卞 洪

(天津體育科研所青少年骨齡測(cè)試室 天津300074)

計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡過(guò)程及發(fā)展

卞 洪

(天津體育科研所青少年骨齡測(cè)試室 天津300074)

骨齡評(píng)分法的量化特點(diǎn)便于計(jì)算機(jī)輔助。針對(duì)計(jì)算機(jī)在骨齡中的應(yīng)用，從數(shù)據(jù)化處理、模板創(chuàng)建、操作方法等幾方面做出初步討論與研究，指出數(shù)字化信息技術(shù)的應(yīng)用使骨齡測(cè)定的可靠性和有效性得到了明顯提高。

數(shù)字化處理 模板 CASAS

1 概述

骨齡是骨骼發(fā)育變化測(cè)定的體格發(fā)育年齡，是青少年體格發(fā)育的重要指標(biāo)。骨骼發(fā)育到成年時(shí)，骨骼重量占體重(body weight)的 14%，高度占身高(body height)的 97%～98%。因此骨骼發(fā)育是人體最重要的體格發(fā)育。正常人體在骨骼發(fā)育過(guò)程中，骨骼的骨化速度及骨骺與干骺端閉合的時(shí)間以及形態(tài)的發(fā)展變化都是有一定規(guī)律的，通過(guò)X線(xiàn)研究，可以制定出判別骨成熟程度及正常與異常生長(zhǎng)的骨齡標(biāo)準(zhǔn)。骨齡是評(píng)價(jià)兒童生長(zhǎng)發(fā)育、預(yù)測(cè)身高、疾病診斷的重要指標(biāo)，對(duì)于國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)員選拔都是不可或缺的手段。目前，骨齡評(píng)估已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、體育科學(xué)、法醫(yī)人類(lèi)學(xué)等領(lǐng)域。

骨齡的測(cè)定都是利用骨的 X線(xiàn)攝片、根據(jù)骨發(fā)育的X線(xiàn)征像，即成熟標(biāo)志測(cè)定的。19世紀(jì)末，Boas首次提出生長(zhǎng)速率的概念。在發(fā)現(xiàn)如何用 X射線(xiàn)攝片后不久，學(xué)者們很快將此概念和技術(shù)用于骨發(fā)育的研究，對(duì)骨齡的測(cè)定方法進(jìn)行了長(zhǎng)期探索和不斷的改進(jìn)。骨齡評(píng)分法指標(biāo)多、參數(shù)多，人工評(píng)定比較繁瑣費(fèi)時(shí)，在不同讀片者之間、同一讀片者前后之間，都可能會(huì)有差別，久不讀片還容易生疏。因此，諸多因素決定了對(duì)骨齡評(píng)價(jià)自動(dòng)化的迫切需要。結(jié)合圖像處理、圖像識(shí)別以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等學(xué)科知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

2 方法

計(jì)算機(jī)對(duì)骨齡評(píng)分 CASAS(Computer Assisted Skeletal Age Scores)以數(shù)字化信息技術(shù)和分類(lèi)統(tǒng)計(jì)方法，進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像分析得出結(jié)果。

2.1 原理

通過(guò)數(shù)據(jù)化處理，將 X線(xiàn)片原圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，進(jìn)行數(shù)字分析，具體包括數(shù)字化處理、模版創(chuàng)建、圖像分類(lèi)等原理。

2.1.1 數(shù)字化處理

將圖像分成 512×512個(gè)點(diǎn)，即像素，提供圖像的光分布狀態(tài)，即位置信息，每一個(gè)像素又可分成256個(gè)灰度，提供不同區(qū)點(diǎn)的光亮度信息。從原圖像變換為數(shù)字圖像，傅里葉變換是廣泛用于計(jì)算機(jī)圖像處理和生物統(tǒng)計(jì)的方法，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為系數(shù)，用于表達(dá)數(shù)字圖像的仿真性，其計(jì)算公式是：

式中：A0為常數(shù)，t代表線(xiàn)上的抽樣點(diǎn)，n代表從1到k的灰度，k代表得到最大程度變換即諧和的灰度。隨著 k值增加，轉(zhuǎn)換的精確度增加，重建圖像的仿真性增加。用于骨的X線(xiàn)片圖像有64個(gè)灰度即能分辨出從一個(gè)像素到另一個(gè)像素的密度變化，即k＝64可達(dá)到要求。利用二維傅里葉變換，64個(gè)灰度可諧和即仿真1條水平線(xiàn)，這種水平線(xiàn)有64條垂直重疊，但x向與 y向是對(duì)稱(chēng)的，故將會(huì)得到(64/2)×(64/2)＝1,024個(gè)獨(dú)特的圖像系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，許多系數(shù)是 0，故可將重要的系數(shù)包含在一個(gè)易管理的子集里。理論上，這些系數(shù)可以表達(dá)圖像的變化比率，故利用一張 X線(xiàn)片原圖的各像素系數(shù)，可將原圖重建于屏幕上，而利用一類(lèi) X線(xiàn)片原圖的各像素平均系數(shù)，則可重建該類(lèi)的平均圖像。

2.1.2 模版創(chuàng)建

利用傅里葉系數(shù)建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像樣本，以供比較。例如，TW2和TW3的骨發(fā)育模板，就是利用一組骨發(fā)育分期的標(biāo)準(zhǔn) X線(xiàn)片原圖，通過(guò)上述數(shù)字化處理建立每一期的平均圖像。該組標(biāo)準(zhǔn) X線(xiàn)片有 130張，是 TW2骨齡評(píng)分法原創(chuàng)者所保存的原標(biāo)準(zhǔn)X線(xiàn)片，其分期已經(jīng)過(guò)反復(fù)認(rèn)可，故被作為骨發(fā)育分期的“真像”。將這些圖片逐期數(shù)字化，得到每一期圖像各像素的平均系數(shù)，于是可重建每一期的平均圖像，作為標(biāo)準(zhǔn)圖即模版圖。

2.1.3 圖像分類(lèi)

根據(jù)傅里葉系數(shù)分類(lèi)。例如，以 TW2或 TW3法判斷各骨的骨發(fā)育期時(shí)，將待檢的X線(xiàn)片數(shù)字化后，每一骨的各像素系數(shù)依次與各期模板圖的各像素平均系數(shù)比較，選擇系數(shù)最為接近的期。計(jì)算機(jī)分類(lèi)運(yùn)算的具體過(guò)程比較復(fù)雜，其主要步驟如下：

①待檢各骨與相應(yīng)各期模板的比較：比較結(jié)果以待檢各骨(i)系數(shù)與相應(yīng)各期(j)模板系數(shù)的根均方差即標(biāo)準(zhǔn)差表示，計(jì)算式為：

式中：Tikm表示某一待檢骨的位于某行(k)某列(m)的1項(xiàng)系數(shù)，Gijkm表示該骨某一期模板的該位置的系數(shù)，(Tikm－Gijkm)2表示二系數(shù)之差的平方，即為離均差的平方，分子表示將64行和64列各位置的各項(xiàng)離均差的平方相加，即為離均差平方和，分母 642表示項(xiàng)目的總數(shù)，故該式表示待檢片某一骨與相應(yīng)骨的某一期模板比較時(shí)得到的該期系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，將待檢片的該骨與相應(yīng)骨的各期模板比較，則得到各期系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差(RMSEj)，其中標(biāo)準(zhǔn)差最小者，即為待檢骨最接近的骨發(fā)育期。以此類(lèi)推，可得到待檢片各骨與相應(yīng)骨各期模板比較的標(biāo)準(zhǔn)差(RMSEij)，進(jìn)而得出各骨最接近的骨發(fā)育期。

②將待檢各骨圖像的 RMSEj轉(zhuǎn)變?yōu)?0～1：最小的 RMSEj轉(zhuǎn)為 1，表示待檢骨圖像與該期圖像相差最小即最相似，最大的 RMSEj轉(zhuǎn)為 0，表示待檢骨圖像與該期圖像相差最大即最不相似，介于二者之間的RMSEj則轉(zhuǎn)為 0～1的小數(shù)，表示待檢骨圖像與相應(yīng)期圖像有不同程度相似，越接近1，相似程度越高。

③選取相似期：一般選取最相似的期及其上、下鄰近的各 2期，共 5期，計(jì)算該 5期 RMSE的均數(shù)(x)和標(biāo)準(zhǔn)差(S)。但若最相似的期為初始期(如 A期)或終止期(如 I期)則只能選取 2期(A、B 期或H、I期)，若為鄰近初始的期(如 B期)或鄰近終止的期(如 H 期)則只能選取 3期(如 A、B、C 或 G、H、I期)。

④確定期數(shù)：通過(guò)曲線(xiàn)擬合，以數(shù)字表示最終評(píng)定的骨發(fā)育期。首先，計(jì)算上述 5期縱坐標(biāo)高度的概率密度 Wj，它反映各期對(duì)最終評(píng)定結(jié)果的份量或“貢獻(xiàn)”大?。?/p>

式中：X－(RMSEj－x)/s，為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量，它表示各期距均數(shù)的遠(yuǎn)近，越遠(yuǎn)份量(Wj)越輕，最相似的期份量最大，其次為其上、下鄰近的期，上述 5期以外期的份量可視為0。根據(jù)5期的Wj擬合正態(tài)曲線(xiàn)，其均數(shù)即為最終評(píng)定的期，用數(shù)字表示，如7.26期。

以上運(yùn)算步驟說(shuō)明，CASAS將骨發(fā)育各期依次編數(shù)為 1期、2期、3期……利用數(shù)字化信息和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，綜合與待檢骨相似的 5期的貢獻(xiàn)大小，得出最終評(píng)定的期數(shù)。而人工評(píng)定時(shí)，將骨發(fā)育各期依次編號(hào)為A期、B期、C期……只根據(jù)待檢骨與各期特征“像與不像”，得出最終評(píng)定的期號(hào)。表 1以評(píng)定某骨發(fā)育期為例，說(shuō)明二者評(píng)定方式的區(qū)別，數(shù)字“0”表示“完全不像”，“1”表示“完全像”，各小數(shù)表示不同程度的相像，越接近“1”越像，人工評(píng)定為D期為完全相像，而計(jì)算機(jī)評(píng)定為4期最像，其次為 5期、3期，再其次為 2期、6期，最后綜合評(píng)定為 4.25期(D＋)。由此可見(jiàn)，人工評(píng)定方式是一種理想的方式，但實(shí)際情況常常是沒(méi)有完全像、只有不同程度像，故更符合計(jì)算機(jī)評(píng)定方式。

表1 人工評(píng)定和計(jì)算機(jī)評(píng)定的區(qū)別Tab.1 Contrast between artificial assessment and computer assessment

2.2 操作方法

CASAS能自動(dòng)完成骨發(fā)育分期和骨齡評(píng)定等工作，使用者只需操作儀器，主要操作如下：

①置左手腕部 X線(xiàn)片于一專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的燈光盒上。②逐個(gè)骨獲取X線(xiàn)片圖像于相應(yīng)的框架內(nèi)，由高分辨單色視頻相機(jī)連接微電腦內(nèi)的一框架緩沖器，以每秒 30次的速度重建圖像。這是一種實(shí)時(shí)圖像獲取系統(tǒng)，從橈骨遠(yuǎn)端開(kāi)始，按一定順序逐個(gè)骨進(jìn)行圖像獲取，利用顯示在電腦屏幕周邊的相應(yīng)骨各期的模版圖，選取能重疊于待獲取骨部位的期模版圖，使X線(xiàn)片該骨部位圖像被獲取在此模板框架內(nèi)，以備分析。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)移動(dòng) X 線(xiàn)片、調(diào)節(jié)焦距、選取骨的期模板圖，達(dá)到以正確位置獲取圖像的目的。③計(jì)算機(jī)圖像處理，如圖像信息的增益和過(guò)濾等。④計(jì)算機(jī)圖像分析，即利用傅里葉系數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，得出待檢各骨的期數(shù)。⑤根據(jù)合計(jì)骨發(fā)育分，得出骨發(fā)育分百分位骨齡等結(jié)果。

2.3 分期的可靠性和有效性

可靠性包括重復(fù)性和可比性，前者指觀(guān)察者內(nèi)符合率大小，以同一人在前后相隔足夠長(zhǎng)時(shí)間的兩次對(duì)同一X線(xiàn)片分期結(jié)果的符合或不符合率表示；后者指觀(guān)察者間符合率大小，以不同人分別對(duì)同一X線(xiàn)片分期結(jié)果的符合或不符合率表示。某些研究對(duì) CASAS和人工閱片的分期結(jié)果的可靠性和有效性進(jìn)行了比較，結(jié)果都是CASAS更佳。

3 數(shù)字化CASAS

目前許多現(xiàn)代化科室已經(jīng)淘汰了 X線(xiàn)片，數(shù)字化圖像由 X線(xiàn)攝像器械生成并直接輸入到 CASAS計(jì)算機(jī)內(nèi)，自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像位置，選取相應(yīng)期模板，評(píng)定骨齡發(fā)育期，直至得出各項(xiàng)結(jié)果。作為最新產(chǎn)品，數(shù)字化CASAD對(duì)期模板的要求較為寬松，若選取的期模板太不適合或骨的位置太差會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

4 結(jié) 語(yǔ)

骨齡評(píng)分法是計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)，它促進(jìn)了后者的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡也反過(guò)來(lái)促進(jìn)了骨齡評(píng)分法的發(fā)展，使骨齡評(píng)定技術(shù)達(dá)到新的水平，趕上信息時(shí)代的步伐。該方法避免了繁瑣、費(fèi)時(shí)、耗材之苦，且 CASAS和數(shù)字化 CASAS產(chǎn)品提高了量化程度，從原理上刷新了骨齡評(píng)分法。數(shù)字化信息技術(shù)將骨發(fā)育過(guò)程從過(guò)去斷續(xù)的期變?yōu)檫B續(xù)的數(shù)，即從期號(hào)變成期數(shù)，從原理上將量化程度提高到前所未有的水平，實(shí)際對(duì)比研究結(jié)果也證明了其可靠性和有效性。

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Process and Development of Computer-assisted Skeletal Age Assessment

BIAN Hong
(Adolescent Skeletal Age Measurement Office of Tianjin Sports Science Research Institute，Tianjin 300074，China)

The quantification feature of skeletal age assessment method enables its combination with computer assistance. In this paper，the application of computer in bone age testing was discussed from the perspectives of digitalized treatment，template creation and manipulation methods. It also pointed out that the application of digitized information technology has apparently improved the reliability and effectiveness of the testing.

digitized treatment；template；CASAS

R336

A

1006-8945(2014)08-0013-03

2014-07-06