运用成年人数字胸片中胸椎椎体特征判断性别研究

孟 舒

（贵州警察学院，贵州 贵阳 550005）

一、引言

在法医学司法鉴定实践中，审阅影像学资料是必不可少的基础工作，可用以确认损伤个体、损伤部位、性质、程度及损伤时间等重要内容。工作中经常遇到同一案件中，同一个体的多张影像学片并非同一时间拍摄，影像学片所载患者基本信息错误等情况。因此鉴定人的实际工作内容会涉及对个体影像资料的身份确认及同一认定。并且胸部损伤为人体各部位损伤的常见部位，在民事诉讼、人身损害赔偿、保险赔偿、刑事案件的侦破等相关鉴定中，均经常涉及胸部损伤的鉴定内容。性别判定是身份确认及同一认定的重要组成部分，是实现个体识别的重要一步。在临床普及影像学检查的今天，通过影像学资料鉴定性别已经变成法医工作的一部分，世界各国科研工作者们也在进行相关研究。关于颅骨形态学的研究中，有学者通过测量下颌骨CT 预测性别[1]，根据头部断层扫描测量眼窝孔径以测定性别[2]，量化男性和女性额骨之间的形态差异并且用于预测性别[3]，通过上颌窦、额窦、枕骨大孔、颅骨CT测量值预测性别[4][5][6][7]。在胸部结构形态学研究中，有学者通过CT 扫描锁骨，并测量相关解剖学的几何值进行性别评估[8]，有学者通过测量人体死后肩胛骨CT 片中相关几何值进行性别判断[9]，有学者通过计算机断层扫描，测量胸骨形态学特征判断性别[10][11][12][13]。韩国学者Sheng-Bo Yu 等人，从韩国人影像资料中获取第12 胸椎三维图像，建立性别判别函数，验证了第12 胸椎的性别二向性[14]，日本学者Shun Tsubaki 等人通过对临床胸片上第10 胸椎和第6、7 肋骨的几何形态测量判断性别，并得出了有利的结论——从脊柱和肋骨获得的几何特征的组合可以用来确定性别[15]。在四肢及关节的形态学研究中，有学者根据股骨CT、膝关节CT、髌骨核磁共振中的各项指标判断性别[16][17][18]，埃及学者Enas M.Mostafa 等人利用股骨近端X光片进行性别判定，研究结果证明在埃及人群中，股骨数字X 线摄影可以作为一种替代测量方法用于性别判定[19]。这些研究结果，不仅可以应用于活体检验中的身份认定，也可帮助法医在一些特殊情况下，如自然灾害、严重火灾、飞机失事等重大事故时，利用人体残骸判断性别。

本研究聚焦于胸部数字X 光检查（以下简称胸片）的评估，判断贵州地区成年人的性别。目前胸片检查广泛应用于临床，收集容易。研究目的是检验是否可以利用不同年龄组的胸片上胸椎的几何信息确定性别。

二、材料与方法

（一）研究对象及胸片质量控制

1.研究对象

本研究收集男、女正常胸部正位DR 片（PA，后前位）共107 张，经过筛选，排除脊柱成像效果不清晰、体位不端正的胸片，最终挑选出62 张，男性组31 张，年龄范围18～79 岁；女性组31 张，年龄范围20～68 岁。

2.胸片质量控制

研究所用胸片均来自同一家三甲医院，拍摄要求符合正位胸片拍摄质量标准[20]，拍摄距离（SID）180cm，曝光度、曝光时间等参数均一致。影像片均带有拍摄系统自动校准的比例尺，可用于测量长度的校准。其中，SID 为放射源距离接收器距离，是拍摄中的首要控制因素，可以控制被照物体尺寸和形状在投影时的变化，180cm 的SID，减少了心脏以及胸腔其他结构的放大效应[21]。

（二）仪器与软件

胸片拍摄设备为佳能公司生产的CCR2。测量胸片中相关几何长度指标应用图像处理软件（Image J）在戴尔笔记本电脑上进行测量。电脑操作系统为WIN10 系统。测量结果的统计学分析使用IBM SPSS Statistics22 软件完成。

（三）研究方法

有学者在研究中发现，上胸椎节段，由于通常较下胸椎节段骨质缺乏，在X 线上清晰度不佳，因此选择在胸4 椎体（T4）及以下胸椎节段进行形态测量研究[22]。并且在胸椎的12 节椎体中，位置较低的椎体（胸11、12 椎体），可能由于其承重更大而发生更大的变异率；而位置靠上的胸椎由于心脏、肺脏软组织影及肋骨成像的遮挡，在胸片中不易于观察其形态，容易造成观察者的失误[23]。T9 椎体位置中下，变异率不高，与气管、食管或膈肌的重叠较少，更易于观察者目测评估；同时，由于其较其它靠下的胸椎而言（胸10—胸12 椎体）更接近X射线的投射中心，几何畸变和放大的影响较小。综合上述因素，研究者选择T9 椎体作为最终研究对象。

临床胸片为二维灰阶平面图形，提供了椎体解剖结构的二维图像。图像上显示的不同灰度的投影表示了被检查组织的密度和原子序数。研究正是基于平面图像中骨组织和周围软组织放射对比度差异（灰度不同）进行观测。研究发现，女性椎体的整体横断面积比男性小25%，椎体尺寸存在明显性别差异[24]，因此本研究共选取能够反应T9 椎体尺寸大小的6 项观测指标，分别为：T9 椎体上缘宽度（T9-1），测量T9 椎体上缘左右两端点之间的直线距离；T9 椎体下缘宽度（T9-2），测量T9 椎体下缘左右两端点之间的直线距离；T9 椎体左侧缘高度（T9-3），T9 椎体左侧缘上下两端点之间直线距离；T9 椎体右侧缘高度（T9-4），T9 椎体右侧缘上下两端点之间直线距离；T9 椎体右上-左下对角线长度（T9-5），测量T9 椎体一条对角线的长度；T9 椎体左上-右下对角线长度（T9-6），测量T9 椎体另一条对角线的长度。各项指标的测量方法如图1 所示。

图1 第9 胸椎椎体各项测量指标

（四）统计学分析

依据统计学分析基本原理，首先对测量数据进行描述性统计分析及正态性检验，对于符合正态分布的数据，做方差齐性分析（Levene测试），随后采用独立样本T 检验的方法，对男、女各指标进行比较，检验是否存在统计学上的性别差异。接下来对男、女6 项指标做单因素方差分析、组间协方差矩阵齐性检验，判断数据是否可用于建立判别函数。最后检验判别函数的统计学意义，以及对其进行交叉验证，检验其判别的正确率。

三、研究结果

（一）描述性统计分析结果

统计结果显示，T9 椎体6 项测量指标的均数男性均大于女性，差值最大为T9-6，相差4.36cm，最小为T9-4，相差2.04 cm。K-S 检验与Shapiro-Wilk 检验结果显示各测量值P＞0.05，男、女不同性别的6 个测量指标符合正态分布；方差分析Levene 测试P＞0.05，各组方差齐。独立样本T 检验结果显示P＜0.05，测量值性别间差异有统计学意义。以上统计结果见表1。

表1 各项指标描述性统计学分析结果

对测量值进行Wilks' Lambda单因方差分析，P＜0.05，证实各变量在组间存在差异；Box's M协方差矩阵齐性检验中，P＞0.05，协方差矩阵齐同，可进行判别分析。统计结果见表2。

表2 单因素方差分析及组间协方差矩阵齐性检验结果

（二）判别函数

1.多指标典型判别函数

运用SPSS 创建了一个典型判别函数，该函数同时包含了实验所测量的6 项指标，其典型相关性为0.767（见表3）。对该判别函数进行威尔克Lambda 检验，P＜0.05，此典型判别函数有统计学意义（见表3）。判别函数式表达为D=-21.533+0.529×T9-1+0.658×T9-2+0.89×T9-3+0.296×T9-4 -0.673×T9-5 -0.448×T9-6，其中-21.533 为未标准化典型判别函数的系数；群组中心组函数女=-1.176，男=1.176。利用未标准化典型判别函数求出未知分组的个案判别得分，该案例的散点离群中心组函数中哪一个重心最近，即得到判别结果。

表3 特征值与Wilks' Lambda 检验结果

对所得函数D，针对分析中的观察值进行交叉检验。在交叉验证中，每一个观察值都会依据其余N-1个观察值得到的判别函数进行分类，再用该观察值的正确分类进行验证。本研究所得函数交叉验证的正确率达82.25%（见表4）。利用正判率临界值计算公式计算，（100%÷2）×1.25=62.5%。显然，用本研究6 项指标所建立的判别函数对新案例的判别效果令人满意。

表4 分类结果交叉验证

2.单项指标典型判别函数

除以上函数D 之外，统计学结果表明，6项指标也均可单独用于性别的判定，其函数式可以表述为：

D1=-14.262+0.468×（T9-1），群组中心组函数女=-0.846，男=0.846；

D2=-16.283+0.473×（T9-2），群组中心组函数女=-0.980，男=0.980；

D3=-20.485+0.888×（T9-3），群组中心组函数女=-0.985，男=0.985；

D4=-19.017+0.831×（T9-4），群组中心组函数女=-0.846，男=0.846；

D5=-18.640+0.468×（T9-5），群组中心组函数女=-1.012，男=1.012；

D6=-19.050+0.481×（T9-6），群组中心组函数女=-1.050，男=1.050。

经过交叉验证，以上函数单一指标判别率最高为83.9%，最低为72.6%（见表5）。可以看出，除了T9-4 外，其余单一指标判别率均超过80%，均能有效进行判别。

表5 6 个单一指标判别函数及交叉验证正确率汇总表

四、结果讨论

（一）研究结果分析

本研究对贵州地区汉族成年人胸片中第9胸椎二维灰度图像进行测量，在男性和女性之间发现了显著的差异。目前发现的男性T9 的宽度、长度、对角线长度均大于女性。据报道，我国18 岁及以上成年男性和女性的平均身高分别为167.1cm 和155.8cm，平均体重分别为66.2kg 和57.3kg，代表着通常情况下成年男性体型大于成年女性，提示脊柱影像学资料性别差异的研究价值。B Lawrence Riggs 等人研究表明，成年男性的骨骼面积比女性大35-42%[25]，本研究中，T9 椎体的6 项指标测量结果均值男性都大于女性，与以上事实相互印证。本研究中，当6 项指标共同用于性别判定，女性正确率为83.9%，男性正确率为80.6%，平均正确率为82.25%，判别效果较好，在缺乏其它有用的判断性别的方法时，是可用的性别判定的变量。在6 项指标中，T9-5、T9-6 为第9 胸椎二维投影的对角线长度，统计学结果提示此两项指标与判断结果的典型相关性均高于其它4 项指标，并且单项指标判别函数的交叉验证正确率也高于其它4 项指标，均为82.3%，分析认为对角线长度与胸椎二维投影平面四边形的面积呈现出高度相关性，提示椎体二维投影面积、椎体体积等指标可能是更为准确的变量，因此，应用三维CT 重建人体骨骼三维模型，应用于法医学个体识别的研究是今后研究的方向之一。

最终我们可以得出结论，利用贵州地区汉族成年人胸部数字X 光片，可以帮助法医在特定情况下判断性别。研究结果也证实了第9 胸椎椎体存在性别二向性，在仅发现尸体部分遗骸的情况下，有助于判断遗骸的性别。研究证实了胸部X 光片在图像同一认定中的价值，为研究应用人工智能-图像识别领域进行法医学个体识别提供理论支撑。

（二）研究的局限性

法医学性别鉴定作为身份认定的重要内容早已被学界广泛研究，其采用的手段之一，是借助人类学的方法，通过测量已知性别遗骸的骨骼尺寸大小、形状等判定性别。随着医学科学的发展，影像检查日益普及，影像学资料目前也被广泛应用于身份认定，在某些情况下可以替代对遗骸的直接测量，这主要得益于影像检查方法的无创性、客观性、简便性以及资料的易保存性。法医学家通过测量已知性别的X 光片、CT 片、MRI 片（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）等常见影像资料上人类骨骼二维影像的几何信息，筛选出具备性别特征的指标，建立判别函数，判断未知性别的影像片的性别归属。此方法易于研究，容易掌握，在实践中便于推广，但也有其局限性。它会受到一些因素的干扰，比如被鉴定者的年龄、疾病或损伤、医疗行为所带来的后果、影像资料的质量和拍摄条件及阅片鉴定人的经验等[26]。这使得我们的研究亦有一定的局限性。现将本研究的局限性总结如下：

1.研究对象的局限性

本研究仅针对贵州地区汉族成年人开展。一些报告显示，不同种族人群中骨骼的性别二向性是不同的，因此由于研究对象的种族不同，得到的结果可能会有差异，本研究未涉及到不同种族同一特征的性别二向性问题，限制其应用范围。

2.对胸片拍摄质量要求较高

胸部X 光片的拍摄质量会影响鉴定人的实际测量结果，但胸片的质量好坏取决于临床放射科医生的拍摄经验，在研究中也无法得到有效控制。我们在研究时，必须选择成像清晰度、对比度好，体位端正的胸片，对于拍摄效果差的胸片，就失去了应用价值。另外，临床胸片的拍摄目的并非用于法医学研究测量中，因此胸椎显示不清导致无法测量的情况还是时有发生，会导致鉴定无法进行。

此外，鉴定时的检材和样本在拍摄时的SID、投照中心的位置、OID（物体距接收器距离）和等关键参数不一致，将会导致X 光片上的被拍物影像形状和大小发生不一致的改变，直接影像判别的结果。

3.受鉴定人的阅片经验的影响

本研究阅片测量过程始终由一名有经验的鉴定人完成，虽然采用的是多次测量后取平均值的方法来控制测量结果的准确性，却没有研究不同鉴定人测量对结果的影响。另一方面，虽然实际情况中被拍摄者的年龄、是否患有疾病或曾遭受损伤，以及是否存在医疗后果等影响是可以控制的因素，但在阅片过程中，仍然要求鉴定人注意观察骨骺的愈合情况、排除存在代谢性疾病或骨骼存在陈旧性损伤、先天畸形等情况，这些都要求测量者需要经过专业培训，具备一定的阅片经验和鉴定经验，这对鉴定者提出了更高的要求。