计算机评定骨龄过程及发展

卞 洪

(天津体育科研所青少年骨龄测试室 天津300074)

计算机评定骨龄过程及发展

卞 洪

(天津体育科研所青少年骨龄测试室 天津300074)

骨龄评分法的量化特点便于计算机辅助。针对计算机在骨龄中的应用，从数据化处理、模板创建、操作方法等几方面做出初步讨论与研究，指出数字化信息技术的应用使骨龄测定的可靠性和有效性得到了明显提高。

数字化处理 模板 CASAS

1 概述

骨龄是骨骼发育变化测定的体格发育年龄，是青少年体格发育的重要指标。骨骼发育到成年时，骨骼重量占体重(body weight)的 14%，高度占身高(body height)的 97%～98%。因此骨骼发育是人体最重要的体格发育。正常人体在骨骼发育过程中，骨骼的骨化速度及骨骺与干骺端闭合的时间以及形态的发展变化都是有一定规律的，通过X线研究，可以制定出判别骨成熟程度及正常与异常生长的骨龄标准。骨龄是评价儿童生长发育、预测身高、疾病诊断的重要指标，对于国民体质监测、运动员选拔都是不可或缺的手段。目前，骨龄评估已广泛应用于临床医学、预防医学、生物学、体育科学、法医人类学等领域。

骨龄的测定都是利用骨的 X线摄片、根据骨发育的X线征像，即成熟标志测定的。19世纪末，Boas首次提出生长速率的概念。在发现如何用 X射线摄片后不久，学者们很快将此概念和技术用于骨发育的研究，对骨龄的测定方法进行了长期探索和不断的改进。骨龄评分法指标多、参数多，人工评定比较繁琐费时，在不同读片者之间、同一读片者前后之间，都可能会有差别，久不读片还容易生疏。因此，诸多因素决定了对骨龄评价自动化的迫切需要。结合图像处理、图像识别以及计算机视觉等学科知识的计算机辅助骨龄自动评价系统应运而生。

2 方法

计算机对骨龄评分 CASAS(Computer Assisted Skeletal Age Scores)以数字化信息技术和分类统计方法，进行计算机图像分析得出结果。

2.1 原理

通过数据化处理，将 X线片原图转换为数字图像，进行数字分析，具体包括数字化处理、模版创建、图像分类等原理。

2.1.1 数字化处理

将图像分成 512×512个点，即像素，提供图像的光分布状态，即位置信息，每一个像素又可分成256个灰度，提供不同区点的光亮度信息。从原图像变换为数字图像，傅里叶变换是广泛用于计算机图像处理和生物统计的方法，以下简称为系数，用于表达数字图像的仿真性，其计算公式是：

式中：A0为常数，t代表线上的抽样点，n代表从1到k的灰度，k代表得到最大程度变换即谐和的灰度。随着 k值增加，转换的精确度增加，重建图像的仿真性增加。用于骨的X线片图像有64个灰度即能分辨出从一个像素到另一个像素的密度变化，即k＝64可达到要求。利用二维傅里叶变换，64个灰度可谐和即仿真1条水平线，这种水平线有64条垂直重叠，但x向与 y向是对称的，故将会得到(64/2)×(64/2)＝1,024个独特的图像系数。在实际应用时，许多系数是 0，故可将重要的系数包含在一个易管理的子集里。理论上，这些系数可以表达图像的变化比率，故利用一张 X线片原图的各像素系数，可将原图重建于屏幕上，而利用一类 X线片原图的各像素平均系数，则可重建该类的平均图像。

2.1.2 模版创建

利用傅里叶系数建立一个标准的数字图像样本，以供比较。例如，TW2和TW3的骨发育模板，就是利用一组骨发育分期的标准 X线片原图，通过上述数字化处理建立每一期的平均图像。该组标准 X线片有 130张，是 TW2骨龄评分法原创者所保存的原标准X线片，其分期已经过反复认可，故被作为骨发育分期的“真像”。将这些图片逐期数字化，得到每一期图像各像素的平均系数，于是可重建每一期的平均图像，作为标准图即模版图。

2.1.3 图像分类

根据傅里叶系数分类。例如，以 TW2或 TW3法判断各骨的骨发育期时，将待检的X线片数字化后，每一骨的各像素系数依次与各期模板图的各像素平均系数比较，选择系数最为接近的期。计算机分类运算的具体过程比较复杂，其主要步骤如下：

①待检各骨与相应各期模板的比较：比较结果以待检各骨(i)系数与相应各期(j)模板系数的根均方差即标准差表示，计算式为：

式中：Tikm表示某一待检骨的位于某行(k)某列(m)的1项系数，Gijkm表示该骨某一期模板的该位置的系数，(Tikm－Gijkm)2表示二系数之差的平方，即为离均差的平方，分子表示将64行和64列各位置的各项离均差的平方相加，即为离均差平方和，分母 642表示项目的总数，故该式表示待检片某一骨与相应骨的某一期模板比较时得到的该期系数标准差，将待检片的该骨与相应骨的各期模板比较，则得到各期系数标准差(RMSEj)，其中标准差最小者，即为待检骨最接近的骨发育期。以此类推，可得到待检片各骨与相应骨各期模板比较的标准差(RMSEij)，进而得出各骨最接近的骨发育期。

②将待检各骨图像的 RMSEj转变为 0～1：最小的 RMSEj转为 1，表示待检骨图像与该期图像相差最小即最相似，最大的 RMSEj转为 0，表示待检骨图像与该期图像相差最大即最不相似，介于二者之间的RMSEj则转为 0～1的小数，表示待检骨图像与相应期图像有不同程度相似，越接近1，相似程度越高。

③选取相似期：一般选取最相似的期及其上、下邻近的各 2期，共 5期，计算该 5期 RMSE的均数(x)和标准差(S)。但若最相似的期为初始期(如 A期)或终止期(如 I期)则只能选取 2期(A、B 期或H、I期)，若为邻近初始的期(如 B期)或邻近终止的期(如 H 期)则只能选取 3期(如 A、B、C 或 G、H、I期)。

④确定期数：通过曲线拟合，以数字表示最终评定的骨发育期。首先，计算上述 5期纵坐标高度的概率密度 Wj，它反映各期对最终评定结果的份量或“贡献”大小：

式中：X－(RMSEj－x)/s，为标准正态随机变量，它表示各期距均数的远近，越远份量(Wj)越轻，最相似的期份量最大，其次为其上、下邻近的期，上述 5期以外期的份量可视为0。根据5期的Wj拟合正态曲线，其均数即为最终评定的期，用数字表示，如7.26期。

以上运算步骤说明，CASAS将骨发育各期依次编数为 1期、2期、3期……利用数字化信息和数理统计方法，综合与待检骨相似的 5期的贡献大小，得出最终评定的期数。而人工评定时，将骨发育各期依次编号为A期、B期、C期……只根据待检骨与各期特征“像与不像”，得出最终评定的期号。表 1以评定某骨发育期为例，说明二者评定方式的区别，数字“0”表示“完全不像”，“1”表示“完全像”，各小数表示不同程度的相像，越接近“1”越像，人工评定为D期为完全相像，而计算机评定为4期最像，其次为 5期、3期，再其次为 2期、6期，最后综合评定为 4.25期(D＋)。由此可见，人工评定方式是一种理想的方式，但实际情况常常是没有完全像、只有不同程度像，故更符合计算机评定方式。

表1 人工评定和计算机评定的区别Tab.1 Contrast between artificial assessment and computer assessment

2.2 操作方法

CASAS能自动完成骨发育分期和骨龄评定等工作，使用者只需操作仪器，主要操作如下：

①置左手腕部 X线片于一专门设计的灯光盒上。②逐个骨获取X线片图像于相应的框架内，由高分辨单色视频相机连接微电脑内的一框架缓冲器，以每秒 30次的速度重建图像。这是一种实时图像获取系统，从桡骨远端开始，按一定顺序逐个骨进行图像获取，利用显示在电脑屏幕周边的相应骨各期的模版图，选取能重叠于待获取骨部位的期模版图，使X线片该骨部位图像被获取在此模板框架内，以备分析。简而言之，通过移动 X 线片、调节焦距、选取骨的期模板图，达到以正确位置获取图像的目的。③计算机图像处理，如图像信息的增益和过滤等。④计算机图像分析，即利用傅里叶系数进行分类，得出待检各骨的期数。⑤根据合计骨发育分，得出骨发育分百分位骨龄等结果。

2.3 分期的可靠性和有效性

可靠性包括重复性和可比性，前者指观察者内符合率大小，以同一人在前后相隔足够长时间的两次对同一X线片分期结果的符合或不符合率表示；后者指观察者间符合率大小，以不同人分别对同一X线片分期结果的符合或不符合率表示。某些研究对 CASAS和人工阅片的分期结果的可靠性和有效性进行了比较，结果都是CASAS更佳。

3 数字化CASAS

目前许多现代化科室已经淘汰了 X线片，数字化图像由 X线摄像器械生成并直接输入到 CASAS计算机内，自动调节图像位置，选取相应期模板，评定骨龄发育期，直至得出各项结果。作为最新产品，数字化CASAD对期模板的要求较为宽松，若选取的期模板太不适合或骨的位置太差会自动报警。

4 结 语

骨龄评分法是计算机评定骨龄的医学基础，它促进了后者的发展，而计算机评定骨龄也反过来促进了骨龄评分法的发展，使骨龄评定技术达到新的水平，赶上信息时代的步伐。该方法避免了繁琐、费时、耗材之苦，且 CASAS和数字化 CASAS产品提高了量化程度，从原理上刷新了骨龄评分法。数字化信息技术将骨发育过程从过去断续的期变为连续的数，即从期号变成期数，从原理上将量化程度提高到前所未有的水平，实际对比研究结果也证明了其可靠性和有效性。

［1］叶义言，邢西南. 手腕部骨各发育期的出现年龄的研究[J]. 中华放射学杂志，1992(12)：822-825.

［2］刘宝林，杨宝田. 儿童少年骨发育的研究及应用[J].中国校医，2004(6)：481-483.

［3］赵军芳. 傅里叶变换在数字图像处理中的应用[J]. 国外电子测量技术，2004(6)：17-20.

［4］叶义言. 新版骨龄评分法概述[J]. 中华儿科杂志，2004(1)：30-32.

［5］张书盛. 儿童掌指骨正常变异的X线诊断学[J]. 中华放射学杂志，1980(14)：26.

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