[1-11]。糖尿病足溃疡表现多种多样，可以通过计算溃疡面积的变化来评估溃疡的预后，然而迄今为止在广义的皮肤溃疡治疗中没有一种较为统一的溃疡面积测量方法[12]。临床上有许多创面面积评估技术，目前临床较为常用的有直尺法、无菌薄膜勾边法、数码相机拍照法等[13-17]。Resch等[18]认为一种理想的溃疡面积测量工具应具备精确、敏感、高效、无偏倚、多维性、无创、对溃疡面无污染、患者易于接受等特点。美国国立卫生研究所提供的免费的医学图象分析软件ImageJ比较符合上述特点，目前已广泛应用于医学图像处理领域[16]，然而这种方法为二维估算法，不能提供创面三维深度等信息，因此不能体现个体化差异。创面形状不规则、分布不同、创面深度不同、不同医生对同一创面的判断及认识不同，这些因素都会影响医疗工作者对伤情的判断和治疗策略的制定，因此尚未建立统一的评价标准[19]。

我们在之前开发的BurnCalc扫描系统的基础上[19]，研发出皮肤慢性溃疡扫描系统。整套系统包括：图像采集设备、三维模型重建系统和可视化三维交互显示系统。其中图像采集设备采用集成了彩色摄像头、深度（红外）摄像头和红外线投影机传感器的Kinect for Windows手持式扫描设备。该设备是在原Kinect一代的基础之上升级后发布的一款三维体感摄像头。其中彩色摄像头用于拍摄视角范围内的彩色视频图像，分辨率升级为1920×1080像素；红外投影机用于主动投射近红外光谱，分辨率升级为512×424像素；深度（红外）摄像头用于分析红外光谱，创建可视范围内的人体的深度信息，分辨率升级为512×424像素。深度摄像头采用的是光编码方法，即利用连续光（近红外线）对测量空间进行编码，经感应器读取编码的光线，交由晶片运算进行解码后，产生一张具有深度的图像[19]，它相对于我们之前使用的Kinect更为精确、高效。本研究以无菌薄膜勾边法为“金标准”进行对照实验，探讨并验证一种精确、敏感、简便、高效的皮肤慢性溃疡面积测量方法。

1 资料与方法

1.1 资料

选取2014年6月～12月于我院就诊的30例皮肤慢性溃疡患者进行研究，其中男性17名，女性13名，年龄46～82岁，平均（64±8.39）岁。分别采用无菌薄膜勾边法（A法）、NIH ImageJ方法（B法）和BurnCalc扫描方法（C法）测量皮肤溃疡创面，该试验获得我院伦理委员会批准。

患者纳入标准：① 诊断为糖尿病足、褥疮等皮肤慢性溃疡的患者；② 根据国家药物临床试验管理规范规定，获取知情同意并已签署知情同意书者。排除标准：① 患有精神疾病，包括严重的癔症；② 不具备自主能力；③ 妊娠、哺乳期或准备妊娠的妇女；④ 有中风或伴有肢体皮肤植物神经功能障碍等疾病；⑤ 最近3个月参加过其他临床试验；⑥ 据判断有可能干扰试验结果或增加患者风险的任何病史。

1.2 方法

1.2.1 无菌薄膜勾边法[20]

打开伤口外敷料后清洁、干燥伤口，将自带坐标网格的无菌薄膜（聚安酯膜和丙烯酸粘剂组成）紧贴于慢性皮肤溃疡创面表面，使整个创面被包含在薄膜的边界之内，使用记号笔沿创面边缘勾画出创面表面形状，揭下背衬，根据薄膜自带的坐标网格计算出创面面积，每个坐标网格面积为0.25 cm2，对于边界内不满一格的按照只计左侧和上方的原则计算。对于更大的创面，使用数张薄膜连接在一起，覆盖整个创面区域后分别计算每张薄膜标记区域的面积，相加后得出创面的总面积。

1.2.2 NIH ImageJ 方法[11,21,22]

使用数码相机于固定的高度和角度对每一个慢性皮肤溃疡创面进行拍照，并使用尺子作为标记。每个照片使用NIH ImageJ软件测量3次，并使用直尺作为标尺进行分析。将数码相机采集的图片导入计算机，选出最清晰图片，应用NIH ImageJ软件，采用描记笔沿溃疡边缘勾勒溃疡面表面轮廓，得出像素平方值，同时用描记笔勾勒标尺上1 cm的直线距离，得出1 cm直线距离的像素值，再将1 cm像素值相乘，得出1 cm2的像素平方值，最后用溃疡表面轮廓的像素平方值除以1 cm2的像素平方值，得到慢性溃疡皮肤面积。

1.2.3 BurnCalc系统扫描方法[19]

（1）采集图像信息：采用Kinect for Windows手持式扫描设备，通过不同角度扫描人体创面，每秒获取1帧图片，获得的图像数据传输至电脑处理。

（2）溃疡创面三维重建：采集到的数据通过Kinect Fusion算法进行匹配定位与融合来实现三维场景重建。

（3）可视化三维交互显示系统计算面积：应用三维可视化面片绘制方法计算得到的三维模型面积。将被测创面处理为若干个基于点云库中相邻3点所形成的三角面片，对构成这个三维物体表面的所有三角面片的面积进行累加，得到该物体的表面积。操作人员通过软件平台手动选择定义“创面区域”，计算区域内所有三角网格的面积之和，即为创面面积。

1.2.4 统计分析

采用SPSS 19.0软件进行分析，3种方法所得创面面积运用随机区组方差分析进行比较，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

采用3种方法分别测量的30位患者所得创面面积柱状图，见图1。

图1 3种测量方法测得创面面积柱状图

3种方法测得创面面积统计结果，见表1。随机区组方差分析显示3种方法测得创面面积无统计学差异（F=2.57，P=0.085）；独立t检验分析B法与A法创面面积差值，差值无统计学差异（t=-0.728，P=0.472）；独立t检验分析C法与A法创面面积差值，差值无统计学差异（t=2.010，P=0.054）。

3 讨论

糖尿病足是糖尿病晚期并发症之一，通常伤口愈合缓慢，严重时可能导致患者截肢等。因此，对皮肤慢性溃疡面积的准确判断对于临床医护工作者来说尤为重要[2]。

无菌薄膜勾边法经济、简单，一直被认为是临床测量创面面积的金标准，但该方法主要缺点在于：① 由于薄膜之下的边缘模糊不清，导致难以识别伤口边缘；② 薄膜遇上湿润的伤口变硬，使薄膜与伤口不贴合；③ 薄膜与伤口直接接触，增加了伤口污染的风险，引起患者不舒适和疼痛[11,23-25]。

NIH ImageJ方法可达到与无菌薄膜勾边法相似的效果，且克服了无菌薄膜勾边法需要与创面接触从而导致不良事件产生的缺点，目前临床上较多使用NIH ImageJ法来评估慢性皮肤溃疡创面。但NIH ImageJ法要求数码相机拍摄时与慢性皮肤溃疡面保持垂直，且必须有标尺作为对照，以避免相机镜头与溃疡面距离不同所造成的差异。同时，该方法对数码相机与创面的拍照距离也有要求，如果创面之间的拍照距离不一致，可能会导致创面测量结果的误差[11]，因此也不是最合适的创面测量方法。

本研究结果表明BurnCalc扫描方法与NIH ImageJ方法、无菌薄膜勾边法在测量创面面积方面精确度相似。相较传统二维创面测量方法，三维创面测量更能准确的反映出创面的真实信息。BurnCalc扫描系统只需要一台Kinect扫描仪和一台笔记本电脑便可以完成系统的构建，它能测量出创面的形状和表面信息，这一功能使得创面面积计算更加符合实际情况。BurnCalc扫描系统三维交互界面同时支持创面模型的测量、旋转和存储，为进一步研究提供有力支持。本系统选用的三维人体扫描设备，突破了以往的人体扫描设备安装困难、准备工作费时费力、不能移动的限制，使得批量测量创面三维数据成为可能，大大降低了工作人员的工作强度，为建立创面数据库提供了技术支持。目前研究选用的BurnCalc扫描系统还不能直接计算出慢性创面的垂直深度和体积信息，我们正在进行此类功能的研究开发。

4 结论

BurnCalc扫描系统是一套无创、快捷、便携、经济、精确的人体扫描系统，可以精确测量慢性皮肤溃疡创面的面积，是一种评估慢性皮肤溃疡创面的临床新方法。BurnCalc扫描系统的临床意义在于它可以成为一种评价慢性皮肤溃疡创面的通用方法，从而使糖尿病足或者褥疮患者得到更加精确、客观的评价。

表1 3种方法测得创面面积统计分析表

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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

国家自然科学基金（81372057）。

夏照帆，教授，院士，主要研究领域为烧创伤疾病的救治。

通讯作者邮箱：drtanght@163.com