骨齡評估方法最新研究進展＊

宋淑華劉 堅翟波宇

(1.云南師范大學體育學院 昆明 650222)

骨齡評估方法最新研究進展＊

宋淑華1劉 堅1翟波宇1

(1.云南師范大學體育學院 昆明 650222)

骨齡是衡量少年兒童骨骼發育程度的重要解剖生理指標,在醫學和體育領域有廣泛應用。對目前常用的各種骨齡評估方法(圖譜法、計分法、自動評判系統)進行比較分析,為更有效地促進骨齡評價的科學性和便捷性提供參考。

骨齡;生長評價;方法;進展

骨齡是衡量少年兒童骨骼發育程度的數據指標,在醫學和體育領域有廣泛應用。醫學上,常用骨齡數據評價少年兒童的發育程度。另外,骨齡數據還可幫助診斷一些疾病和預測少年兒童以后的發育狀況,如預測成人后的身高;在體育領域,骨齡則主要用于運動員的選材和確定比賽選手的年齡分組等,對于運動員公平競賽具有重要的參考價值[1～5]。

1 國際和國內骨齡評價方法

目前骨齡評價方法主要有圖譜法和記分法。針對中國青少年兒童的發育狀況,我國于1992年頒布了骨齡評價標準——“中國人手腕骨發育標準CHN法”。CHN法是目前我國統一的骨齡評定標準。骨齡評價工作主要是通過骨齡專家人工讀片與人工計算來完成。所謂人工讀片就是通過人工方式,將手骨骨骼按CHN法的等級描述進行分類,但這種方法一般比較難操作,因為CHN法描述很抽象,難以把握。通常的方法是通過將手骨X射線片與一套已知骨齡的骨齡標準片進行比較來得到骨齡數據。這些方法處理起來費時費力,且不可必免地造成一些誤差。主要缺點有:一是重復性差,即同一評價人對同一受試者的多次評價以及不同評價人對同一受試者的評價結果存在較大差別;二是難以普及應用,評價人需經過長期的培訓與經驗積累,才能正確掌握與使用。因此,如何找出新的評價方法,尤其是實現評價的自動化,使骨齡評定達到簡單、快速、準確、可重復性強的要求,也就成為國內外眾多研究機構的研究重點。

2 骨齡自動評估系統

2.1 國外研究概況

隨著骨骼X線圖像數字化處理技術和計算機硬件設備的發展,骨齡自動評估系統的研究近年有了迅猛發展,尤其是歐美國家開發出了大量的計算機輔助評估系統,但基本上都屬于計算機輔助設計系統——人工標記出骨塊區域,再進行訓練和分類[6～9]。值得關注的是2007年 Gertych[10]對于輔助系統的研究。該研究包括兩個部分。一是建立數據庫,該數據庫收集了符合正態分布的1400個數字化左手X光照片,包括高加索、亞洲、非洲、美洲、西班牙的男性和女性,年齡范圍從1歲～18歲;另一部分是基于數據庫基礎上的計算機輔助診斷模塊(CAD)評測骨齡。骨骼特征提取主要來源于7個興趣區域(ROIs)——腕骨區域和指骨的6個區域。在骨齡自動識別系統方面,2007年Hsieh[11]提出一種新型的骨齡自動識別系統,該系統是在指骨幾何學特征和腕骨的模糊信息基礎上建立的。這是因為9歲前采用腕骨特征能有效減少分類錯誤;同時,10歲兒童的腕骨特征對骨齡的影響變得更小。另一方面,10歲至成年階段的指骨特征對骨成熟度評判是非常重要的一個參數。

2.2 國內研究概況

國內關于骨齡數字化處理技術的研究起源于20世紀90年代,且較多研究關注軟件開發,而對硬件的研究相對較少。軟件方面的開發研究主要集中在計算機輔助評測系統和自動評價系統。1998年,第四軍醫大學[12]研制出計算機輔助評價系統,通過高清晰度掃描儀將X線圖片掃描到計算機里,然后將標準樣片自動顯示掃描X線片旁邊,醫生就能很方便將其與標準的X線樣片進行比較,判斷出發育等級,最后計算機根據醫生評價的等級,自動查表給出總分。但是這些工作并沒有完成自動評價,僅僅是提供了自動查表和計算的功能,避免了繁瑣的翻閱手冊的過程、因為疲勞而引起的計算錯誤以及計算查表的漫長時間,很難提高骨齡計算的速度和準確性。1999年,上海第二醫科大學瑞金醫院放射科謝吉等[13]把中國人手腕骨發育標準CHN骨齡評估法計算機化,并對39名2～17歲兒童的546塊手腕骨X線片進行計算機輔助骨齡評估,發現不論是分級一致性,還是評估骨發育分級所需時間,計算機法明顯優于人工評估法。2000年,第四軍醫大學在1998年羅家燕開發的輔助系統的基礎上,進一步增強功能,先對某些不清晰的圖像進行偽彩色增強,再對圖像進行二值化,通過與知識庫中的信息比較相似度得出骨塊的發育等級。最后,根據采用CHN法計算得分,最終得到骨齡值;該系統的應用范圍主要為7、8歲以下年齡的兒童。同年,武漢市公安局[14]也開發了“未成年人骨齡鑒定工具軟件”,極大地推進了基層法醫工作者的工作效率。值得一提的是,2006年廣西壯族自治區人民醫院劉裕恒等[15]依托上海惠誠咨詢有限公司開發的智能化“中國兒童青少年骨齡測評系統”,該系統采納了國內從事內分泌、兒童保健及放射科專家的意見,采用葉義言1994年出版的《兒童青少年骨齡的評分法圖譜及應用》中的葉氏 TW2骨齡評分法,隨機抽取50份手腕骨齡X光照片,運用該軟件與人工骨齡評估法進行骨發育分級一致性與所用時間進行比較。結果表明,該骨齡測評系統骨發育分級一致性明顯高于人工法(P<0.001),測評速度快。但該系統仍然屬于計算機輔助評判,未完全實現自動化,且參考標準為1994年所制定,因此導致軟件開發相對滯后,有待更新。由此可以看出,計算機輔助骨齡評測系統是將待測兒童各骨指標發育分期及性別等代碼輸入計算機,由計算機自動查表給出總分及骨齡;同時增加圖像顯示板塊,將X線片輸入計算機與標準圖譜同時顯示,方便比較、判斷發育等級。該系統雖然很好地提高了評測的速度和準確性,但骨發育分期仍需人工判定,未實現完全自動化。

骨齡自動評價系統主要是實現骨圖像自動識別,通過對圖像的預處理、骨塊的分割、特征提取,最后將提取的特征與數據庫進行比較分析,計算骨齡。通過建立各骨發育期圖像的數字化標準,分析時按數字信息分為連續的分期,得出的分期結論更為精確。該系統設計復雜、技術難度大,目前還沒有實現骨齡評測完全智能化。國內研究主要有:1995年,湖南大學張大方等[16]在 TW2法基礎上,探討了一個基于模糊聚類分析法及句法結構識別法的骨齡自動識別系統,在提取手腕部骨圖像時采用了數學形態校正法、區域凹向濾波法、非線性對比度補償法,但發現其“模糊分類法”尚需改進。2001年,臺灣國立清華大學[17]開發出了自動評價系統,但僅適合于7歲以下的兒童。2003年,北京工業大學王珂等[18]基于“中國人手腕骨發育標準CHN法”的骨齡自動評價方法,包括手腕骨x射線圖像中骨骼邊緣的自動提取和骨骼成熟度的自動分級,應用活動形狀模型(ASM),改善了邊緣檢測的效果;通過考察一系列形狀幾何信息并結合灰度信息,將CHN標準中有關的文字描述轉化為數字特征,采取多層次分步驟的方法用于最終的骨齡自動評價。實驗表明骨齡評價的正確率和穩定性有了提高。對該方法進行分析,發現誤差的來源主要是在某些手骨X射線圖像上對個別骨骼的邊緣檢測不準確,這主要是因為圖像的質量和噪音對搜索過程中標定點或目標點的灰度特征的干擾引起的。北京工業大學胡永利[19]等學者采用活動形狀模型(ASM)檢測骨骼邊緣效果,采用多層次、分步驟的方法用于最終的骨齡自動評價。結果表明方法合理且簡單實用,效果理想。此外,沈陽師范大學李忠海教授[20]在CHN法基礎上,利用計算機技術重點解決了骨骼位置的標定和特征提取等問題,運用感光度修正,特征的模糊推理和圖像處理的邊緣檢測等手段,實現了骨骼特征的提取和識別方法,設計出一種自動識別骨齡特征的骨齡計算方法。2004年,沈陽師范大學李孝誠等[21]提出了一種基于數學插值算法的新方法——“連續性骨齡算法”,首先采用插值法將中國人骨成熟度評價標準連續化,然后應用MATLAB語言實現算法。結果表明,該算法有利于提高骨齡的計算精度和速度,減少人為評價誤差對骨成熟度評價結果的影響、對促進骨齡自動評價系統的實現具有很大的推動作用。河北工業大學孫飛[22]在導師何文杰教授的指導下提出了一種新的圖像恢復的方法:利用傅立葉變換理論及光學系統理論,通過對數學、光學及數字圖像處理等學科的結合,建立了新的圖像恢復模型,使得x光片的數字化成像的清晰度大大提高,基本實現了x光片的無膠片化。2005年,昆明理工大學洪初陽[23]、汪虹[24]和李紹彬[25]等在導師李一民教授的指導下分別完成了碩士學位論文“骨齡識別系統中的定位問題與撓骨識別研究”、“骨齡識別系統中對手腕特征骨輪廓提取方法的研究”和“小波分析在骨齡評價系統中的應用”。在輔助骨齡評定的領域內作了有益的理論探討和方法的研究,有很大的實用價值,為進一步完善系統奠定了穩固的基礎。2006年汪浩[26]等研制開發了少兒運動員骨齡判定自動生成系統,解決了運動員骨齡判定及管理問題,但并沒有開發運動員骨齡特征自動識別算法設計系統。

由前可知,骨齡數字化評判系統優點主要表現在:(1)提供骨齡判定中計算的方便,使判定周期大大縮短,節省大量時間;(2)將人工計算不可避免的誤差降低到最小;(3)為參賽少兒運動員選擇最佳注冊時間提供更全面的參考依據;(4)可改善各省、市、縣體育局及各級體校運動員管理中存在的問題,實現正規、高效地處理運動員骨齡管理中的各項事務。

3 總結

綜上所述,盡管許多學者致力于骨齡數字化成像系統的硬件和軟件開發,但當前骨齡自動評價系統面臨三個挑戰:一是硬件設備的進一步完善;二是以往直觀的圖像,如何準確地用計算機語言來表達;三是將等級描述翻譯成計算機化的等級表達之后,如何精確地進行骨塊提取。這些問題都將是學者未來的研究方向。

1 林虹.骨齡在業余體校選材中作展.青海體育科技,2005,35(1):17-18

2 張祖煥,俞世軍.論骨齡在少年男子標槍運動員選材中的應用.浙江體育科學.2002,24(2):14-15,32

3 羅智勇,莫少強.廣西12～13歲骨齡女子短跑運動員選材現狀分析.中國體育科技.2002,38(11):24-25,30 4 李古強,郭成吉.骨齡評估及其與運動的相關性.中國組織工程研究與臨床康復.2007,11(45):9182-9185

5 陳行剛,高云鵬.骨齡在青少年籃球運動員選材中的相關因素分析.中國校外教育.理論.2007,6:94

6 Tanner JM,Gibbons RD.Automatic bone age measurement using computerized image analysis.J Pediatr Endocrinol.1994,7(2):141-5

7 Zhang A,Gertych A,Liu BJ.Automatic bone age assessment for young children from newborn to 7-year-old using carpal bones.Comput Med Imaging Graph.2007,31(4-5):299-310

8 PietkaE,Pospiech-Kurkowska S,Gertych A,et,al.Integration of computer assisted bone age assessment with clinical PACS.Comput Med Imaging Graph.2003,27(2-3):217-28

9 Pietka E,Gertych A,Pospiecha Euro Kurkowska S,et.al.Computer-assisted bone age assessment:graphical user interface for image processing and comparison.J Digit Imaging.2004,17(3):175-88

10 Gertych A,Zhang A,Sayre J,et,al.Bone age assessment of children using a digital hand atlas.Comput Med ImagingGraph.2007,31(4-5):322-31

11 Hsieh CW,Jong TL,Tiu CM.Bone age estimation based on phalanx information with fuzzy constrain of carpals.Med Biol Eng Comput.2007,45(3):283-95

12 羅家燕,盧瑞祥,林珠等.計算機化骨齡評價系統的研制.第四軍醫大學學報,1998,19(1):115-116

13 謝吉,何國祥.計算機輔助評估骨齡(中國人手腕骨發育標準CHN法的計算機化).實用放射學雜志.1999,15(12):717-719

14 吳斌,崔永山.“未成年人骨齡鑒定工具軟件”介紹.刑事技術.2002,2:34-35

15 劉裕恒,吳大哲,戴藝.中國兒童青少年骨齡測評系統的臨床應用.華夏醫學.2006,19(3):506-507

16 張大方,葉義言.骨齡X片自動識別系統的研究與設計.電腦與信息技術.1995,3(5):2-7

17 Fan BC,Hsieh CW,Jong TL,et,al.Automatic bone age estimation based on carpal-bone image--a preliminary report.Zhonghua Yi Xue Za Zhi(Taipei).2001,64(4):203-8

18 王珂,王巍,尹寶才.基于CHN的骨齡自動評價方法研究.計算機研究與發展.2003,40(7):1049-1056

19 胡永利,王巍,尹寶才.基于ASM模型的骨齡評價系統研究.中國圖象圖形學報.2003,8(1):33-40

20 李忠海,王凡.骨齡特征自動識別算法及系統設計.沈陽師范大學學報(自然科學版).2003,21(3):166-168

21 李孝誠.李忠海,劉兆麗.一種連續性骨齡算法設計.沈陽師范大學學報(自然科學版).2004,22(4):252-255

22 孫飛.數字化圖像恢復在無膠片化骨齡評價系統中的應用.河北工業大學碩士學位論文.2004

23 洪初陽.骨齡識別系統中的定位問題與撓骨識別研究.昆明理工大學碩士學位論文.2005

24 汪虹.骨齡識別系統中對手腕特征骨輪廓提取方法的研究.昆明理工大學碩士學位論文.2005

25 李紹彬.小波分析在骨齡評價系統中的應用.昆明理工大學碩士學位論文.2005

26 汪浩,林裕開,譚華昌.少兒運動員骨齡判定自動生成系統的研制.惠州學院學報(自然科學版).2006,26(6):66-69

Newest Research Progress on Bone Age Assessment

SONG Shuhua,et al.
(School of Physical Education YunNan Normal University,Kunming)

Bone age is an important anatomy physiological index to reflecting children’s growth and maturity,so applied in medical science and exercise field extensively.The paper compared and analyzed the development of the assessment methods of bone age in these years,including mapping,count scores,automatic judgment system,for providing reference on promoting science and convenience of bone age assessment.

bone age;growth assessment;method;development

云南省科技廳社會發展基礎研究基金資助課題,編號:20082C041M。

宋淑華(1971—),女,河北人,博士,講師,主要從事全民健身方面的研究。