采用三维数据分析拍摄角度对保乳手术 美容效果评价的影响

董爱萍， 杨沁惠， 房 林， 胡家树， 韩宝三， 韩良浩

(1. 同济大学医学院附属东方医院转化医学中心，上海 200092； 2. 兰州市妇幼保健院乳腺外科，兰州 730030； 3. 同济大学医学院附属第十人民医院甲状腺乳腺外科，上海 200072； 4. 上海交通大学附属新华医院普外科，上海 200092)

早期乳腺癌的治疗以手术为主，保乳术后的乳房畸形与改良根治术后的乳房缺损均需整形外科进行修复和再造[1]，目的在于获得良好的术后美容效果，该效果的客观评价对于评判手术成功与否至关重要[2]。国内外研究人员已提出了大量的主观评价方法，例如Harris四级标准[3]、张保宁等的三级评价标准[4]、患者自我满意度[5]等，但评价的主观性大，导致重复评价结果和相互评价结果差别大，可重复性低。为此，研究者开发了多种客观评价方法[6-8]，有些则实现了评定的自动化和智能化[9-10]，这些方法均可提高评价的客观性和可重复性。基于二维(2D)图片的客观评价方法因其使用的便利性和经济性得到广泛的应用[11-12]，但仍有其局限性，例如图片内容和图片质量易受拍摄条件的影响[2]。由于乳房是一个三维(3D)实体，不同拍摄角度下得到的照片会不同。但目前鲜有文献研究拍摄角度对评价结果的影响。本研究以一个典型的基于图片的乳腺癌术后美容效果多指标客观评价方法为例，采用激光扫描3D数据考察了基于图片的客观评价方法在应用中拍摄角度对美容评价结果一致性的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集自2017年4—12月就诊于上海交通大学医学院附属新华医院乳腺外科的女性乳腺癌患者的临床资料。入选患者具备以下两个条件: (1) 因乳腺癌行保乳术或者乳房重建术后至少6个月；(2) 同意并签署知情同意书。为了考察美容效果，评价采用3个最常用的指标: 对称性、颜色和瘢痕，采用双乳对称和不对称的患者数据研究对称性指标，采用有皮肤色素沉着的患者数据研究皮肤颜色指标。

从30个样本中随机选择3个样本研究拍摄角度对客观评价结果一致性的影响。3位患者分别标记为P1、P2、P3。P1: 38岁，保乳术后6个月，双乳对称，乳房皮肤正常，无瘢痕；P2: 47岁，保乳术后7个月，双乳不完全对称，乳房皮肤颜色正常，左乳外象限皮肤可见瘢痕；P3: 39岁，接受保留乳头乳晕右侧乳房切除术+一期背阔肌乳房重建术，术后行放疗和化疗结束后6个月，双乳不完全对称，右乳皮肤有较明显的色素沉着和瘢痕。

1.2 研究方法

1.2.1 试验仪器 2D数码正面照的收集采用有效像素2430万的索尼数码单反相机α77；3D数据的收集采用Creaform Go!SCAN 50 3D激光扫描仪，该扫描仪配备了VXelements3D扫描软件。患者站在垂直的蓝色幕布背景前方。体位要求: 研究对象呈直立体位，平静呼吸，保持双手叉腰姿势以全面显露出乳房的侧面，维持双肩自然放松并位于同一水平，双手叉腰拇指在后。拍摄范围: 相机直立，距离患者约1m的正前方。

1.2.2 数据处理流程 3D扫描软件获取重构数据。经过文件格式转化后得到包含3D几何和表面纹理的“.obj”文件，然后导入3D几何处理软件MeshLab，沿着不同方向进行定量旋转。本实验确保3D图像处于正立位置依据两点： 一是保持左右腋前点连线在沿着X轴旋转时，始终在水平位置，来确保3D数据处于正位；二是根据患者所处的垂直背景板，调整3D数据到立位。通过定量旋转操作模拟-10°～10°的拍摄角度(0°对应正立位角度)，屏幕截屏后形成11张2D图片(简称为3D截图)。考虑到旋转角度偏离0°太多时的拍摄照片与正立位的照片相差大，明显不符合拍摄正面照片的要求，所以本研究的旋转角度只取-10°～10°。MeshLab软件下载网址: http://www.meshlab.net。

1.3 评价过程

1.3.1 专家评价 邀请3位国内乳腺外科主任医师依据Harris四级主观标准[3](优-Excellent: 患侧与健侧乳房相似，良好-Good: 患侧与健侧乳房有细小差别，一般-Fair: 患侧与健侧相比有较明显差别，差-Poor: 患侧乳房出现较严重的并发症)依次评价30位患者的2D数码正面照和正面的3D截图。

1.3.2 客观评价 本研究采用的基于图片的乳腺癌术后美容效果客观评价方法[10]是一个较为典型的多指标客观评价方法，从对称性、颜色和瘢痕3个特征对乳房的美容效果作综合评价。该客观评价方法已通过BCCT.core软件进行了计算机实现，能对2D图片进行半自动化评价，图1显示了软件界面。所有2D图片导入软件后，经过手工定位胸骨上切迹、乳头点和标尺点，以及手工勾画乳房轮廓，即可自动得出评价结果。

图1 实现半自动化客观评价的BCCT.core软件界面Fig.1 Screenshots of BCCT.core software A: 评价P3患者的3D截图；B: 评价P3患者的2D数码正面照片

表1 客观性评价法采用的对称性评价指标

(续表1)

X1、X2: 左、右乳头到前正中线的垂直距离；Y1、Y2: 左、右乳头到胸骨上切迹水平线的垂直距离；NI1、NI2: 左、右乳头到同侧乳房轮廓下缘最低点的距离；L1、L2: 左、右乳房下轮廓的长度；S1、S2: 左、右乳房的面积；**计算可得: 沿前正中线对折后的双侧乳房的不重叠面积

1.4 统计学方法

本研究数据采用SPSS 20.0软件进行统计学分析。计算颜色差异度采用χ2检验。采用两相关样本的Wilcoxon符号秩和检验，评价研究对象的3D截图和2D数码正面照。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 3D截图和2D数码正面照主观评价结果的一致性分析

3位专家从双乳的对称性、皮肤颜色和瘢痕差异3个方面，依次评价30个研究对象的3D截图和2D数码正面照，专家均认为两种图片的评价结果无显著差异(P>0.05)。

2.2 3D截图和2D数码正面照客观评价结果的一致性分析

使用BCCT.core软件依次评价30个研究对象的3D截图和2D数码正面照，Wilcoxon符号秩和检验发现，两类图片的评价结果差异无统计学意义(P=0.775)。

2.3 拍摄角度对客观评价结果一致性的影响分析

图2为客观评价方法BCCT.core软件给出的评价P1、P2、P3患者三维数据在-10°～10°旋转后得到的3D截图的总体评级结果，从图中可看出，当P1的旋转角度≤-2°，P2的旋转角度≥2°，P3的旋转角度≥6°时，总体评价结果均发生了改变。曲线的变化直接说明了拍摄角度会影响评价结果。

图2 客观评价方法对P1、P2、P3患者3D截图的总体评级Fig.2 The effect of camera angle on overall cosmetic classification results of three patients assessed with BCCT.core software所有图表中纵坐标数值的含义: 1为优，2为良，3为一般，4为差

图3是BCCT.core软件给出的评价3位患者3D截图的对称性(距离和面积)、颜色和瘢痕的主要测量值，下面依次分析数值。

P1患者双乳的对称性良好，皮肤颜色基本正常，瘢痕不明显，0°截图的美容评价结果为优。图3中P1-A、P1-B显示了对称性随着旋转角度发生改变，因为软件的评价针对2D图片上勾画的轮廓所包围的区域，角度改变使图片中乳头的位置和双乳的面积发生了不同程度的改变，所以软件的7个无量纲指标随着角度发生了变化，其中两个面积的无量纲指标(pBAD表示乳房面积差异，pBOD表示沿前正中线对折后的双侧乳房的不重叠面积差异)比其他指标变化明显；不同旋转角度的距离差异可达到12%，面积差异也可以达到23%。图3中P1-C、P1-D表明旋转后的颜色和瘢痕差异度的数值变化不明显，其中cEMDL的最小值为1.69，最大值为2.82。

P2患者的双乳不对称，所以图3中P2-A、P2-B中的多个表达对称性的无量纲数值均偏大，不同旋转角度的距离差异可达到18%，面积差异也可达到40%。图3中P2-C的颜色指标变化不明显，符合患者本身的皮肤特征。图3中P2-D的瘢痕指标中sEMDL因旋转角度引起的变化较其他指标明显，这与旋转使得侧面的瘢痕显现有关。

P3患者的双乳不对称且右乳色素沉着。总体评价结果显示，当旋转角度≥6°时的总体评级结果由良变为优，手术侧乳房(右乳)更多的出现在视野中，使得双侧乳房看起来更加对称。下面分别从对称性、颜色和瘢痕3个特征方面做进一步分析。图3中P3-A、P3-B显示了对称性评价结果，在-10°和4°时pBAD分别为最高值和最低值(pBADmax(-10°)/min(6°)=0.432/0.021，pBODmax(-10°)/min(6°)=0.432/0.124)，面积的改变可达总面积的40%。图3中P3-C显示了8个颜色特征数值，包括Lab颜色模式相关的χ2和EMD数值，均表示颜色的差异度，数值越大则差异度越大。与色度值a和b相比，明暗度相关的cEMDL指标的变化较明显，这与患者的右乳色素沉着有关；而且患者右侧患乳因旋转角度的增大在视野中的暴露面积也会增大，色素沉着的皮肤会更多的出现在视野中，相应地，cEMDL曲线呈现向上趋势，cEMDL的最小值为3.10，最大值为4.19。图3中P3-D显示了瘢痕评价结果，软件对瘢痕的分析和对颜色的处理相似，不同之处在于软件对瘢痕的识别是针对乳房区域的多个分区进行，即以乳头为中心将勾画轮廓包围的乳房面积划分为12个分区，然后分别比较左右乳房对应分区中由瘢痕引起的局部色差；该图显示在不同旋转角度下，瘢痕无明显改变。

总结三个患者的数据分析结果后发现，旋转角度(拍摄角度)会影响手术后乳房的的美容总体评价结果，同时也会影响关于对称性、皮肤颜色和瘢痕的评价。

3 讨 论

乳腺癌的基础研究已经向基因方向发展[13]，保乳治疗也同样需要推进。保乳治疗的主要目的是为了获得更好的美容效果，但是目前国内医务人员未对此进行常规评价。可能的原因有以下几点: 医务人员未将美容评价结果作为手术效果考评指标；术后乳房外形的恢复期时间较长，患者可能会失访，且后期的化疗、放疗和靶向治疗均有可能影响外形；目前主观的评价方法较多，但因其评价结果的不统一给美容评判带来困难，为了尽可能减少主观影响，客观评价方法需要被深入的研究和推广使用。

客观评价方法中客观指标参数的测量通常可在患者身体上进行实测，但更为经济、可靠和便利的方法是通过拍照或3D扫描成像的方式获取图像数据和进行参数测量，同时利用图像分析技术实现测量的自动化。已有软件工具实现了基于2D照片的客观评价，例如BAT软件[9]和本研究采用的BCCT.core软件[10]。BAT只评价对称性，相比之下，BCCT.core的评价更全面，应用更广泛[14-16]。遗憾的是，2D图片只能提供不完整的平面信息，无法提供诸如乳房的体积、完整的形状和轮廓、瘢痕突出皮肤表面的程度等更为全面的影响美容效果评判的客观信息。为了进一步比较2D数码照片和3D截图对美容评价结果的影响，本研究采用3D扫描数据从对称性、颜色和瘢痕三个最为广泛采用的美容评判指标出发，系统地分析了基于2D图片的美容评价方法中不同拍摄角度对评价指标值测量的影响，结果表明拍摄角度会影响评价结果的一致性和评价指标的测量；同时说明了在相同拍摄条件下得到的3D数据不受拍摄角度的影响，能从不同的角度全面观察乳房外形，克服2D照片用于评价的局限性。

图3 客观评价方法对P1、P2、P3患者3D截图的对称性、颜色和瘢痕指标的测量结果Fig.3 The effects of camera angle on assessment results of breast symmetry, color and scar features based on 2D snapshots of 3D views of scanner data

本实验中观察到3D截图和2D数码照片在颜色、纹理上有区别，但专家和客观评价方法对两种图片评价结果基本一致，这可能由于对称性在美容评价中比颜色和瘢痕更为重要。为了减少评价的误差，逼真的颜色显示是今后3D成像需改进的方面。

目前3D成像多用于乳房整形手术术后体积的测量[8，17]，从体积的对称性这一单一指标来评判整形后的效果。为了能得到更为全面、精确、一致的评价结果，可借鉴BCCT.core软件中采用的多指标的客观评价方法，采用3D扫描数据来代替2D照片，获取更为准确的多种客观指标测量值，如对称性、颜色和瘢痕。随着3D扫描设备的日渐普及和价格的下降(市场上已有千元以下的设备)，建立在3D扫描数据基础之上的客观评价方法将是未来的研究方向。