朱翔宇，歐陽(yáng)斌，羅冬梅，劉 杰

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基于中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)的橈骨骨齡等級(jí)計(jì)算機(jī)評(píng)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱翔宇1，歐陽(yáng)斌2，羅冬梅1，劉 杰2

以中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，基于骨齡圖像的DICOM格式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了橈骨骨齡80級(jí)～84級(jí)的計(jì)算機(jī)評(píng)定軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)手腕部數(shù)字X光圖像進(jìn)行了預(yù)處理，采用區(qū)域生長(zhǎng)法與最大類間方差法結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了橈骨的有效分割，選取了灰度特征、紋理特征以及融合度作為骨齡特征參數(shù)，設(shè)計(jì)k近鄰分類器對(duì)骨齡特征數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)分類，并且結(jié)合ITK、VTK和MFC設(shè)計(jì)了一款橈骨等級(jí)評(píng)定軟件，實(shí)現(xiàn)了橈骨等級(jí)80至等級(jí)84的計(jì)算機(jī)評(píng)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，該系統(tǒng)的平均準(zhǔn)確率達(dá)到85.2%，具有可擴(kuò)展性和易用性的特點(diǎn)，豐富了計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

中華05；骨齡；計(jì)算機(jī)；圖像處理

1 前言

骨齡是評(píng)價(jià)生物年齡的理想指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、體育和司法鑒定等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，骨齡主要用于內(nèi)分泌和生長(zhǎng)發(fā)育性疾病的診治[6]以及脊柱矯正、下肢均衡等外科手術(shù)[20]。在體育領(lǐng)域，骨齡主要用于杜絕年齡造假現(xiàn)象，規(guī)范比賽秩序[3,13]；確定運(yùn)動(dòng)員發(fā)育水平，制定科學(xué)的訓(xùn)練手段[18,19]；作為運(yùn)動(dòng)員選材的指標(biāo)，選拔體育運(yùn)動(dòng)人才[16]。在司法鑒定領(lǐng)域，骨齡主要用于鑒定犯罪嫌疑人或者死者的年齡，為判刑提供參考[9]。

評(píng)定骨齡必須依賴于一個(gè)科學(xué)客觀的評(píng)定方法，骨齡評(píng)定方法在一百多年的發(fā)展歷程中，大致經(jīng)歷了重點(diǎn)位置觀察法、計(jì)測(cè)法[35]、圖譜法[24,29]、計(jì)分法[26]和計(jì)算機(jī)評(píng)定法[22,34,38]等方法的演變，由人工評(píng)定到計(jì)算機(jī)輔助評(píng)分，并向計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量、處理和分析的方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的骨齡評(píng)定方法主要是人工評(píng)判，其中重點(diǎn)位置觀察法和計(jì)測(cè)法是最早的骨齡評(píng)定方法，由于標(biāo)準(zhǔn)化困難，已經(jīng)被淘汰。目前常用的方法是圖譜法和計(jì)分法，需要專業(yè)人員經(jīng)過培訓(xùn)，熟練掌握骨的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律和評(píng)判規(guī)則后評(píng)定骨齡。傳統(tǒng)的骨齡評(píng)定方法具有兩大缺點(diǎn)，一是主觀性強(qiáng)，不同評(píng)判者對(duì)同一骨齡X片評(píng)定結(jié)果不一樣，同一評(píng)判者不同時(shí)間兩次評(píng)定同一張骨齡X線片的結(jié)果也不一樣；二是評(píng)定具有復(fù)雜性，整個(gè)評(píng)定過程比較繁瑣，指標(biāo)多，耗時(shí)長(zhǎng)，需要經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練有專業(yè)知識(shí)背景的人使用，而且久不讀片容易生疏。

20世紀(jì)50年代起，數(shù)字技術(shù)不斷發(fā)展和應(yīng)用，有些研究者開始嘗試讓計(jì)算機(jī)具有類似人類視覺系統(tǒng)的功能來理解圖像，客觀地評(píng)定骨齡[37]。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的不懈努力，國(guó)外研究者已經(jīng)在圖像分割、特征提取等骨齡識(shí)別的研究中取得一些有價(jià)值的成果[23,25,40]。進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡的相關(guān)研究不斷發(fā)展，但是，距離實(shí)現(xiàn)一個(gè)成熟而實(shí)用的骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)定系統(tǒng)還有差距，總結(jié)如下[2,8,12,14-15]：1)樣本量小。采用小樣本難以涵蓋骨骼變化的所有情況，而且小樣本會(huì)使計(jì)算機(jī)出現(xiàn)過學(xué)習(xí)現(xiàn)象。2)圖像質(zhì)量差。中國(guó)研究者使用的骨齡圖像存在干擾信息多，分辨率低等問題，難以達(dá)到生物醫(yī)學(xué)工程要求。國(guó)際上使用DICOM圖像格式，DICOM是醫(yī)學(xué)圖像文件格式，像素可達(dá)到4 000以上，分辨率高，包含的信息量大，更有利于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別。3)骨齡知識(shí)欠缺。研究者不是專業(yè)的骨齡判讀人員，難以準(zhǔn)確理解骨齡等級(jí)的意義。4)依據(jù)舊版骨齡標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)現(xiàn)行的骨齡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是中華05，而目前國(guó)內(nèi)骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)定系統(tǒng)的研究依據(jù)中國(guó)20世紀(jì)80年代標(biāo)準(zhǔn)CHN或英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)TW3，限制了骨齡評(píng)定的準(zhǔn)確性。

基于中國(guó)骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)定系統(tǒng)研究所面臨的挑戰(zhàn)，本文依據(jù)CHN05骨齡標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，使用數(shù)字骨齡X線片的DICOM圖像，選擇權(quán)重大，背景豐富，等級(jí)變化復(fù)雜的橈骨作為研究對(duì)象，探討橈骨的計(jì)算機(jī)特征，研制橈骨骨齡80～84級(jí)骨發(fā)育特征計(jì)算機(jī)提取與識(shí)別系統(tǒng)，為將來計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

以250名骨齡15～19歲青少年的左手腕后前位數(shù)字X線片的DICOM圖像為研究對(duì)象，所有圖像均無性別、年齡標(biāo)識(shí)。

2.2 手腕部數(shù)字X線片的圖像采集、讀取與分組

采用北京體育大學(xué)和航天部中興醫(yī)療科技有限公司共同研發(fā)的低輻射SHJ-1手腕骨數(shù)字X光機(jī)，投射劑量50～60 kv、25 mA，曝光時(shí)間0.2～0.5 s，自動(dòng)對(duì)焦拍攝包括手部掌骨、指骨、腕骨以及橈尺骨遠(yuǎn)側(cè)骨干3～4 cm的正位12寸數(shù)碼X線片，被試者左手掌面向下，四指自然張開，拇指和食指約成30°，中指與前臂成一直線，平放并貼緊拍攝平面，采集投射點(diǎn)正確，沒有缺失骨骺，手部位置擺放正確的DICOM格式圖像。

邀請(qǐng)兩名由國(guó)家體育總局認(rèn)證的骨齡評(píng)判師分別單獨(dú)使用中華05計(jì)分法評(píng)定橈骨骨齡等級(jí)并記錄，如果等級(jí)不一致，重新評(píng)定。根據(jù)評(píng)定結(jié)果，將研究對(duì)象分成80、81、82、83、84五個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)50張圖像。

2.3 手腕部數(shù)字X線片的圖像預(yù)處理

由于原始的X線圖像與放射科醫(yī)生閱讀的X線圖像亮暗不一致，不符合醫(yī)生的閱片習(xí)慣，且手腕骨的生長(zhǎng)發(fā)育細(xì)節(jié)顯示不夠清晰，因此需要對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度調(diào)整，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，突出圖像中的目標(biāo)骨骼，為圖像分割工作做準(zhǔn)備。使用灰度變換函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像灰度調(diào)整，如式(1)所示。

g(x,y)=T[f(x,y)]

(1)

其中，f(x,y)是輸入圖像，g(x,y)是處理后的圖像，T是在點(diǎn)(x,y)鄰域上定義的一種算子。圖1(a)顯示了一幅原始圖像，經(jīng)過反轉(zhuǎn)變換后的圖像如圖1(b)所示。

圖1 手腕骨的反轉(zhuǎn)變換圖像

手腕骨X線圖像中除了橈骨之外，還包含指骨、掌骨、尺骨以及肌肉等組織，為了減少分割算法的運(yùn)算量，提高分割效率，需要在橈骨分割之前，將橈骨的大致圖像裁剪出來。采用鼠標(biāo)左鍵單擊的交互方式定位橈骨骨骺的大致位置，此時(shí)在圖像中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)以該點(diǎn)為中心，大小為260×160像素的外接矩形模板，模板內(nèi)的灰度值設(shè)置為0，模板外的灰度值設(shè)置為1，最后將X光圖像和外接矩形模板，根據(jù)式(2)進(jìn)行掩模運(yùn)算即可得到橈骨的待分割圖像，如圖2所示。

(2)

其中，D(x,y)是掩模運(yùn)算后的圖像數(shù)據(jù)，I(x,y)是原圖像數(shù)據(jù)，M(x,y)是外接矩形模板數(shù)據(jù)。

2.4 手腕部數(shù)字X線片的橈骨分割

采用區(qū)域生長(zhǎng)與最大類間方差法結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)橈骨初步分割，運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算填充邊緣的不平滑區(qū)域，從而得到最終的橈骨分割圖像。算法流程如圖3所示。

圖4(a)顯示了一幅待分割圖像，通過最大類間方差法和區(qū)域生長(zhǎng)得到初始的橈骨模板，如圖4(b)，由于橈骨的骨密度存在差異，初始的橈骨模板邊緣有一些細(xì)小空洞，為此需要進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算填充這些空洞，得到最終的橈骨模板，如圖4(c)；將原圖像與橈骨模板進(jìn)行掩模運(yùn)算就可得到橈骨分割圖像，如圖4(d)。

圖2 圖像的裁剪

圖3 橈骨分割算法流程示意圖

圖4 基于區(qū)域生長(zhǎng)和最大類間方差法的橈骨分割圖

2.5 手腕部數(shù)字X線片的橈骨特征提取

特征提取是將人類自然語(yǔ)言所描述的橈骨8級(jí)特征進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的過程。本文選取的骨發(fā)育等級(jí)特征值為灰度特征、紋理特征以及融合率。

2.5.1 灰度特征

手腕部數(shù)字X線片圖像中不同融合程度的橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域的灰度特征不同，當(dāng)圖像中的骨骺與骨干未融合時(shí)，橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域存在重影，表現(xiàn)為高亮區(qū)域，如圖5(a)所示；融合過程中，該高亮區(qū)域逐漸減小直到消失或者變成一條致密線，即骺線，如圖5(b)所示。針對(duì)圖像中不同融合程度的橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域，其在灰度特征上存在差異，因此，選擇灰度均值、灰度方差和灰度標(biāo)準(zhǔn)差作為橈骨特征提取指標(biāo)。計(jì)算公式為：

圖5 同融合程度的橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域

1.灰度均值，計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

灰度均值是橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域中所有灰度的灰度平均值，反映了該區(qū)域內(nèi)圖像的亮暗程度。其中，(x,y)屬于橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域R內(nèi)的像素點(diǎn)集，Value(x,y)表示該像素點(diǎn)的灰度值，N表示橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域的像素點(diǎn)總個(gè)數(shù)。

2.灰度方差，計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

灰度方差是橈骨生長(zhǎng)板區(qū)域中的灰度值與灰度均值偏差的度量，反映了區(qū)域灰度變化的強(qiáng)烈程度。若區(qū)域灰度變化強(qiáng)烈，灰度方差大；反之，灰度方差小。

3.灰度標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

灰度標(biāo)準(zhǔn)差是灰度方差的算術(shù)平方根，同樣反映了區(qū)域灰度變化的強(qiáng)烈程度。

2.5.2 紋理特征

采用灰度共生矩陣法分析圖像紋理特征，從共生矩陣中提取出可以表征圖像內(nèi)容的統(tǒng)計(jì)量，包括能量、慣量、逆差距和熵。

1.能量，計(jì)算公式如式(6)所示。

(6)

能量是圖像紋理灰度分布均勻的度量，反映了圖像灰度變化的均勻程度和紋理粗細(xì)程度。均勻區(qū)的能量值大，非均勻區(qū)的能量值小。

2.慣量，計(jì)算公式如式(7)所示。

(7)

慣量又稱反差，由于是給P(d,θ)(i,j)加權(quán)，強(qiáng)調(diào)大灰度變化的作用，因此該特征對(duì)非均勻區(qū)的局部對(duì)比度敏感。非均勻區(qū)的慣量值大，均勻區(qū)的慣量值小。

3.逆差距，計(jì)算公式如式(8)所示。

(8)

逆差距又稱局部平穩(wěn)，是圖像紋理局部變化的度量，能表征紋理的規(guī)則程度。若紋理規(guī)則，逆差距值大；反之，逆差距值小。

4.熵，計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

熵是圖像內(nèi)容隨機(jī)性的度量，反映了圖像中紋理的復(fù)雜程度或非均勻程度。紋理越復(fù)雜，F(xiàn)4越大；反之亦然。

2.5.3 融合率

通過骨骺與骨干融合的解剖學(xué)特點(diǎn)可知，骺軟骨板是否骨化是衡量骨骺與骨干融合的主要因素。骺軟骨板骨化，則骨骺與骨干融合；反之，則未融合。在X光圖像中，骺軟骨板的影像表現(xiàn)為一條黑色暗帶，灰度值相對(duì)較小，如圖6(a)所示。逐列掃描橈骨生長(zhǎng)板圖像的灰度值作列灰度變化曲線發(fā)現(xiàn)：若掃描當(dāng)前列中包含黑色暗帶，則該列灰度變化曲線中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的灰度波谷，如圖6(b)所示；反之，則該列灰度變化曲線中的灰度變化比較平緩，如圖6(c)所示。

圖6 橈骨生長(zhǎng)板的灰度變化曲線圖

根據(jù)橈骨生長(zhǎng)板圖像灰度變化的特點(diǎn)，本文將融合率作為新的骨齡特征，以進(jìn)一步描述骨骺與骨干的融合程度。其提取方法是統(tǒng)計(jì)圖像中連續(xù)出現(xiàn)灰度波谷的列數(shù)以及灰度總列數(shù)，代入計(jì)算公式(10)即可得到。其中，Col表示橈骨生長(zhǎng)板圖像中連續(xù)出現(xiàn)灰度波谷的列數(shù)，ColSum表示橈骨生長(zhǎng)板圖像的總列數(shù)。判斷灰度波谷的算法流程如圖7所示。

圖7 灰度波谷判定算法流程圖

(10)

根據(jù)中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)8級(jí)表述，Rec在一定程度上反映了骨骺與骨干的融合程度。Rec與橈骨骨齡等級(jí)的關(guān)系如表1所示。

表1 Rec與橈骨骨齡等級(jí)的關(guān)系對(duì)照表

2.6 手腕部數(shù)字X線片的橈骨等級(jí)評(píng)定

本系統(tǒng)選擇歐氏距離作為距離度量、多數(shù)表決作為分類決策規(guī)則，構(gòu)建了一個(gè)近鄰分類器應(yīng)用于橈骨等級(jí)評(píng)定，等級(jí)評(píng)定流程如圖8所示。

圖8 基于k近鄰的橈骨等級(jí)評(píng)定流程圖

2.7 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用ROC曲線檢驗(yàn)本系統(tǒng)的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確率(曲線下面積)。ROC曲線下面積為0.5～0.7表示準(zhǔn)確率較低，0.7～0.9表示準(zhǔn)確率中等，0.9以上表示準(zhǔn)確率較高。

3 研究結(jié)果

3.1 系統(tǒng)的集成環(huán)境搭建與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)行于Windows 7操作平臺(tái)，結(jié)合ITK、VTK和MFC，使用C++語(yǔ)言，通過VS2010編程實(shí)現(xiàn)。其中，采用MFC完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，采用ITK和VTK作為開發(fā)平臺(tái)，ITK用來讀取醫(yī)學(xué)圖像，并對(duì)讀取的圖像進(jìn)行處理，VTK用來顯示ITK處理后的醫(yī)學(xué)圖像。

軟件界面的設(shè)計(jì)采用一檔多視的模式，在單個(gè)文檔窗口中包含與多個(gè)視圖類相對(duì)應(yīng)的視圖對(duì)象，以滿足用戶對(duì)不同視圖的需求。

界面分成主控制區(qū)、手腕骨X光圖像顯示區(qū)、橈骨分割圖像顯示區(qū)和擴(kuò)展區(qū)4個(gè)區(qū)域。實(shí)現(xiàn)顯示調(diào)節(jié)圖像、圖像分割、等級(jí)評(píng)定和系統(tǒng)擴(kuò)展等功能。

3.2 系統(tǒng)的功能概述

橈骨骨齡8級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)由圖像讀取模塊、圖像顯示模塊、圖像交互模塊、圖像分割模塊、等級(jí)評(píng)定模塊等多個(gè)功能模塊組成，其整體設(shè)計(jì)框圖如圖9所示，主要功能有：

1.讀入并顯示DICOM數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)庫(kù)或者文件讀入被測(cè)者的骨齡圖像，并對(duì)讀入的圖片進(jìn)行渲染。

2.調(diào)整圖像大小及對(duì)比度：滑動(dòng)鼠標(biāo)滾輪可以放大、縮小圖像；按住鼠標(biāo)左鍵，然后移動(dòng)鼠標(biāo)可以調(diào)節(jié)圖像的窗位、窗寬；同時(shí)按下鼠標(biāo)左鍵和鍵可以平移圖像；按下鍵可以重置圖像的窗位、窗寬。在實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)手腕骨X光圖像的縮放、平移以及調(diào)節(jié)窗位窗寬等交互，可以幫助骨齡工作人員清晰地觀察到骨骼的發(fā)育細(xì)節(jié)，從而進(jìn)行橈骨等級(jí)的準(zhǔn)確評(píng)定

圖9 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

3.分割橈骨：采用鼠標(biāo)左鍵單擊的交互方式定位橈骨骨骺的大致位置，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算定位點(diǎn)的坐標(biāo)和像素值并分割橈骨骨骺部分。

4.提取特征：采用鼠標(biāo)左鍵單擊的交互方式,完成特征提取與計(jì)算，并顯示特征值。

5.分割位置編輯和特征值更新：用戶對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)分割的橈骨骨骺部分進(jìn)行檢查和確認(rèn)，如果不滿意，通過交互編輯方式，按住鼠標(biāo)左鍵建立一個(gè)包含橈骨骨骺的矩形框，系統(tǒng)重新分割，同時(shí)更新分割區(qū)域的特征值。

6.評(píng)定等級(jí)：采用鼠標(biāo)左鍵單擊的交互方式,計(jì)算橈骨骨齡等級(jí)。

7.測(cè)量結(jié)果輸出：系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果保存為XML文件或EXCEL文件。

3.3 執(zhí)行流程

采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)骨骼等級(jí)評(píng)定，存在兩個(gè)主要問題：一是，如何對(duì)待測(cè)圖像中的目標(biāo)骨骼進(jìn)行有效分割；二是，如何將骨骼各等級(jí)描述準(zhǔn)確地翻譯成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行特征提取。因此，目標(biāo)骨骼的等級(jí)計(jì)算機(jī)評(píng)定流程如圖10所示。

圖10 目標(biāo)骨骼的等級(jí)計(jì)算機(jī)評(píng)定流程圖

Figure 10. The Flow Diagram of Bone's Automatic Rating

系統(tǒng)首先從文件或者數(shù)據(jù)庫(kù)讀入一個(gè)被測(cè)者的骨齡圖像數(shù)據(jù)；用戶用鼠標(biāo)左鍵單擊的交互方式定位橈骨骨骺大致位置，單擊結(jié)合區(qū)分割按鈕，系統(tǒng)分割橈骨；用戶通過交互界面調(diào)整圖像大小和對(duì)比度，如果對(duì)系統(tǒng)分割的橈骨骨骺不滿意，可以建立矩形框，自行定位橈骨骨骺；用戶單擊特征計(jì)算按鈕，系統(tǒng)根據(jù)分割后得到的橈骨骨骺，完成特征提取，并顯示特征數(shù)據(jù)；用戶單擊骨齡評(píng)估按鈕，系統(tǒng)計(jì)算橈骨骨齡等級(jí)；測(cè)量項(xiàng)目的結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。圖像的交互模塊是自動(dòng)評(píng)價(jià)骨齡等級(jí)的有效補(bǔ)充，提高了有效分割目標(biāo)骨骼和特征提取的精確度。

4 結(jié)果分析

選取樣本以外手腕部數(shù)字X線片DICOM圖像，由兩名骨齡評(píng)判師使用中華05評(píng)定橈骨等級(jí)，從中選出80、81、82、83、84等級(jí)各40張，使用本系統(tǒng)再評(píng)定一次橈骨等級(jí)，將人工評(píng)判結(jié)果作為金標(biāo)準(zhǔn)，采用ROC曲線檢驗(yàn)每個(gè)等級(jí)的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確率，結(jié)果如表2和圖11所示。

表2 橈骨骨齡80～84級(jí)ROC曲線結(jié)果

目前世界上沒有得到廣泛認(rèn)可的骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但是關(guān)于骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究各國(guó)均有報(bào)道，報(bào)道中所選擇的手腕骨評(píng)價(jià)部位不一，采用的數(shù)字圖像處理技術(shù)也不相同。近年來國(guó)外研究者提出各種的圖像處理技術(shù)得到的骨齡評(píng)定系統(tǒng)的準(zhǔn)確率范圍為63%～94%[21,27,28,30-33,36,39]，僅見一例報(bào)道的準(zhǔn)確率為99%[39]，但是未見有重復(fù)性的驗(yàn)證報(bào)道。大部分國(guó)外研究者提出的方法需要人工標(biāo)記，且由于種族、生活環(huán)境等差異，并不適合我國(guó)兒童青少年的發(fā)育狀況。

我國(guó)的骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)起步較晚，仍處在研究階段，圖像分割的技術(shù)成果較為成熟，分割準(zhǔn)確率達(dá)到86.7%和93.3%[4,5,10,17],基于CHN骨齡標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)評(píng)價(jià)系統(tǒng)準(zhǔn)確率分別報(bào)道為71.4%、84.5%和91.0%[1,11,7]。

本系統(tǒng)的平均準(zhǔn)確率達(dá)到85.2%，稍稍低于以往研究，主要原因是骨齡評(píng)價(jià)方法離不開骨齡標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)定方法依據(jù)不同的骨齡標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)評(píng)定骨齡準(zhǔn)確率不同。國(guó)外依據(jù)的TW計(jì)分法骨齡標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)依據(jù)的CHN骨齡標(biāo)準(zhǔn)的橈骨最多分10個(gè)等級(jí)，橈骨8級(jí)等級(jí)最多分開始融合、融合1/2和融合全，等級(jí)少，容易區(qū)分。我國(guó)現(xiàn)行的骨齡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CHN05，在TW3基礎(chǔ)上將骨骺的等級(jí)細(xì)化，比TW3 原有的等級(jí)更多，橈骨變成14個(gè)等級(jí)，CHN05的這種骨骺等級(jí)細(xì)化特點(diǎn)在國(guó)外也是沒有的，因此增加了我國(guó)骨齡自動(dòng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究難度。

本系統(tǒng)80級(jí)的準(zhǔn)確率最高，82和83級(jí)的準(zhǔn)確率最低。這是因?yàn)槭艿綐锕墙馄蕦W(xué)結(jié)構(gòu)的限制。根據(jù)中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)對(duì)80～84級(jí)的描述，即80級(jí)為開始融合，81級(jí)融合1/4，82級(jí)融合1/2，83級(jí)融合3/4，84級(jí)融合全，本系統(tǒng)所提取的特征是骨骺與骨干之間的生長(zhǎng)板鈣化情況，骨骺與骨干剛開始融合時(shí)，生長(zhǎng)板出現(xiàn)鈣化點(diǎn)，此時(shí)鈣化點(diǎn)呈白亮色，而其他沒有鈣化的部分為黑色，黑白分明，80級(jí)區(qū)分度明顯；隨著骨骺的生長(zhǎng)，逐漸從四周包住骨干，此時(shí)骨骺與骨干在圖像上出現(xiàn)重疊，重疊的部分骨密度增加，在圖像上的顏色介于黑色和白色之間，隨著生長(zhǎng)板變細(xì)變小，顏色逐漸變白，與白亮色接近，干擾了計(jì)算機(jī)的評(píng)定，82和83級(jí)準(zhǔn)確率降低。

圖11 橈骨骨齡80～84級(jí)ROC曲線圖

在研究方法上，本系統(tǒng)提出了一種基于現(xiàn)行骨齡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中華05的橈骨等級(jí)評(píng)定方法，采用無年齡、性別、編號(hào)、光線等噪聲干擾的DICOM圖像，首先對(duì)手腕骨X光圖像進(jìn)行了預(yù)處理，包括圖像灰度變換、圖像裁剪操作，從而獲得了橈骨的大致圖像；然后根據(jù)橈骨圖像的特征，對(duì)圖像進(jìn)行分塊處理，采用區(qū)域生長(zhǎng)法與最大類間方差法結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)手腕骨X光圖像中橈骨的有效分割；選取了灰度均值、灰度方差、灰度標(biāo)準(zhǔn)差、能量、慣量、逆差距、熵以及融合度作為骨齡特征參數(shù)；設(shè)計(jì)k近鄰分類器對(duì)骨齡特征數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)分類實(shí)驗(yàn)，并且結(jié)合ITK、VTK和MFC設(shè)計(jì)了一款橈骨等級(jí)評(píng)定軟件，實(shí)現(xiàn)了橈骨等級(jí)80至等級(jí)84的計(jì)算機(jī)評(píng)定。

但是骨齡的計(jì)算機(jī)識(shí)別是一項(xiàng)復(fù)雜的研究課題，本系統(tǒng)仍然具有局限性，首先中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)中橈骨包含14個(gè)等級(jí)，本文僅針對(duì)橈骨中華05骨齡80～84級(jí)進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于其余等級(jí)仍然有待研究。其次，計(jì)算機(jī)評(píng)定過程中需要用戶單擊鼠標(biāo)左鍵交互方式完成圖像分割、特征提取和骨齡評(píng)定，沒有達(dá)到完全自動(dòng)化。最后，82和83級(jí)準(zhǔn)確率有待提高。

在今后研究中，骨齡專業(yè)人員可以先通過對(duì)橈骨的變化特征研究，尋找更多的橈骨發(fā)育特征，特征越多，越有利于計(jì)算機(jī)識(shí)別；在計(jì)算機(jī)技術(shù)方面，尋找計(jì)算機(jī)全自動(dòng)識(shí)別和骨齡的圖像處理技術(shù)是關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和相關(guān)理論的不斷完善，骨齡計(jì)算機(jī)評(píng)定系統(tǒng)必然向處理算法更優(yōu)化，處理速度更快，圖像分割、處理和識(shí)別更智能的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

橈骨骨齡等級(jí)評(píng)定系統(tǒng)依據(jù)中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)基于手腕部數(shù)字X線片DICOM圖像，實(shí)現(xiàn)了橈骨骨齡80～84級(jí)的計(jì)算機(jī)評(píng)定，準(zhǔn)確率達(dá)到了80%以上，豐富了骨齡評(píng)定系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

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Design of Computerized Assessment System for Radius Bone Age Grades according to CHN05

ZHU Xiang-yu1,OU Yang-bin2,LUO Dong-mei1,LIU Jie2

Based on the CHN05 and the bone age images in DICOM format,this paper designs and implements computerized assessment system for radius bone age grades.Firstly,the system automatically preprocess the digital X-ray image of the hand and wrist,secondly,the system propose a radius segmentation algorithm based on region growth method integrated with OTSU method,thirdly the system select partial representative gray feature and texture feature and propose fusion rate as a new feature at first,which is used the parameter of bone age feature,and then a classification experiment for radius grade was implemented with K Nearest Neighbor classifier,a radius rating system platform is established based on ITK、VTK and MFC and implements to rate radius from 80grade to 84grade.The results show that the average accuracy of the system is85.2%,the system is characterized by the scalability,usability and automatic measurement,this paper enrich the computer application research of bone age evaluation system.

CHN05;boneage;computer;imageprocessing

1000-677X(2016)09-0059-07

10.16469/j.css.201609009

2016-05-24；

2016-08-26

北京體育大學(xué)校自主課題(2016BS012)。

朱翔宇(1988-)，女，內(nèi)蒙古人，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)閮和嗌倌晟L(zhǎng)發(fā)育與健康促進(jìn)、骨齡與運(yùn)動(dòng)員科學(xué)選材，E-mail:116491992@qq.com；歐陽(yáng)斌(1990-)，男，江西人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息與技術(shù)；羅冬梅(1961-)，女，北京人，教授，博士，主要研究方向?yàn)閮和嗌倌晟L(zhǎng)發(fā)育與健康促進(jìn)，Email:dmluo02@sina.com；劉杰(1963-)，男，北京人，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息與技術(shù)。

1.北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，北京100084；2.北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)信息與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044 1.Beijing Sport University,Beijing 100084,China;2.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China.

G804.4

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