基于3D建模指关节活动度测量的研发及应用

张 艳,徐瑞璟,李卓颖

华中科技大学同济医学院附属协和医院,湖北443000

人体所有器官中,手是活动精细,敏感的运动感觉器官,在生活和劳动中较易受到伤害。肌腱修复术后有4%～10%发生肌腱断裂,10%发生限制性粘连,50%发生一定程度的指间关节僵硬[1-4]。部分病人由于未能正确实施功能锻炼而导致手部功能康复效果不佳,从而对家庭、单位和社会都造成经济负担[5]。因此,针对性的教育和指导保证病人能够在住院期间、出院后准确进行功能锻炼和复查是非常重要的。调查表明,我国专科康复护理队伍人才的培养以及康复护理的普及存在不足[6],手外科整体评估及康复治疗尚有改善空间,康复训练过程中对于关节功能的评价手段一直为手工测量角度,这不仅耗费时间成本,更需要较长时间的专业训练,才能获得较为准确的、稳定的数据,以此对康复计划进行指导。一旦病人离开了专业康复部门,其康复的效果则无法进行准确有效的评估。直接影响病人手部康复训练的精确评估以及后续康复计划的指导,导致影响病人手部的康复进度和效果。本研究通过3D建模测量指关节活动度软件,对病人手部进行3D扫描,对每个阶段病人的康复效果实时量化,并将所获取三维影像各个角度信息进行数据解析,测量出手部相邻两段指骨之间的角度数据,所得数据与人工所测得角度信息进行比对,并比对二者所使用的时间,评估该软件测量及使用效果,为探索更准确且便利的测量方法提供参考依据,从而帮助提高临床诊疗效率,加快临床康复进度,增强临床康复效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

随机选取50例本科室屈指肌腱损伤术后住院病人,所有病人均已知情同意。

1.2 方法

1.2.1 测量工具

3D扫描仪;通用量角器。

1.2.2 基于3D建模测量指关节活动度方法

利用3D扫描仪对处于不同姿态的病人手部进行3D扫描,获取病人手部相应实时三维影像信息;对该信息进行程序解析及数字化测量,以采集病人每个手指上相邻两段指骨之间的角度信息。在三维影像信息采集过程中,获取每个手指对应的剖面图像数据;对该数据进行轮廓提取处理,生成病人手部实时手指轮廓信息。根据上述手指轮廓信息选择对应手指上每段指骨的末端作为节点,提取所有指骨的节点,并将相邻两个节点之间连接;得出相邻两根线段之间的角度,初步确定角度信息。选取病人手部所有指骨皮肤表面中点作为校准点;计算校准点与对应指骨的线段之间的距离L,并将其与预设距离阈值L0进行比对;在所述距离L与所述预设距离阈值L0的比值r大于预设值r0时,将所得对应指骨和与其相邻的指骨之间的角度数据进行校正处理。校正处理:根据所述校准点与对应指骨两端的节点之间的线段,得出校准点与对应指骨两端之间线段对应的夹角C0;将所采集的校准点对应指骨和与其相邻的指骨之间的角度α0带入如下公式进行校正处理;α=α0-1/2 C0;获得角度α为校准点对应指骨和与其相邻的指骨之间校正处理后的角度。

1.2.3 评估方法

参考相关文献,资深手外科医生5名,信息工程师核定并进行软件研发,科室建立角度测量小组,随机抽取本科室50例屈指肌腱损伤病人,由研究者对本科室2名医生、2名护士进行角度测量培训。小组成员分别在病人出院当天对50例屈指肌腱损伤病人分别行人工量角器测量及3D建模角度测量,测量病人掌指关节(MP)、近侧指骨关节(PIP)、远侧指骨关节(DIP)活动度,同时计算两种方法测量所使用时间,出院当天所测得的MP、PIP、DIP关节活动度

1.2.4 统计学方法

2 结果

2.1 人工量角器与3D建模技术测量出院前、康复医院病人MP、PIP、DIP角度比较(见表1)

表1 人工量角器与3D建模技术测量出院前、康复医院病人MP、PIP、DIP角度比较[M (P25,P75)]

2.2 两种测量方法测量时间比较(见表2)

表2 两种测量方法测量时间比较单位:s

3 讨论

骨关节角度的测量需具有真实简单、直观高效、无创、经济等特点,且关节功能、状态的异常与骨关节疾病的诊断、疗效和预后有密切联系。本研究发现,3D建模技术运用于屈指肌腱损伤病人出院前及病人至康复医院后,所得出DIP角度值较人工量角器测量DIP角度值大,差异无统计学意义,其余结果差异均有统计学意义,该结果可能与DIP关节活动度较小,患指末端被敷料包裹有关。国际上测量手段有Human Norm系统、CROM系列等较精准的测量手段,但操作复杂度高,成本昂贵[7-13]。目前,国内进行关节活动度测量大多采用通用量角器、照相法和X线法,但这些方法在精度、稳定性和实时性方面都无法满足临床需要,无法得到进一步推广[14-15]。根据本研究结果显示,3D建模技术测量未经培训的康复医院医护测量值与病人在院测量值较人工量角器测量值MP指标差异更小、所得数值更稳定、测量使用时间更短,3D建模技术具有手指屈曲角度测量功能,对康复前、中、后的病人手指关节功能可进行系统、客观、准确的评估。在此基础上,可组建由医生、康复师、康复护士共同参与的康复小组,结合三方的专业知识及临床经验,可多方位全面地对病人进行评估,总结出最优的功能锻炼方案并有效进行调整。实施康复延伸护理服务,即便病人在院外,也可以及时将康复情况以微信视频形式反馈给医生及康复师,了解恢复情况和发现康复锻炼中的问题,以迅速调整康复计划、给予干预纠正,保证康复锻炼安全准确实施。提高肌腱损伤病人手部功能恢复效果,使手康复护理趋于规范化、流程化。保证肌腱损伤术后康复病人的康复护理、专业信息、锻炼方法、心理状态等连续性。提高专科康复护理水平的同时让病人感受到社会的关爱。

4 小结

3D建模技术运用于病人手部骨关节活动度的测量可提高测量的准确性、时效性,提高了临床诊疗效率,给予病人更便捷的就医体验,减少了医疗人员技术与经验等个人素质以及现实环境对测量结果造成的影响,为未来手部康复延伸服务及病人自我康复监测提供了可能,本研究的不足之处,目前未能解决敷料等覆盖物对关节活动度测量所造成的影响,本技术仅对静态角度进行测量,未能对患指动态变化进行评估,这将是进一步研究的方向。