應用三維掃描法和水置換法測定腦卒中患者雙手體積的研究

林樺 王年 劉智嵐 李果 袁景

上海市第四康復醫院康復科（上海200040）

腦卒中肢體偏癱后約30% ～50%患者［1-2］因持續臥床、肌肉功能減退或并發交感神經功能障礙等原因會出現患手水腫、疼痛、皮膚顏色改變，影響康復進程和生活質量。肢體水腫減輕程度是影響康復治療效果的主要因素，臨床常用的肢體體積測量方法有卷尺周徑測量法［3］、水置換法［4］、生物電阻抗分析法［5］、CT、MRI 影像檢查［6］等。有研究［7］指出卷尺測量時卷尺放置的位置和拉力會產生操作誤差，醫生往往因害怕拉扯皮尺加劇水腫疼痛影響測量精確性，且周徑測量無法直接獲取體積數值。CT 或MRI 檢查價格昂貴，且患者暴露于放射線輻射對身體造成危害［8］，臨床研究較少應用。生物電阻抗分析法對于體內有金屬植入物或心臟起搏器的患者禁忌使用，且部分組織有纖維化會影響測量精度［9］。國際上將水置換法作為肢體體積測量的金標準，水置換法是基于阿基米德排水法定律衍生出的測量體積的方法，近年來文獻報道應用較多［10-12］。由于水置換法測量花費時間長，虛弱乏力的肢體難以在水中靜止維持較長時間，且易誘發疼痛、感染等問題，給體積測量帶來一定困難。

三維掃描法是近年來新興的一種人體測量方法，用其評價手的優點在于快速、簡便、非侵入性，減少了對人體傷害的影響，掃描后數據模型可存儲、編輯、分割并做局部測量，便于治療前后比較。目前臨床較多應用于體表部位的表面形態研究［13］，國內外將三維掃描技術應用于測量人體肢體體積的文獻報道尚少［14-15］。由于人手指曲率半徑變化大，指蹼間隙遮掩隱蔽，以及手指甲會產生光線反射，為三維掃描的圖形識別和技術操作增加了難度。另外，腦卒中早期偏癱肢體虛弱乏力，難以維持固定姿勢，也為三維掃描的實際操作帶來了一定困難。本研究嘗試應用手持非接觸式三維掃描儀測量腦卒中后水腫患手體積，掃描時利用輔助工具固定支撐患手，與傳統常用的水置換法相比較，探討兩種方法測量結果的一致性，通過對腦卒中水腫患手體積的測量調查，為今后手水腫的康復治療提供可參考的數據評價指標。

1 資料與方法

1.1 一般資料2019年9月至2021年3月期間，連續收集我院康復科住院的腦卒中偏癱患手水腫患者100例，男性58例，女性42例，年齡45 ～80歲，身高153 ～183 cm，體質量42 ～80 kg。納入標準：（1）符合腦卒中的診斷標準，經頭顱CT 或MRI 檢查證實為腦梗塞或腦出血；（2）病程≤6 個月；（3）單側肢體偏癱；（4）采用水置換法，偏癱患手體積較健手體積增加≥10%［16］；（5）首次發病；（6）患者同意參加本次研究。排除標準：（1）手外傷、骨折或手術史；（2）皮膚炎癥性疾病；（3）嚴重認知障礙或精神疾病無法配合檢查；（4）嚴重心、肺、肝、腎等損害及腫瘤或血液疾病患者。

1.2 研究方法分別采用水置換法和三維掃描法測量100 例腦卒中偏癱水腫患手的雙手體積。由兩名研究人員分別測量完成，一人負責采用水置換法測量體積，一人負責采用三維掃描法測量體積。先對患手采用水置換法測量體積，測量完成后即刻進行三維掃描法體積測量。休息片刻后，再對健手進行體積測量。

1.2.1 水置換法準備一個長14 cm、寬9 cm、高25 cm 的立方體自制有機玻璃方桶，里面裝滿約2 500 mL 水至漏口開孔處，水溫20 ℃。用有色筆分別在健、患手的橈骨莖突和尺骨莖突連線作標記［17］，將手垂直浸入桶中，水平面浸至標記連線處，從漏口開孔處流出的水體積即為所測手的體積。用Bomex 實驗室標準量筒測量所排出水的體積，精確度至1 mL，測量3 次，取均值。見圖1。

圖1 水置換法Fig.1 Water displacement method

1.2.2 三維掃描法采用加拿大Creamform 公司的手持非接觸式三維掃描儀GO!SCAN 3D［18-19］對受試者進行左右手掃描測試。掃描軟件采用設備自帶專用軟件VXelements。此掃描儀測量精度為0.050 mm，測量分辨率為0.100 mm，體積精度（基于部件尺寸）（0.050 ± 0.150）mm/m。掃描過程中受試者去除手上佩戴物件，將肘支在水平桌面上，手固定在專用支架上并張開自然撐開五指，專用支架采用長40 cm、寬25 cm、厚3 mm 的玻璃支撐板，支撐板與底部支架角度45°。定位標由設備生產企業隨三維掃描設備一起提供，是具有粘貼性的黑白色紙質圓點。定位標分布原則是任意三個點連接而成的三角形與其它點連接而成的三角形不同，使掃描軟件可以快速識別和定位。測試人員手持三維掃描儀圍繞測試手掃描采集完整三維點云數據，見圖2。

圖2 三維掃描法Fig.2 3D scanning method

掃描完成后，文件保存為stl 格式，采用美國Geomagic 公司的三維專業軟件Geomagic Studio 對掃描獲得的數據進行處理。首先采用“多邊形”模塊中“修補”功能的“網格醫生”對多邊形網格內的缺陷進行自動修復；第二步采用“修補”功能的“流形”去除不相關的多余網格；第三步采用“填充孔”功能對掃描過程中未掃到的部位進行補孔處理；第四步采用“平滑”功能對三維圖形做刪除釘狀物和松弛處理，最后得到處理后的三維圖形。測量體積時，采用“分析”模塊中的“測量”功能，選取其中的“計算體積”，可直接獲得被測物體的體積數據。見圖3、4。

圖3 三維數據建模體積測量Fig.3 Volume measurement using 3D modeling

圖4 手部模型的體積測量結果Fig.4 The result of hand volume measurement using 3D modeling

1.3 統計學方法采用SPSS 22.0統計軟件進行統計學分析。數據資料符合正態分布以表示，采用配對t檢驗比較兩種測量方法分別獲得的雙手體積差異，采用Pearson 線性相關分析評價兩種測量方法的相關性，采用Bland-Altman 圖示法分析進行一致性檢驗。P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩種測量方法的手體積比較100 例受試者健手體積三維掃描法和水置換法測量無明顯差異（t= 1.378，P= 0.171），患手體積三維掃描法和水置換法測量無明顯差異（t= 1.973，P= 0.051），見表1。

表1 兩種測量方法的體積比較Tab.1 Comparison of the hand volume with two measuring methods ±s

表1 兩種測量方法的體積比較Tab.1 Comparison of the hand volume with two measuring methods ±s

手側別健側（100 例）患側（100 例）三維掃描法（mL）360.69±62.28 442.18±80.23水置換法（mL）359.10±63.54 441.28±81.41 t 值1.378 1.973 P 值0.171 0.051

2.2 兩種測量方法的相關分析經Pearson 線性相關分析，三維掃描法測量所獲健、患手體積與水置換法測量所獲健、患手體積呈明顯正相關，見圖5、6。

圖5 兩種方法健手體積測量相關性分析Fig.5 Correlation analysis of asymptomatic hands using two methods

2.3 兩種測量方法的一致性檢驗以兩種方法所測體積的均值為橫坐標，差值為縱坐標，建立Bland-Altman 散點圖。中間實線為兩種方法所測體積差值的平均值，該線上下兩點狀虛線表示其95%一致性界限（LOA）。兩種方法測量體積的最大差值絕對值為：健手：18 mL；患手：20 mL。LOA范圍：健手：-17.41 ～14.21 mL；患手：-13.47 ～11.57 mL。兩種方法測量的體積數據在95%的一致性范圍內一致性均良好，如圖7、8。

圖6 兩種方法患手體積測量相關性分析Fig.6 Correlation analysis of edematous hands using two methods

圖7 兩種方法健手體積測量值一致性檢驗分析Fig.7 Consistency check analysis of asymptomatic hands using two methods

圖8 兩種方法患手體積測量值一致性檢驗分析Fig.8 Consistency check analysis of edematous hands using two methods

3 討論

水置換法是目前應用較多的測量手體積的方法。其優點在于設備價格實惠，操作直觀。國內文獻多應用水置換法研究肩手綜合征、手外傷、燒傷后的手部水腫體積測量［20-21］。然而實際臨床應用中水置換法易受溫度、大氣壓、疼痛程度等［22-24］影響。本研究將三維掃描測量技術應用于腦卒中后偏癱肢體水腫患者，與傳統的水置換法進行比較，評價兩種方法所測體積結果的一致性和相關性，探討三維掃描法在腦卒中水腫患手測量中的應用。

三維掃描法測量健患側手的體積結果與水置換法相比無明顯差異，經線性相關比較，兩者存在明顯相關性。本研究結果表明，三維掃描法作為一種較為簡便的測量方法，與既往作為金標準測量體積的水置換法同樣可以測量手體積。其優點在于：（1）掃描時間短，通常一次掃描1 ～3 min即可完成；（2）無需觸碰患手，對于水腫、疼痛的患手可以避免感染和損傷；（3）獲取的點云數據模型不僅作為數值保留、存儲，每個測量點還可精確定位，便于手損傷、水腫變化的比較；（4）三維掃描設備小巧、易操作，價格遠低于CT、MRI影像機器，醫務人員手持設備即可進行。三維掃描技術通過三維模型構建，對水腫肢體進行立體測量和定量，可以動態分析水腫體積的變化，使肢體水腫評估更客觀和準確。

國外有研究［25］將三維掃描儀應用于正常人雙手體積測量，并通過掃描后肢體圍度數據建立體積預測模型，但其研究中未說明掃描具體實施過程。筆者在實際應用中發現三維掃描時同樣需要固定手的位置，需要有支架固定支撐，部分肥胖或水腫手的骨性標志點如橈、尺骨莖突較難通過計算機軟件來識別，目視的基線測量模型會產生誤差。由于手持非接觸式三維掃描儀掃描原理的原因，三維掃描法對于大連續面及靜止物體的掃描建模非常友好，但對于曲率變化較大以及即使只有輕微移動的物體的掃描建模也非常困難。手各部位的曲率變化較大，并且很難懸空保持1 min 靜止，因此本研究專門設計了手部三維掃描專用支架。專用支架一方面可以使手在掃描時有支撐從而能保持相對靜止狀態，另外很重要的是可以在支架上布置掃描定位標。掃描定位標可以很好解決由于手各部位的曲率變化較大而在掃描過程中連續圖像容易丟失的問題。目前采用專用支架可以1 min 之內完成一只手的完整掃描。Creamform 公司的GO!SCAN 3D 掃描儀采用結構白光，可以透過透明體進行掃描建模，專用支架支撐面采用厚度3 mm 平板玻璃。掃描過程中受試者將肘支在水平桌面上，手固定在專用支架上并張開自然撐開五指。由于有些受試者的手骨性標志點如橈、尺骨莖突部在計算機軟件上顯示不明顯，本研究采用觸摸確定后纏繞細繩來作為后期軟件處理時的定位標識，這樣可以使水腫標記的定位分界線在數據建模時更清晰、精確。三維掃描技術的應用和改進仍是今后發展方向［26］。

綜上所述，三維掃描測量法用于腦卒中患手水腫體積測量具有非接觸、速度快、操作簡便及精度高等優點，可通過三維掃描獲取手部單個手指或局部模型，為明確水腫患手具體形狀和體積變化提供更高效的方法。臨床上乳腺癌等疾病術后由于淋巴系統損傷和障礙可導致上肢繼發性淋巴水腫，除應用臂圍測量法和水置換法等傳統的體積測量方法，三維掃描測量法作為一種新的測量途徑，可推廣應用于各種常見淋巴水腫疾病。今后研究將對多次重復測量結果和不同觀察者測量結果的一致性進行評價，三維掃描法評估水腫的敏感度研究有待完善。