計算機評定骨齡過程及發(fā)展

卞 洪

(天津體育科研所青少年骨齡測試室 天津300074)

計算機評定骨齡過程及發(fā)展

卞 洪

(天津體育科研所青少年骨齡測試室 天津300074)

骨齡評分法的量化特點便于計算機輔助。針對計算機在骨齡中的應(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)育變化測定的體格發(fā)育年齡，是青少年體格發(fā)育的重要指標。骨骼發(fā)育到成年時，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)育過程中，骨骼的骨化速度及骨骺與干骺端閉合的時間以及形態(tài)的發(fā)展變化都是有一定規(guī)律的，通過X線研究，可以制定出判別骨成熟程度及正常與異常生長的骨齡標準。骨齡是評價兒童生長發(fā)育、預(yù)測身高、疾病診斷的重要指標，對于國民體質(zhì)監(jiān)測、運動員選拔都是不可或缺的手段。目前，骨齡評估已廣泛應(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)人類學(xué)等領(lǐng)域。

骨齡的測定都是利用骨的 X線攝片、根據(jù)骨發(fā)育的X線征像，即成熟標志測定的。19世紀末，Boas首次提出生長速率的概念。在發(fā)現(xiàn)如何用 X射線攝片后不久，學(xué)者們很快將此概念和技術(shù)用于骨發(fā)育的研究，對骨齡的測定方法進行了長期探索和不斷的改進。骨齡評分法指標多、參數(shù)多，人工評定比較繁瑣費時，在不同讀片者之間、同一讀片者前后之間，都可能會有差別，久不讀片還容易生疏。因此，諸多因素決定了對骨齡評價自動化的迫切需要。結(jié)合圖像處理、圖像識別以及計算機視覺等學(xué)科知識的計算機輔助骨齡自動評價系統(tǒng)應(yīng)運而生。

2 方法

計算機對骨齡評分 CASAS(Computer Assisted Skeletal Age Scores)以數(shù)字化信息技術(shù)和分類統(tǒng)計方法，進行計算機圖像分析得出結(jié)果。

2.1 原理

通過數(shù)據(jù)化處理，將 X線片原圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，進行數(shù)字分析，具體包括數(shù)字化處理、模版創(chuàng)建、圖像分類等原理。

2.1.1 數(shù)字化處理

將圖像分成 512×512個點，即像素，提供圖像的光分布狀態(tài)，即位置信息，每一個像素又可分成256個灰度，提供不同區(qū)點的光亮度信息。從原圖像變換為數(shù)字圖像，傅里葉變換是廣泛用于計算機圖像處理和生物統(tǒng)計的方法，以下簡稱為系數(shù)，用于表達數(shù)字圖像的仿真性，其計算公式是：

式中：A0為常數(shù)，t代表線上的抽樣點，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線片圖像有64個灰度即能分辨出從一個像素到另一個像素的密度變化，即k＝64可達到要求。利用二維傅里葉變換，64個灰度可諧和即仿真1條水平線，這種水平線有64條垂直重疊，但x向與 y向是對稱的，故將會得到(64/2)×(64/2)＝1,024個獨特的圖像系數(shù)。在實際應(yīng)用時，許多系數(shù)是 0，故可將重要的系數(shù)包含在一個易管理的子集里。理論上，這些系數(shù)可以表達圖像的變化比率，故利用一張 X線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 X線片原圖的各像素平均系數(shù)，則可重建該類的平均圖像。

2.1.2 模版創(chuàng)建

利用傅里葉系數(shù)建立一個標準的數(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)育分期的標準 X線片原圖，通過上述數(shù)字化處理建立每一期的平均圖像。該組標準 X線片有 130張，是 TW2骨齡評分法原創(chuàng)者所保存的原標準X線片，其分期已經(jīng)過反復(fù)認可，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，作為標準圖即模版圖。

2.1.3 圖像分類

根據(jù)傅里葉系數(shù)分類。例如，以 TW2或 TW3法判斷各骨的骨發(fā)育期時，將待檢的X線片數(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。計算機分類運算的具體過程比較復(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)的根均方差即標準差表示，計算式為：

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列各位置的各項離均差的平方相加，即為離均差平方和，分母 642表示項目的總數(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得到的該期系數(shù)標準差，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)標準差(RMSEj)，其中標準差最小者，即為待檢骨最接近的骨發(fā)育期。以此類推，可得到待檢片各骨與相應(yīng)骨各期模板比較的標準差(RMSEij)，進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，計算該 5期 RMSE的均數(shù)(x)和標準差(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)：通過曲線擬合，以數(shù)字表示最終評定的骨發(fā)育期。首先，計算上述 5期縱坐標高度的概率密度 Wj，它反映各期對最終評定結(jié)果的份量或“貢獻”大小：

式中：X－(RMSEj－x)/s，為標準正態(tài)隨機變量，它表示各期距均數(shù)的遠近，越遠份量(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，其均數(shù)即為最終評定的期，用數(shù)字表示，如7.26期。

以上運算步驟說明，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)計方法，綜合與待檢骨相似的 5期的貢獻大小，得出最終評定的期數(shù)。而人工評定時，將骨發(fā)育各期依次編號為A期、B期、C期……只根據(jù)待檢骨與各期特征“像與不像”，得出最終評定的期號。表 1以評定某骨發(fā)育期為例，說明二者評定方式的區(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，人工評定為D期為完全相像，而計算機評定為4期最像，其次為 5期、3期，再其次為 2期、6期，最后綜合評定為 4.25期(D＋)。由此可見，人工評定方式是一種理想的方式，但實際情況常常是沒有完全像、只有不同程度像，故更符合計算機評定方式。

表1 人工評定和計算機評定的區(qū)別Tab.1 Contrast between artificial assessment and computer assessment

2.2 操作方法

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

①置左手腕部 X線片于一專門設(shè)計的燈光盒上。②逐個骨獲取X線片圖像于相應(yīng)的框架內(nèi)，由高分辨單色視頻相機連接微電腦內(nèi)的一框架緩沖器，以每秒 30次的速度重建圖像。這是一種實時圖像獲取系統(tǒng)，從橈骨遠端開始，按一定順序逐個骨進行圖像獲取，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線片該骨部位圖像被獲取在此模板框架內(nèi)，以備分析。簡而言之，通過移動 X 線片、調(diào)節(jié)焦距、選取骨的期模板圖，達到以正確位置獲取圖像的目的。③計算機圖像處理，如圖像信息的增益和過濾等。④計算機圖像分析，即利用傅里葉系數(shù)進行分類，得出待檢各骨的期數(shù)。⑤根據(jù)合計骨發(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，前者指觀察者內(nèi)符合率大小，以同一人在前后相隔足夠長時間的兩次對同一X線片分期結(jié)果的符合或不符合率表示；后者指觀察者間符合率大小，以不同人分別對同一X線片分期結(jié)果的符合或不符合率表示。某些研究對 CASAS和人工閱片的分期結(jié)果的可靠性和有效性進行了比較，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線片，數(shù)字化圖像由 X線攝像器械生成并直接輸入到 CASAS計算機內(nèi)，自動調(diào)節(jié)圖像位置，選取相應(yīng)期模板，評定骨齡發(fā)育期，直至得出各項結(jié)果。作為最新產(chǎn)品，數(shù)字化CASAD對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自動報警。

4 結(jié) 語

骨齡評分法是計算機評定骨齡的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)，它促進了后者的發(fā)展，而計算機評定骨齡也反過來促進了骨齡評分法的發(fā)展，使骨齡評定技術(shù)達到新的水平，趕上信息時代的步伐。該方法避免了繁瑣、費時、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分法。數(shù)字化信息技術(shù)將骨發(fā)育過程從過去斷續(xù)的期變?yōu)檫B續(xù)的數(shù)，即從期號變成期數(shù)，從原理上將量化程度提高到前所未有的水平，實際對比研究結(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