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体表损伤与瘢痕的三维测量方法应用评估

文字:[大][中][小] 2020/10/13     浏览次数:    
本论文中使用的GO Scan 彩色三维扫描仪为上海沪敖信息科技有限公司所提供,司法鉴定研究院2020年4月在《法医学杂志》发布了关于体表损伤与瘢痕的三维测量方法的论著,分享给大家。


本论文中使用的GO Scan 彩色三维扫描仪为上海沪敖信息科技有限公司所提供。

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体表损伤与瘢痕的三维测量方法应用评估

王金明12,米静雅13,胡文虎13,李正东12,邹冬华2,陈忆九2

1. 复旦大学基础医学院法医学系,上海 2000322. 司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 法部司法鉴定重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台,上海 2000633. 南方医科大学法医学院, 广东 广州 510515

:目   检验结构光三维扫描法和单相机摄影测量法这两种三维测量方法在法医学体表损伤与痕测量中的准确性和可靠性  对比分析直尺结构光三维扫描法和单相机摄影测量法86 体损伤的测量结果对比分析结构光三维扫描单相机摄影测量Photoshop 套索像素PDF 阅读软13  处活体模拟块状瘢痕面积的测量结果并记录所耗时间以贴纸的已知规格信息作为标准值直尺结构光三维扫描法和单相机摄影测量法的测量准确度计算均方根误root mean square error RMSE对不同操作者和同一操作者前3 次测量结果的可重复性进行组内相关系intraclass  correlation  coefficientICC一致性评价  两种三维测量方法与直尺法在尸体损伤上测得的结果差异无统学意义结构光三维扫描单相机摄影测量PDF 阅读软件法的测量结果Photoshop 套索像素法相差异无统计学意单相机摄影测量法后处理耗时长于其他方法直尺法测量长距离10~40 cm时结小于标准值RMSE 值结果为结构光三维扫描<单相机摄影测量<直尺法组内和组间ICC 值均大 0.99  结构光三维扫描法和单相机摄影测量法均可应用于法医学体表损伤的记录和测量前者在量精度及稳定性上表现更优后者的数据色彩还原度更好但后处理耗时较长

关键词:法医学;体表面积;瘢痕;摄影测量法;结构光学扫描;单相机摄影测量

中图分类号DF795.1 文献标志码A doi10.12116/j.issn.1004-5619.2020.02.011

文章编号:1004-5619202002-0204-06

Evaluation of 3D Measuring Methods for Body Surface Damage and Scars

WANG Jin-ming1,2, MI Jing-ya1,3, HU Wen-hu1,3, LI Zheng-dong1,2, ZOU Dong-hua2, CHEN Yi-jiu2

1. Department of Forensic Medicine, School of Basic Medical Sciences, Fudan University, Shanghai 200032, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine, Key Laboratory of Forensic Science, Ministry of Justice, Shanghai Forensic Service Platform, Academy of Forensic Science, Shanghai 200063, China; 3. School of Forensic Medicine, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China

Abstract Objective To assess the accuracy and reliability of the two 3D measuring methods, struc- tured-light scanning and single-camera photogrammetry in forensic body surface damage and scar mea- surement. Methods The measuring results of  86  injuries  by  the  ruler  method,  structured-light  scanning and single- camera photogrammetry were compared and evaluated. The area measuring  results  of  13 simulated scars by the structured- light scanning, single- camera photogrammetry, Photoshop lasso pixel method  and  PDF  reading  software  were  compared  and  evaluated.  The  time  consumed  was  recorded.

The known specification information of the stickers was used as  the  standard  value  to  compare  the measuring accuracy of the ruler  method,  structural- light  scanning  and  single- camera  photogrammetry, and to calculate the  root  mean  square  error RMSE.  The  consistency  evaluation  of  intraclass  correla- tion coefficient ICC for the  repeatability  of  3  measuring  results  obtained  by  different  operators  and  the  same  operator.  Results  The  differences  in  results  of  the  two  3D  measuring  methods  and  the  ruler

method had no  statistical  significance;  the  differences  between  measuring  results  made  by  the  struc- tured- light scanning, single- camera photogrammetry and PDF reading  software  and  that  of  the  Photo- shop lasso pixel method had no statistical significance. The post-processing of the single-camera photo- grammetry consumed more time than that of other  methods. When  the  long-distance  group 10-40 cm was  measured,  the  results  obtained by  the  ruler  method  were  shorter  than  the  standard  value.  The   RMSE value results  were  structured- light  scanning  <  single- camera  photogrammetry  <  ruler  method. The ICC value intragroup and intergroup were greater  than  0.99.  Conclusion  Both  structured- light scanning and single- camera photogrammetry can be applied in recording  and  measuring  forensic  body surface damage.  The  former  has  better  performance  in  measurement  accuracy  and  stability,  while  the latter has better color performance but longer post-processing time.

Keywordsforensic medicine; body surface area; scar; photogrammetry; structured-light scanning; single-


camera photogrammetry


基金项目“十三五”国家重点研发计划资助项目2016YFC0800702;国家自然科学基金资助项目815718518170186381722027;上海市法医学重点实验室资助项目17DZ2273200;上海市司法鉴定专业技术服务平台资助项目19DZ2290900;中央级科研院所公益科研专项资助项目GY2020G-4

作者简介:王金明1994,男,硕士研究生,主要从事法医病理学研究;E-mailwangjinming530@163.com通信作者:邹冬华,男,副研究员,主要从事法医病理学与生物力学研究;E-mailzoudh@ssfjd.cn

通信作者:陈忆九,男,研究员,博士研究生导师,主要从事法医病理学研究;E-mailchenyj@ssfjd.cn




损伤形态特征的测量记录是法医学鉴定的基础, 对活体体表瘢痕进行准确测量是客观评价损伤程度的前提。在法医学鉴定实践中存在着大量繁琐的体表测量工作,如何实现快速准确测量并将形态特征客观完整地记录下来是鉴定实践中的难点。传统法医学证据的收集与固定主要依靠带标准比例尺的照片来实现,记录维度的降低无疑会造成信息的丢失或偏倚,且具有一定的主观性,使其证据力下降。此外,法医学证据大多不可恢复,局部的照片往往无法保留完整的信息,导致复勘困难,对鉴定造成一定影响。

近年来,非接触性三维测量方法逐渐应用于法医学实践以获取人体的三维信息,主要应用于印痕样损伤匹配[1-4]、交通事故重建[5-7] 等领域,同时能够有效地弥补CT MRI 等虚拟解剖技术在体表信息获取上的缺失[8],具有测量精确、可重复性高、数据易于存储传

输等优点。本研究旨在通过对主流的两种三维重建方法——结构光三维扫描法和单相机摄影测量法在法医学实践中测量的准确性和可靠性进行综合评估, 以期为体表损伤的快速准确测量和客观记录提供新的思路。

1.对象与方法

1.1    1.1研究对象

      8 具尸体,共计 86 处损伤,其中:锐器伤 18 处,包括切割创 14 处、刺创 4 处;钝器伤 68 处,包括表皮剥3 处、擦伤46 处、皮肤青紫10 处、挫裂创9 处。

志愿者 1 名。将 22 张已知生产规格信息的矩形贴纸贴于志愿者的体表,其长度和宽度用于模拟线状瘢痕的测量,其中短距离组1~10 cm34 处,长距离10~40 cm10 处。另外,用记号笔在志愿者体表描绘13 处不规则形状的图案用以模拟不规则形状的块状瘢痕。

本研究所有实验经司法鉴定科学研究院科学与伦理委员会批准后进行。

1.2主要设备和软件

Go!SCAN 50 手持式结构光学扫描仪加拿大Creaform 公司EOS  6D 相机、ImageRUNNER  2520i打印机日本 Canon 公司ZBook  17 移动工作站美国 HP 公司。已校准直尺 1 量程 30 cm,瘢痕描绘专用透明薄膜若干张,黑色记号笔1 支,标尺若干,秒表1 块。

三维扫描及后处理软件 VXelement 6.1加拿大Creaform 公司,摄影测量法重建软件 Agisoft Photo⁃ Scan Professional 1.4.3俄罗斯 Agisoft 公司,逆向工程软件Geomagic Studio 2014美国3D Systems 公司),

Photoshop CC 软件美国Adobe 公司,福昕阅读器9.1中国福昕公司


1.3传统测量法

   1.3.1长度测量方法

尸体损伤和活体的模拟线状瘢痕均选用校准后的直尺进行测量。

              1.3.2 面积测量方法

采用薄膜记录法[9],应用黑色记号笔在瘢痕描绘专用透明薄膜上将模拟块状瘢痕完整地描绘下来,将薄膜置入 ImageRUNNER 2520i 打印机中进行扫描,

设置分辨率为600 dpi,将扫描结果分别保存为JPG PDF 格式。

              1.3.2.1 Photoshop 套索像素法[10-11]

将扫描瘢痕描绘薄膜所得到的 JPG 格式图片文件导入Photoshop CC 软件,应用套索工具点击描绘的瘢痕轮廓,确认选择区域范围。打开直方图窗口并调

整至扩展视图,查看并记录选择区域内的像素数,同时对 1 cm×1 cm1 cm2标记区进行相同的操作,测量 1 cm2 标记区的像素数。待测瘢痕面积cm2=瘢痕轮廓选择区域的像素数/1 cm2 标记区的像素数。

             1.3.2.2 PDF 阅读软件法[9]

将扫描瘢痕描绘薄膜所得到的 PDF 格式图片文件导入福昕阅读器 9.1 中,在注释栏模块中选择测量面积选项,描绘瘢痕图像轮廓,得到虚拟面积,同时对1 cm2 标记区进行相同的操作,测量 1 cm2 标记区的虚拟面积。待测瘢痕面积cm2=瘢痕轮廓选择区域的虚拟面积/1 cm2 标记区的虚拟面积。

1.4 三维测量方法

1.4.1 结构光三维扫描法建模

应用 Go!SCAN 50 手持式结构光学扫描仪对上述研究对象进行扫描,设置扫描分辨率为1 mm,连续扫描至无肉眼可见空洞。在VXelement 6.1 软件及后处理模块 VXmodel 中优化、简化扫描网格,移除噪点及孤立面片,生成高质量带色彩纹理的三维模型,以OBJ 格式导出。

1.4.2 单相机摄影测量法建模

应用 EOS 6D 相机在距离研究对象 60~70 cm 处对其进行360°环绕拍照,共选取24 张照片,每张照片间隔约15°,照片重叠度在80%以上,相机感光度调至 100,光圈调至4,相机焦距固定为50 mm

应用Agisoft PhotoScan Professional 1.4.3 软件对照片进行三维建模,操作流程如图 1 所示,经历对齐照片、建立密集点云、生成网格、映射纹理四步后生成三维模型。由于照片重建模型不具有度量信息,以事先安放的标尺为基准确定缩放因子,对三维模型进行缩放,以OBJ 格式导出。



                          
 

                                  1 单相机摄影测量法的操作流程

Fig. 1 The operation flow of single-camera photogrammetry

           1.4.3 数据测量

将结构光三维扫描法和单相机摄影测量法重建 OBJ 格式模型导入 Geomagic Studio 2014 软件中。尸体损伤和活体的模拟线状瘢痕的测量利用软件内分析工具选择边界点,自动计算两点间沿体表曲面的距离。用多边形工具栏里的曲线裁剪工具选择瘢痕

范围,利用分析工具自动计算瘢痕的曲面面积。

        1.5 检验方案

           1.5.1 检验三维测量方法在尸体损伤测量中的准确性

由同一操作人员应用结构光三维扫描法和单相机摄影测量法构建体表损伤三维模型,在 Geomagic Studio 2014 软件中完成损伤的测量,并应用直尺法测量损伤,测量值保留至 0.1 cm,所有损伤以长× D1cm×D2cm,代表损伤范围表示。由于尸体两种传统瘢痕面积测量方法对13 处不规则模拟块状瘢痕进行测量,每个图形测量 3 次,同时记录所需时间。由于不规则形状的瘢痕没有标准值,本研究将Photoshop 套索像素法测量结果设定为参考值[9-11],对各组测量结果进行对比分析。

1.5.2 检验三维测量方法在活体瘢痕测量中的准确性和可靠性

线状瘢痕长度的测量:由3 名具有法医学体表测量经验并接受三维测量方法培训的操作人员完成。3 名操作人员均应用直尺法和两种三维测量方法对模拟线状瘢痕测量 1 次。用于模拟线状瘢痕的贴纸长宽具有出厂规格信息,可以作为标准值。将两种三维测量方法和直尺法的测量值与标准值进行对比分析,用以验证结构光三维扫描法和单相机摄影测量法在瘢痕测量中的准确性及其应用于法医临床活体测量的可能性。

块状瘢痕面积的测量:3 名操作人员均分别应用结构光三维扫描法、单相机摄影测量法这两种三维测量方法和 Photoshop 套索像素法、PDF 阅读软件法这样本数,X 为标准值,Xi 为该测量方法下的均值。



1.6 统计学分析

所有数据处理在SPSS 24.0 软件内进行。

1.6.1 对比分析

在尸体损伤的测量中,计算结构光三维扫描法和单相机摄影测量法的测量值与直尺法测量值之间的差值,计算差值的平均值、最大值、最小值和标准差。对测量数据进行Shapiro-WilkS-W检验,根据数据是否符合正态分布对结构光三维扫描法与直尺法、单

相机摄影测量法与直尺法的测量值进行两两配对的t 检验或者Wilcoxon 秩和检验,检验水准α=0.05

在活体不规则形状模拟块状瘢痕的测量中,以Photoshop 套索像素法测得的面积为参考值,对所有测量数据进行S-W 检验,根据数据是否符合正态分布对结构光三维扫描法与 Photoshop 套索像素法、单相机摄影测量法与 Photoshop 套索像素法、PDF 阅读软件法和 Photoshop 套索像素法进行两两配对的 t 验或者Wilcoxon 秩和检验,检验水准α=0.05

1.6.2 测量方法的准确度分析

由于模拟线状瘢痕的贴纸长宽具有出厂规格信息,该标准值可以用来检验直尺法、结构光三维扫描法和单相机摄影测量法的测量准确度。不同测量方法的准确度用均方根误差(root mean square errorRMSE[12] 来评价,RMSE=,其中 n 定为参考值,将两种三维测量方法与直尺法得到的长度进行对比分析。



1.6.3 测量信度分析

对不同操作者及同一操作者前后 3 次测量对测量块状瘢痕面积结果的影响选用双向随机、绝对一致 性且单一度量的组内相关系数intraclass correlation coefficientICC进行一致性评价,用于验证两种三维测量方法结果的可重复性和稳定性。

1.6.4 耗时分析

分别记录 3 名操作人员应用不同测量方法在数据采集、后处理和测量阶段所花费的时间,取平均值。

        2.1 对比分析结果

           2.1.1 三维测量方法在尸体损伤测量中的准确性

2 展示了单相机摄影测量法和结构光三维扫描法测得的数据与直尺法测得的参考值之间的差异,两种三维测量方法测量结果均分布于直线周围,没有出现明显的离散点。单相机摄影测量法与直尺法差值的最大值为2.5 cm,平均值为0.36 cm;结构光三维扫描法与直尺法差值的最大值为 1.3 cm,平均值为 0.23 cmS-W 检验结果为 0.859P<0.05,样本不符合正态分布,故采用Wilcoxn 秩和检验,结果显示两种三维测量方法与直尺法测量结果之间差异均无统计学意义。


2.1.2 三维测量方法在活体瘢痕测量中的准确性

  使用PDF 阅读软件法、结构光三维扫描法及单相机摄影测量法测量活体体表13 处不规则模拟块状瘢痕的面积,所测结果与 Photoshop 套索像素法测得结果之间差异无统计学意义P>0.05,表1





2.2 测量方法准确度分析结果

   使用直尺法、结构光三维扫描法及单相机摄影测量法在测量短距离组(1~10cm)时,3组数据与标准值的差异无统计学意义(P>0.05),而直尺法在测量长距离组(10~40 cm)时测量结果的均值小于标准值(t=8.076P<0.05)。3种方法测量结果的RMSE值在短距离组与长距离组趋势一致,均为结构光三维扫描法<单相机摄影测量法<直尺法(表2)。


        2.3 信度分析结果

信度 ICC 分析结果如表 3 所示,虽然两种三维测量方法技术原理不同,但其组内与组间的ICC 值均大 0.99,结果具有一致性,不同操作者及同一操作者前后3 次操作测量结果一致,具有良好的重复性和稳定性。


2.4 耗时分析结果

使用两种传统的瘢痕面积测量方法与两种三维测量方法测量瘢痕面积时,在数据采集和测量阶段所需要时间相似,但在后处理阶段单相机摄影测量法耗时显著长于其他方法(表4)。



       

人体体表损伤与瘢痕的准确测量和记录是法医学日常工作的重要组成部分。在损伤记录方面,无论是照片还是对损伤测量后作出的叙述性描述都有主观性强、专家依赖性高、信息还原度低等不足。在拍照不规范的情形下,可能无法准确记录损伤的形态和位置,同时由于法医学检验的不可重复性,一旦发生重新鉴定,往往不具备复核的条件。因此,探寻符合法医学鉴定实际需要的体表精确测量和永久保存的技术方法具有实践意义。

EBERT [13- 14] 率先将光学扫描技术应用于印痕样损伤与致伤工具的匹配,并基于光学扫描、CTMRI 和组织学穿刺技术开发了两代Virtobot 系统。人体损伤的数字化构模不仅可以永久地将损伤信息完整保留,而且可以提供多维度的计量分析和形态学比较。但早期条纹式光学扫描仪大多体积大、操作复杂、耗时长,无法对活体进行扫描[15],难以满足实际检案的需要。SHAMATA [16] 应用PicoScan 结构光学扫描仪对活体体表损伤进行三维重建并取得较好结果,但其操作复杂且必须进行分段式扫描操作。以运动到结structure from motion方法为基础的数字摄影测量法较传统摄影测量法有着无需放置标志点、操作灵活的优势。LEIPNER [17] 应用一个由 64 个数码相机组成的多镜头摄影测量系统Botscan 快速获取信息并构建人体体表三维模型,并在随后的研究中证明该系统的精度高于传统直尺测量方式[18]KOTTNER [19] 提出了另一个多相机的摄影测量系统VirtoScan,将重建结果与 ATOS 扫描仪进行对比,结果平均误差仅为0.36 mmKHALIL[20] 提出一种单相机摄影测量方法,基于同一相对固定物体的不同视角拍摄照片即能获取三维模型。但单相机摄影测量法影响因素众多,其测量精度及在鉴定实践中的适用性尚未可知。

本研究采用的手持式结构光学扫描仪具备传统固定式条纹光学扫描仪所不具备的便携性和扫描速度,可以完成对活体对象的全身扫描,同时,采用传统鉴定时使用的非量测相机及普通标尺构建单相机摄影测量系统,对两种方法在法医学实践中测量的准确性和可靠性进行综合评估。研究发现86 处尸体损伤中,结构光三维扫描法和单相机摄影测量法的测量值误差平均值在0.5 cm 以下,最大误差为2.5 cm出现在单相机摄影测量法对大面积表皮剥脱的测量中两种三维测量方法测量值均与传统测量方法测量值之间差异无统计学意义,说明采用结构光三维扫描法和单相机摄影测量法作为尸体损伤测量的工具是准确可靠的。准确测量不规则形状瘢痕面积是法医临床检案中的难点,本研究将结构光三维扫描法、单相机摄影测量法的测量结果与目前常用的Photoshop 索像素法、PDF 阅读软件法测量结果进行对比,统计发现,结构光三维扫描法、单相机摄影测量法的测量结果与Photoshop 套索像素法相比差异无统计学意义, 说明两种三维测量方法适用于活体体表不规则形状瘢痕面积的测量。

为进一步确定体表三维测量方法相较于传统直尺测量在测量准确度上是否具有优势,本研究利用模拟线状瘢痕贴纸的出厂规格信息作为标准值,使用RMSE 评估测量方法的精确度,RMSE 值越小,表示该测量方法越精确。在短距离组及长距离组的测量中, 结构光三维扫描法均表现出最高的测量精度,单相机摄影测量法次之,而传统直尺法测量结果在长距离组与标准值之间差异具有统计学意义,说明随着测量长度的增加,传统的直尺测量方法受体表曲率和位置的影响增加,产生的操作误差增加。而两种三维测量方法的误差仅限于边界点选择误差和测量系统本身误差,基本不受测量部位和测量长度的影响,测量结果更为准确。

此外,运用于鉴定实践的测量方法应具有良好的稳定性和可重复性,本研究对不同操作人员的测量结果和同一操作人员 3 次测量的结果进行重测信度分析,结果显示各组 ICC 值均大于 0.99。因此,结构光三维扫描法和单相机摄影测量法的测量结果具有可重复性和稳定性,在实践中应用具有可行性。

在实际检案中,测量时间、操作难度及硬件设备要求也是影响测量方法应用效率的重要因素。在数据采集方面,单相机摄影测量法所需时间最短,操作简单,只需在离目标一定距离处全方位记录拍照,具有极佳的操作灵活性和普及性,符合各个场景下法医学实践的需要,同时无需额外购买设备,任何数码相机甚至是手机都可以完成数据采集。然而,单相机摄影测量法的后处理时间很长,并且随着照片数量及重建点云密度的增加而延长,同时对计算机硬件要求也进一步提高,无法立刻观测重建模型,不具有实时性。此外,单相机摄影测量法重建影响因素较多,依据比例尺缩放的过程及相机本身的镜头畸变会对重建精度造成一定的影响,在稳定性和测量精度上相比结构光三维扫描法稍差。既往研究[21]认为,扫描过程 活体出现的不自主伸缩、呼吸运动将会影响光学扫描的精度。本研究中结构光三维扫描法的测量结果与标准值之间差异无统计学意义,证明在扫描速度足够快和受试者主观配合的情况下,结构光学扫描可以避免活体运动伪差的影响,在活体瘢痕测量中具有可行性。结构光三维扫描法具有实时性,操作者通过实时产生的三维图像调整扫描过程,从而得到最佳扫描结果,可以实时完成测量工作,目前一些针对法医学工作开发的软件已能完成病例化的操作模式。但结构光学扫描无法获取黑色信息,易受到光照条件的影响,光栅无法深入创口内部,造成毛发及创口内部细节的缺失,三维模型的色彩还原度不如单相机摄影测量法[22]


综上所述,结构光三维扫描法和单相机摄影测量法这两种三维测量方法对法医学体表损伤与瘢痕的测量均准确可靠,同时还永久保留了体表三维信息, 在案件发生争议时能够进行有效溯源,相较于传统测量记录方式是一种更加直观、客观的法庭证据。但两种三维测量方法各自仍存在一定缺陷,在测量时对于损伤和瘢痕边缘的提取仍然基于手动选取,还需进一步建立自动识别选取边缘的方法。

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收稿日期:2019-11-01

本文编辑:高东



 

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收稿日期:2019-05-21

本文编辑:李正东

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