应用三维扫描法和水置换法测定脑卒中患者双手体积的研究

林桦 王年 刘智岚 李果 袁景

上海市第四康复医院康复科（上海200040）

脑卒中肢体偏瘫后约30% ～50%患者［1-2］因持续卧床、肌肉功能减退或并发交感神经功能障碍等原因会出现患手水肿、疼痛、皮肤颜色改变，影响康复进程和生活质量。肢体水肿减轻程度是影响康复治疗效果的主要因素，临床常用的肢体体积测量方法有卷尺周径测量法［3］、水置换法［4］、生物电阻抗分析法［5］、CT、MRI 影像检查［6］等。有研究［7］指出卷尺测量时卷尺放置的位置和拉力会产生操作误差，医生往往因害怕拉扯皮尺加剧水肿疼痛影响测量精确性，且周径测量无法直接获取体积数值。CT 或MRI 检查价格昂贵，且患者暴露于放射线辐射对身体造成危害［8］，临床研究较少应用。生物电阻抗分析法对于体内有金属植入物或心脏起搏器的患者禁忌使用，且部分组织有纤维化会影响测量精度［9］。国际上将水置换法作为肢体体积测量的金标准，水置换法是基于阿基米德排水法定律衍生出的测量体积的方法，近年来文献报道应用较多［10-12］。由于水置换法测量花费时间长，虚弱乏力的肢体难以在水中静止维持较长时间，且易诱发疼痛、感染等问题，给体积测量带来一定困难。

三维扫描法是近年来新兴的一种人体测量方法，用其评价手的优点在于快速、简便、非侵入性，减少了对人体伤害的影响，扫描后数据模型可存储、编辑、分割并做局部测量，便于治疗前后比较。目前临床较多应用于体表部位的表面形态研究［13］，国内外将三维扫描技术应用于测量人体肢体体积的文献报道尚少［14-15］。由于人手指曲率半径变化大，指蹼间隙遮掩隐蔽，以及手指甲会产生光线反射，为三维扫描的图形识别和技术操作增加了难度。另外，脑卒中早期偏瘫肢体虚弱乏力，难以维持固定姿势，也为三维扫描的实际操作带来了一定困难。本研究尝试应用手持非接触式三维扫描仪测量脑卒中后水肿患手体积，扫描时利用辅助工具固定支撑患手，与传统常用的水置换法相比较，探讨两种方法测量结果的一致性，通过对脑卒中水肿患手体积的测量调查，为今后手水肿的康复治疗提供可参考的数据评价指标。

1 资料与方法

1.1 一般资料2019年9月至2021年3月期间，连续收集我院康复科住院的脑卒中偏瘫患手水肿患者100例，男性58例，女性42例，年龄45 ～80岁，身高153 ～183 cm，体质量42 ～80 kg。纳入标准：（1）符合脑卒中的诊断标准，经头颅CT 或MRI 检查证实为脑梗塞或脑出血；（2）病程≤6 个月；（3）单侧肢体偏瘫；（4）采用水置换法，偏瘫患手体积较健手体积增加≥10%［16］；（5）首次发病；（6）患者同意参加本次研究。排除标准：（1）手外伤、骨折或手术史；（2）皮肤炎症性疾病；（3）严重认知障碍或精神疾病无法配合检查；（4）严重心、肺、肝、肾等损害及肿瘤或血液疾病患者。

1.2 研究方法分别采用水置换法和三维扫描法测量100 例脑卒中偏瘫水肿患手的双手体积。由两名研究人员分别测量完成，一人负责采用水置换法测量体积，一人负责采用三维扫描法测量体积。先对患手采用水置换法测量体积，测量完成后即刻进行三维扫描法体积测量。休息片刻后，再对健手进行体积测量。

1.2.1 水置换法准备一个长14 cm、宽9 cm、高25 cm 的立方体自制有机玻璃方桶，里面装满约2 500 mL 水至漏口开孔处，水温20 ℃。用有色笔分别在健、患手的桡骨茎突和尺骨茎突连线作标记［17］，将手垂直浸入桶中，水平面浸至标记连线处，从漏口开孔处流出的水体积即为所测手的体积。用Bomex 实验室标准量筒测量所排出水的体积，精确度至1 mL，测量3 次，取均值。见图1。

图1 水置换法Fig.1 Water displacement method

1.2.2 三维扫描法采用加拿大Creamform 公司的手持非接触式三维扫描仪GO!SCAN 3D［18-19］对受试者进行左右手扫描测试。扫描软件采用设备自带专用软件VXelements。此扫描仪测量精度为0.050 mm，测量分辨率为0.100 mm，体积精度（基于部件尺寸）（0.050 ± 0.150）mm/m。扫描过程中受试者去除手上佩戴物件，将肘支在水平桌面上，手固定在专用支架上并张开自然撑开五指，专用支架采用长40 cm、宽25 cm、厚3 mm 的玻璃支撑板，支撑板与底部支架角度45°。定位标由设备生产企业随三维扫描设备一起提供，是具有粘贴性的黑白色纸质圆点。定位标分布原则是任意三个点连接而成的三角形与其它点连接而成的三角形不同，使扫描软件可以快速识别和定位。测试人员手持三维扫描仪围绕测试手扫描采集完整三维点云数据，见图2。

图2 三维扫描法Fig.2 3D scanning method

扫描完成后，文件保存为stl 格式，采用美国Geomagic 公司的三维专业软件Geomagic Studio 对扫描获得的数据进行处理。首先采用“多边形”模块中“修补”功能的“网格医生”对多边形网格内的缺陷进行自动修复；第二步采用“修补”功能的“流形”去除不相关的多余网格；第三步采用“填充孔”功能对扫描过程中未扫到的部位进行补孔处理；第四步采用“平滑”功能对三维图形做删除钉状物和松弛处理，最后得到处理后的三维图形。测量体积时，采用“分析”模块中的“测量”功能，选取其中的“计算体积”，可直接获得被测物体的体积数据。见图3、4。

图3 三维数据建模体积测量Fig.3 Volume measurement using 3D modeling

图4 手部模型的体积测量结果Fig.4 The result of hand volume measurement using 3D modeling

1.3 统计学方法采用SPSS 22.0统计软件进行统计学分析。数据资料符合正态分布以表示，采用配对t检验比较两种测量方法分别获得的双手体积差异，采用Pearson 线性相关分析评价两种测量方法的相关性，采用Bland-Altman 图示法分析进行一致性检验。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种测量方法的手体积比较100 例受试者健手体积三维扫描法和水置换法测量无明显差异（t= 1.378，P= 0.171），患手体积三维扫描法和水置换法测量无明显差异（t= 1.973，P= 0.051），见表1。

表1 两种测量方法的体积比较Tab.1 Comparison of the hand volume with two measuring methods ±s

表1 两种测量方法的体积比较Tab.1 Comparison of the hand volume with two measuring methods ±s

手侧别健侧（100 例）患侧（100 例）三维扫描法（mL）360.69±62.28 442.18±80.23水置换法（mL）359.10±63.54 441.28±81.41 t 值1.378 1.973 P 值0.171 0.051

2.2 两种测量方法的相关分析经Pearson 线性相关分析，三维扫描法测量所获健、患手体积与水置换法测量所获健、患手体积呈明显正相关，见图5、6。

图5 两种方法健手体积测量相关性分析Fig.5 Correlation analysis of asymptomatic hands using two methods

2.3 两种测量方法的一致性检验以两种方法所测体积的均值为横坐标，差值为纵坐标，建立Bland-Altman 散点图。中间实线为两种方法所测体积差值的平均值，该线上下两点状虚线表示其95%一致性界限（LOA）。两种方法测量体积的最大差值绝对值为：健手：18 mL；患手：20 mL。LOA范围：健手：-17.41 ～14.21 mL；患手：-13.47 ～11.57 mL。两种方法测量的体积数据在95%的一致性范围内一致性均良好，如图7、8。

图6 两种方法患手体积测量相关性分析Fig.6 Correlation analysis of edematous hands using two methods

图7 两种方法健手体积测量值一致性检验分析Fig.7 Consistency check analysis of asymptomatic hands using two methods

图8 两种方法患手体积测量值一致性检验分析Fig.8 Consistency check analysis of edematous hands using two methods

3 讨论

水置换法是目前应用较多的测量手体积的方法。其优点在于设备价格实惠，操作直观。国内文献多应用水置换法研究肩手综合征、手外伤、烧伤后的手部水肿体积测量［20-21］。然而实际临床应用中水置换法易受温度、大气压、疼痛程度等［22-24］影响。本研究将三维扫描测量技术应用于脑卒中后偏瘫肢体水肿患者，与传统的水置换法进行比较，评价两种方法所测体积结果的一致性和相关性，探讨三维扫描法在脑卒中水肿患手测量中的应用。

三维扫描法测量健患侧手的体积结果与水置换法相比无明显差异，经线性相关比较，两者存在明显相关性。本研究结果表明，三维扫描法作为一种较为简便的测量方法，与既往作为金标准测量体积的水置换法同样可以测量手体积。其优点在于：（1）扫描时间短，通常一次扫描1 ～3 min即可完成；（2）无需触碰患手，对于水肿、疼痛的患手可以避免感染和损伤；（3）获取的点云数据模型不仅作为数值保留、存储，每个测量点还可精确定位，便于手损伤、水肿变化的比较；（4）三维扫描设备小巧、易操作，价格远低于CT、MRI影像机器，医务人员手持设备即可进行。三维扫描技术通过三维模型构建，对水肿肢体进行立体测量和定量，可以动态分析水肿体积的变化，使肢体水肿评估更客观和准确。

国外有研究［25］将三维扫描仪应用于正常人双手体积测量，并通过扫描后肢体围度数据建立体积预测模型，但其研究中未说明扫描具体实施过程。笔者在实际应用中发现三维扫描时同样需要固定手的位置，需要有支架固定支撑，部分肥胖或水肿手的骨性标志点如桡、尺骨茎突较难通过计算机软件来识别，目视的基线测量模型会产生误差。由于手持非接触式三维扫描仪扫描原理的原因，三维扫描法对于大连续面及静止物体的扫描建模非常友好，但对于曲率变化较大以及即使只有轻微移动的物体的扫描建模也非常困难。手各部位的曲率变化较大，并且很难悬空保持1 min 静止，因此本研究专门设计了手部三维扫描专用支架。专用支架一方面可以使手在扫描时有支撑从而能保持相对静止状态，另外很重要的是可以在支架上布置扫描定位标。扫描定位标可以很好解决由于手各部位的曲率变化较大而在扫描过程中连续图像容易丢失的问题。目前采用专用支架可以1 min 之内完成一只手的完整扫描。Creamform 公司的GO!SCAN 3D 扫描仪采用结构白光，可以透过透明体进行扫描建模，专用支架支撑面采用厚度3 mm 平板玻璃。扫描过程中受试者将肘支在水平桌面上，手固定在专用支架上并张开自然撑开五指。由于有些受试者的手骨性标志点如桡、尺骨茎突部在计算机软件上显示不明显，本研究采用触摸确定后缠绕细绳来作为后期软件处理时的定位标识，这样可以使水肿标记的定位分界线在数据建模时更清晰、精确。三维扫描技术的应用和改进仍是今后发展方向［26］。

综上所述，三维扫描测量法用于脑卒中患手水肿体积测量具有非接触、速度快、操作简便及精度高等优点，可通过三维扫描获取手部单个手指或局部模型，为明确水肿患手具体形状和体积变化提供更高效的方法。临床上乳腺癌等疾病术后由于淋巴系统损伤和障碍可导致上肢继发性淋巴水肿，除应用臂围测量法和水置换法等传统的体积测量方法，三维扫描测量法作为一种新的测量途径，可推广应用于各种常见淋巴水肿疾病。今后研究将对多次重复测量结果和不同观察者测量结果的一致性进行评价，三维扫描法评估水肿的敏感度研究有待完善。