宋淑華劉 堅(jiān)翟波宇

(1.云南師范大學(xué)體育學(xué)院 昆明 650222)

骨齡評(píng)估方法最新研究進(jìn)展＊

宋淑華1劉 堅(jiān)1翟波宇1

(1.云南師范大學(xué)體育學(xué)院 昆明 650222)

骨齡是衡量少年兒童骨骼發(fā)育程度的重要解剖生理指標(biāo),在醫(yī)學(xué)和體育領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。對(duì)目前常用的各種骨齡評(píng)估方法(圖譜法、計(jì)分法、自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng))進(jìn)行比較分析,為更有效地促進(jìn)骨齡評(píng)價(jià)的科學(xué)性和便捷性提供參考。

骨齡;生長(zhǎng)評(píng)價(jià);方法;進(jìn)展

骨齡是衡量少年兒童骨骼發(fā)育程度的數(shù)據(jù)指標(biāo),在醫(yī)學(xué)和體育領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。醫(yī)學(xué)上,常用骨齡數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)少年兒童的發(fā)育程度。另外,骨齡數(shù)據(jù)還可幫助診斷一些疾病和預(yù)測(cè)少年兒童以后的發(fā)育狀況,如預(yù)測(cè)成人后的身高;在體育領(lǐng)域,骨齡則主要用于運(yùn)動(dòng)員的選材和確定比賽選手的年齡分組等,對(duì)于運(yùn)動(dòng)員公平競(jìng)賽具有重要的參考價(jià)值[1～5]。

1 國(guó)際和國(guó)內(nèi)骨齡評(píng)價(jià)方法

目前骨齡評(píng)價(jià)方法主要有圖譜法和記分法。針對(duì)中國(guó)青少年兒童的發(fā)育狀況,我國(guó)于1992年頒布了骨齡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——“中國(guó)人手腕骨發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)CHN法”。CHN法是目前我國(guó)統(tǒng)一的骨齡評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。骨齡評(píng)價(jià)工作主要是通過(guò)骨齡專家人工讀片與人工計(jì)算來(lái)完成。所謂人工讀片就是通過(guò)人工方式,將手骨骨骼按CHN法的等級(jí)描述進(jìn)行分類,但這種方法一般比較難操作,因?yàn)镃HN法描述很抽象,難以把握。通常的方法是通過(guò)將手骨X射線片與一套已知骨齡的骨齡標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行比較來(lái)得到骨齡數(shù)據(jù)。這些方法處理起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且不可必免地造成一些誤差。主要缺點(diǎn)有:一是重復(fù)性差,即同一評(píng)價(jià)人對(duì)同一受試者的多次評(píng)價(jià)以及不同評(píng)價(jià)人對(duì)同一受試者的評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大差別;二是難以普及應(yīng)用,評(píng)價(jià)人需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的培訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)積累,才能正確掌握與使用。因此,如何找出新的評(píng)價(jià)方法,尤其是實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)的自動(dòng)化,使骨齡評(píng)定達(dá)到簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)的要求,也就成為國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。

2 骨齡自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)

2.1 國(guó)外研究概況

隨著骨骼X線圖像數(shù)字化處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的發(fā)展,骨齡自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)的研究近年有了迅猛發(fā)展,尤其是歐美國(guó)家開(kāi)發(fā)出了大量的計(jì)算機(jī)輔助評(píng)估系統(tǒng),但基本上都屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)——人工標(biāo)記出骨塊區(qū)域,再進(jìn)行訓(xùn)練和分類[6～9]。值得關(guān)注的是2007年 Gertych[10]對(duì)于輔助系統(tǒng)的研究。該研究包括兩個(gè)部分。一是建立數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了符合正態(tài)分布的1400個(gè)數(shù)字化左手X光照片,包括高加索、亞洲、非洲、美洲、西班牙的男性和女性,年齡范圍從1歲～18歲;另一部分是基于數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)輔助診斷模塊(CAD)評(píng)測(cè)骨齡。骨骼特征提取主要來(lái)源于7個(gè)興趣區(qū)域(ROIs)——腕骨區(qū)域和指骨的6個(gè)區(qū)域。在骨齡自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)方面,2007年Hsieh[11]提出一種新型的骨齡自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),該系統(tǒng)是在指骨幾何學(xué)特征和腕骨的模糊信息基礎(chǔ)上建立的。這是因?yàn)?歲前采用腕骨特征能有效減少分類錯(cuò)誤;同時(shí),10歲兒童的腕骨特征對(duì)骨齡的影響變得更小。另一方面,10歲至成年階段的指骨特征對(duì)骨成熟度評(píng)判是非常重要的一個(gè)參數(shù)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究概況

國(guó)內(nèi)關(guān)于骨齡數(shù)字化處理技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)90年代,且較多研究關(guān)注軟件開(kāi)發(fā),而對(duì)硬件的研究相對(duì)較少。軟件方面的開(kāi)發(fā)研究主要集中在計(jì)算機(jī)輔助評(píng)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。1998年,第四軍醫(yī)大學(xué)[12]研制出計(jì)算機(jī)輔助評(píng)價(jià)系統(tǒng),通過(guò)高清晰度掃描儀將X線圖片掃描到計(jì)算機(jī)里,然后將標(biāo)準(zhǔn)樣片自動(dòng)顯示掃描X線片旁邊,醫(yī)生就能很方便將其與標(biāo)準(zhǔn)的X線樣片進(jìn)行比較,判斷出發(fā)育等級(jí),最后計(jì)算機(jī)根據(jù)醫(yī)生評(píng)價(jià)的等級(jí),自動(dòng)查表給出總分。但是這些工作并沒(méi)有完成自動(dòng)評(píng)價(jià),僅僅是提供了自動(dòng)查表和計(jì)算的功能,避免了繁瑣的翻閱手冊(cè)的過(guò)程、因?yàn)槠诙鸬挠?jì)算錯(cuò)誤以及計(jì)算查表的漫長(zhǎng)時(shí)間,很難提高骨齡計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性。1999年,上海第二醫(yī)科大學(xué)瑞金醫(yī)院放射科謝吉等[13]把中國(guó)人手腕骨發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)CHN骨齡評(píng)估法計(jì)算機(jī)化,并對(duì)39名2～17歲兒童的546塊手腕骨X線片進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助骨齡評(píng)估,發(fā)現(xiàn)不論是分級(jí)一致性,還是評(píng)估骨發(fā)育分級(jí)所需時(shí)間,計(jì)算機(jī)法明顯優(yōu)于人工評(píng)估法。2000年,第四軍醫(yī)大學(xué)在1998年羅家燕開(kāi)發(fā)的輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增強(qiáng)功能,先對(duì)某些不清晰的圖像進(jìn)行偽彩色增強(qiáng),再對(duì)圖像進(jìn)行二值化,通過(guò)與知識(shí)庫(kù)中的信息比較相似度得出骨塊的發(fā)育等級(jí)。最后,根據(jù)采用CHN法計(jì)算得分,最終得到骨齡值;該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍主要為7、8歲以下年齡的兒童。同年,武漢市公安局[14]也開(kāi)發(fā)了“未成年人骨齡鑒定工具軟件”,極大地推進(jìn)了基層法醫(yī)工作者的工作效率。值得一提的是,2006年廣西壯族自治區(qū)人民醫(yī)院劉裕恒等[15]依托上?；菡\(chéng)咨詢有限公司開(kāi)發(fā)的智能化“中國(guó)兒童青少年骨齡測(cè)評(píng)系統(tǒng)”,該系統(tǒng)采納了國(guó)內(nèi)從事內(nèi)分泌、兒童保健及放射科專家的意見(jiàn),采用葉義言1994年出版的《兒童青少年骨齡的評(píng)分法圖譜及應(yīng)用》中的葉氏 TW2骨齡評(píng)分法,隨機(jī)抽取50份手腕骨齡X光照片,運(yùn)用該軟件與人工骨齡評(píng)估法進(jìn)行骨發(fā)育分級(jí)一致性與所用時(shí)間進(jìn)行比較。結(jié)果表明,該骨齡測(cè)評(píng)系統(tǒng)骨發(fā)育分級(jí)一致性明顯高于人工法(P<0.001),測(cè)評(píng)速度快。但該系統(tǒng)仍然屬于計(jì)算機(jī)輔助評(píng)判,未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,且參考標(biāo)準(zhǔn)為1994年所制定,因此導(dǎo)致軟件開(kāi)發(fā)相對(duì)滯后,有待更新。由此可以看出,計(jì)算機(jī)輔助骨齡評(píng)測(cè)系統(tǒng)是將待測(cè)兒童各骨指標(biāo)發(fā)育分期及性別等代碼輸入計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)自動(dòng)查表給出總分及骨齡;同時(shí)增加圖像顯示板塊,將X線片輸入計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜同時(shí)顯示,方便比較、判斷發(fā)育等級(jí)。該系統(tǒng)雖然很好地提高了評(píng)測(cè)的速度和準(zhǔn)確性,但骨發(fā)育分期仍需人工判定,未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)骨圖像自動(dòng)識(shí)別,通過(guò)對(duì)圖像的預(yù)處理、骨塊的分割、特征提取,最后將提取的特征與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較分析,計(jì)算骨齡。通過(guò)建立各骨發(fā)育期圖像的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),分析時(shí)按數(shù)字信息分為連續(xù)的分期,得出的分期結(jié)論更為精確。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、技術(shù)難度大,目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)骨齡評(píng)測(cè)完全智能化。國(guó)內(nèi)研究主要有:1995年,湖南大學(xué)張大方等[16]在 TW2法基礎(chǔ)上,探討了一個(gè)基于模糊聚類分析法及句法結(jié)構(gòu)識(shí)別法的骨齡自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),在提取手腕部骨圖像時(shí)采用了數(shù)學(xué)形態(tài)校正法、區(qū)域凹向?yàn)V波法、非線性對(duì)比度補(bǔ)償法,但發(fā)現(xiàn)其“模糊分類法”尚需改進(jìn)。2001年,臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)[17]開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng),但僅適合于7歲以下的兒童。2003年,北京工業(yè)大學(xué)王珂等[18]基于“中國(guó)人手腕骨發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)CHN法”的骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)方法,包括手腕骨x射線圖像中骨骼邊緣的自動(dòng)提取和骨骼成熟度的自動(dòng)分級(jí),應(yīng)用活動(dòng)形狀模型(ASM),改善了邊緣檢測(cè)的效果;通過(guò)考察一系列形狀幾何信息并結(jié)合灰度信息,將CHN標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)的文字描述轉(zhuǎn)化為數(shù)字特征,采取多層次分步驟的方法用于最終的骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明骨齡評(píng)價(jià)的正確率和穩(wěn)定性有了提高。對(duì)該方法進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)誤差的來(lái)源主要是在某些手骨X射線圖像上對(duì)個(gè)別骨骼的邊緣檢測(cè)不準(zhǔn)確,這主要是因?yàn)閳D像的質(zhì)量和噪音對(duì)搜索過(guò)程中標(biāo)定點(diǎn)或目標(biāo)點(diǎn)的灰度特征的干擾引起的。北京工業(yè)大學(xué)胡永利[19]等學(xué)者采用活動(dòng)形狀模型(ASM)檢測(cè)骨骼邊緣效果,采用多層次、分步驟的方法用于最終的骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明方法合理且簡(jiǎn)單實(shí)用,效果理想。此外,沈陽(yáng)師范大學(xué)李忠海教授[20]在CHN法基礎(chǔ)上,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)重點(diǎn)解決了骨骼位置的標(biāo)定和特征提取等問(wèn)題,運(yùn)用感光度修正,特征的模糊推理和圖像處理的邊緣檢測(cè)等手段,實(shí)現(xiàn)了骨骼特征的提取和識(shí)別方法,設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)識(shí)別骨齡特征的骨齡計(jì)算方法。2004年,沈陽(yáng)師范大學(xué)李孝誠(chéng)等[21]提出了一種基于數(shù)學(xué)插值算法的新方法——“連續(xù)性骨齡算法”,首先采用插值法將中國(guó)人骨成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)化,然后應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法。結(jié)果表明,該算法有利于提高骨齡的計(jì)算精度和速度,減少人為評(píng)價(jià)誤差對(duì)骨成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果的影響、對(duì)促進(jìn)骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有很大的推動(dòng)作用。河北工業(yè)大學(xué)孫飛[22]在導(dǎo)師何文杰教授的指導(dǎo)下提出了一種新的圖像恢復(fù)的方法:利用傅立葉變換理論及光學(xué)系統(tǒng)理論,通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)、光學(xué)及數(shù)字圖像處理等學(xué)科的結(jié)合,建立了新的圖像恢復(fù)模型,使得x光片的數(shù)字化成像的清晰度大大提高,基本實(shí)現(xiàn)了x光片的無(wú)膠片化。2005年,昆明理工大學(xué)洪初陽(yáng)[23]、汪虹[24]和李紹彬[25]等在導(dǎo)師李一民教授的指導(dǎo)下分別完成了碩士學(xué)位論文“骨齡識(shí)別系統(tǒng)中的定位問(wèn)題與撓骨識(shí)別研究”、“骨齡識(shí)別系統(tǒng)中對(duì)手腕特征骨輪廓提取方法的研究”和“小波分析在骨齡評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用”。在輔助骨齡評(píng)定的領(lǐng)域內(nèi)作了有益的理論探討和方法的研究,有很大的實(shí)用價(jià)值,為進(jìn)一步完善系統(tǒng)奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。2006年汪浩[26]等研制開(kāi)發(fā)了少兒運(yùn)動(dòng)員骨齡判定自動(dòng)生成系統(tǒng),解決了運(yùn)動(dòng)員骨齡判定及管理問(wèn)題,但并沒(méi)有開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)員骨齡特征自動(dòng)識(shí)別算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

由前可知,骨齡數(shù)字化評(píng)判系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:(1)提供骨齡判定中計(jì)算的方便,使判定周期大大縮短,節(jié)省大量時(shí)間;(2)將人工計(jì)算不可避免的誤差降低到最小;(3)為參賽少兒運(yùn)動(dòng)員選擇最佳注冊(cè)時(shí)間提供更全面的參考依據(jù);(4)可改善各省、市、縣體育局及各級(jí)體校運(yùn)動(dòng)員管理中存在的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)正規(guī)、高效地處理運(yùn)動(dòng)員骨齡管理中的各項(xiàng)事務(wù)。

3 總結(jié)

綜上所述,盡管許多學(xué)者致力于骨齡數(shù)字化成像系統(tǒng)的硬件和軟件開(kāi)發(fā),但當(dāng)前骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)面臨三個(gè)挑戰(zhàn):一是硬件設(shè)備的進(jìn)一步完善;二是以往直觀的圖像,如何準(zhǔn)確地用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)表達(dá);三是將等級(jí)描述翻譯成計(jì)算機(jī)化的等級(jí)表達(dá)之后,如何精確地進(jìn)行骨塊提取。這些問(wèn)題都將是學(xué)者未來(lái)的研究方向。

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Newest Research Progress on Bone Age Assessment

SONG Shuhua,et al.
(School of Physical Education YunNan Normal University,Kunming)

Bone age is an important anatomy physiological index to reflecting children’s growth and maturity,so applied in medical science and exercise field extensively.The paper compared and analyzed the development of the assessment methods of bone age in these years,including mapping,count scores,automatic judgment system,for providing reference on promoting science and convenience of bone age assessment.

bone age;growth assessment;method;development

云南省科技廳社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)研究基金資助課題,編號(hào):20082C041M。

宋淑華(1971—),女,河北人,博士,講師,主要從事全民健身方面的研究。