基于CT扫描并图像重组青少年锁骨胸骨端骨龄数学模型

魏华，特来提·赛依提，万雷，应充亮，王亚辉

（1.华东政法大学研究生教育院，上海 200042；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医重点实验室，上海 200063；3.新疆警察学院侦察系，新疆乌鲁木齐 830011）

基于CT扫描并图像重组青少年锁骨胸骨端骨龄数学模型

魏华1，2，特来提·赛依提3，万雷2，应充亮2，王亚辉2

（1.华东政法大学研究生教育院，上海 200042；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医重点实验室，上海 200063；3.新疆警察学院侦察系，新疆乌鲁木齐 830011）

目的利用我国青少年锁骨胸骨端骨骺发育变化规律，探讨CT容积再现（volume rendering，VR）数据与生物学年龄的相关性，并建立推断骨龄的数学模型。方法通过对我国华东、华南地区684名15～25周岁青少年双侧锁骨胸骨端进行CT薄层扫描并VR三维图像重组，测量并计算双侧锁骨胸骨端骨骺最长径、干骺端最长径及其长度比、骨骺面积、干骺端面积及其面积比等数据，并建立骨龄推断的数学模型。再将50例训练样本代入数学模型，检验模型的准确性。结果左、右两侧骨骺与干骺端长度比、面积比在同一年龄组男女性间差异具有统计学意义（P＜0.05）。建立的数学模型表明锁骨胸骨端骨骼的发育规律与生物学年龄具有高度的相关性，所有模型的准确率都高于70.5%（±1.0岁）和82.5%（±1.5岁）。结论建立的骨龄数学模型的可操作性强、准确性较高。这不仅可与图谱法相互印证和支持，提高骨龄推断的准确性；同时，该方法对未来研究其他单一部位骨龄推断具有重要的意义。

法医人类学；年龄测定，骨骼；锁骨胸骨端；容积再现；数学模型

以Schmeling等[1]研究结果为基础，本课题组在前期的研究中[2-4]，以2.0mm的层厚进行扫描，0.6mm重建薄层图像并进行CT容积再现（volume rendering，VR），获得锁骨胸骨端VR三维图像重组，并将在VR三维图像中测得的骨骺最长径、干骺端最长径及其比值作为分级的依据，创立了新的分级方法。该方法弥补了Schmeling等[1]建立的二维图像分级的不足，通过实验数据证明了该分级的科学性和实用性，并制定了锁骨胸骨端的图谱法。同时，该研究的骨龄推断观测数据都为连续性数据，且通过前期的数据观察发现锁骨胸骨端发育程度同骨骺最长径、骨骺面积存在正相关性，有必要进行统计学分析并建立相关数学模型，以进一步挖掘青少年锁骨胸骨端骨龄数据信息，并与图谱法相互补充，提高骨龄推断的准确性。

1 对象与方法

1.1 研究对象

从我国华东、华南地区1 000例大样本中，采取分层整群抽样法分别抽取15～25周岁男性青少年样本343例、女性341例，合计684例，见表1。

表1 青少年不同年龄组人群分布表（例）

纳入标准：体检确认身体健康，营养状况良好。采用马尔丁金属测量计、经校准的杠杆秤分别测量身高、体质量，选择在“国人正常身高、体质量范围调查表”[5]规定范围内的作为研究对象。

排除标准：参加特殊文艺、体育训练对象；服用影响骨骼发育药物史的病人；有影响骨骼发育疾病史病人或外伤史个体[5]。

本研究符合有关医学伦理法律条款规定。

1.2 方法

1.2.1 CT扫描

采用40排SOMATOM Definition AS多层螺旋CT机（德国西门子医疗集团）。薄层扫描参数：层厚2.0 mm，层距2.0 mm，管电压120 kV，管电流80 mA。测量身高（cm）、体质量（kg）后，采取仰卧位平躺于CT床架上，进行CT扫描。

1.2.2 观察方法

将CT图像按照年龄升序排列，借助于MIWORK S5.0.0.6 PACS骨龄阅片软件［菲特（上海）信息技术有限公司］，分析锁骨胸骨端CT薄层图像（包括横断面和冠状面）中骨骺发育形态，再行图像后处理。CT图像层厚0.6mm，选取图像0.6mm薄层骨窗像导入Syngo工作平台（德国西门子医疗集团），进行VR三维图像重组，选取锁骨胸骨端及其继发骨化中心或骨骺[6-7]。

1.2.3 观测指标

观察双侧锁骨胸骨端继发骨化中心是否出现及初期出现的位置与形态。在VR重组图像中测量双侧锁骨胸骨端骨骺最长径（cm）、干骺端最长径（cm）、骨骺面积（cm2）、干骺端面积（cm2），并计算骨骺最长径与干骺端最长径比值、骨骺面积与干骺端面积比值。设骨龄为y，左侧锁骨胸骨端骨骺最长径与左侧干骺端最长径的比值、左侧锁骨胸骨端骨骺面积与左侧干骺端面积的比值分别为x1、x2，右侧对应值分别为x3、x4。

1.2.4 统计学分析

运用SPSS 19.0软件对数据进行统计学分析。分别通过t检验和Mann-Whitney U检验x1、x2、x3、x4在性别、年龄中的差异性。同时，应用最小二乘法，分别分析y与x1、x2、x3、x4的相关性，并建立锁骨胸骨端骨龄推断的数学模型，并将50例训练样本代入数学模型验证其准确性。

2 结果

2.1 观测指标的性别差异性比较

分别假设x1、x2、x3、x4的分布在性别、年龄上相同，采用独立样本Mann-Whitney U检验分析，所得到的P值均小于0.05，说明在同一年龄组，x1、x2、x3、x4在两性间差异具有统计学意义。同时，分析发现面积变量与生物学年龄存在更高的相关性，故对变量x2、x4的x ±s进行进一步的研究。男、女性x2、x4在各年龄阶段平均值比较见表2。

2.2 应用最小二乘法建立的数学模型

通过最小二乘法分别分析男、女性的年龄与各自变量相关性，建立4个数学模型。并将50例训练样本代入数学模型，所有模型的准确率都高于70.5% （±1.0岁）和82.5%（±1.5岁），见表3。

表2 男、女性x2、x4在各年龄段平均值的比较结果（±s）

表2 男、女性x2、x4在各年龄段平均值的比较结果（±s）

年龄/岁男性（n=343）女性（n=341）x2x4x2x4 15.00～15.990.061±0.0530.086±0.0640.113±0.0910.111±0.087 16.00～16.990.173±0.0640.165±0.0740.202±0.0750.163±0.079 17.00～17.990.154±0.0790.164±0.0830.315±0.0840.303±0.082 18.00～18.990.322±0.0640.324±0.0720.471±0.0590.484±0.063 19.00～19.990.581±0.0760.553±0.0840.643±0.0680.647±0.075 20.00～20.990.664±0.0810.662±0.0940.693±0.0690.695±0.121 21.00～21.990.713±0.0960.673±0.0970.684±0.0920.806±0.101 22.00～22.990.803±0.0950.803±0.1020.812±0.0910.815±0.112 23.00～23.990.914±0.0980.903±0.1320.874±0.0950.874±0.094 24.00～24.990.935±0.1120.934±0.0980.883±0.1370.915±0.111 25.00～25.990.985±0.1130.973±0.0860.951±0.1130.946±0.145

表3 青少年锁骨胸骨端数学模型

3 讨论

数学模型法，又称多元回归法，是将骨龄观测指标数据量化后，应用统计学软件中多元回归方程，探索年龄和相关观测指标最佳判别模式，建立数学模型的方法[2-4]。随着青少年活体骨龄推断技术的发展，出现了多种研究方法，在这些研究方法中，数学模型法和图谱法是被实验数据证明的较为准确的推断方法，且因其可操作性强，受到众多学者关注。2000年，田雪梅等[8]率先使用该方法对360名11～20周岁的男女性的X线片上27个观测指标建立了数学模型。2005年，王亚辉等[2]根据青少年全身骨骼发育的24个指标及身高、体重与年龄之间的相关性进行统计学分析，运用多元逐步回归法、聚类分析法及Fisher’s两类判别分析等多种统计方法，建立了推断青少年活体年龄的一系列数学模型。

锁骨胸骨端位于人体肌肉和组织较厚的部位，采用传统的X线成像较难获取清晰的图像，故本研究采用CT成像技术进行锁骨胸骨端研究。本研究采用薄层CT平扫，以0.6mm层厚进行图像重建，可最大程度地减小部分容积效应的影响，并在Syngo工作平台进行VR图像重组，获取高清图像。这些高清图像有利于较为准确地测量锁骨胸骨端的骨骺最长径、干骺端最长径、骨骺面积、干骺端面积等信息，本研究发现，骨龄和x2、x4相关性、骨龄和x1、x2、x3、x4相关性中，男性的调整后决定系数都要高于女性，且通过50例训练样本的回代检验，证实了男性在数学模型的拟合度要优于女性。针对自变量的不同，包含自变量x2、x4数学模型与包含x1、x2、x3、x4数学模型，进行50例训练样本回代检验后，发现前者的准确性高于后者，说明骨骺面积与干骺端面积比值数据优于骨骺最长径与干骺端最长径的比值。锁骨胸骨端在推断活体骨龄的准确性全部高于70.5%（±1.0岁）和82.5%（±1.5岁）以上，且调整后的决定系数都大于0.6821，再次验证了锁骨胸骨端对推断大龄组青少年骨龄具有重要的参考意义。同时，通过对男女性x2、x4在各年龄阶段平均值的比较，可以发现女性的发育要提前于男性，且以15至21周岁尤为显著；21周岁之后，这种显著性差异减小，男女性无明显差异。

同时，参照国内外学者的统计分析方法，并建立了锁骨胸骨端的骨龄推断数学模型。与以往的研究[1]相比，主要有以下不同：（1）率先采用CT成像采集骨龄观测指标数据，较以往骨龄推断数学模型研究法中多数使用数字计算机X线DR技术成像采集骨龄观测指标，在成像上更加清晰。（2）骨龄观测指标为顺序变量。过去的观测指标多为分类变量，是对某些指标进行分类分级后再进行相关性研究；而本研究通过VR重组图像后，直接通过Syngo工作平台的工具测量长度和面积，测量和计算的数值为连续变量。（3）进一步剔除了人为影响因素。过去数学模型研究法，在进行建模之前，往往要对观测指标进行人为的分类分级，这就增加了人为的判断因素，常导致一些人为的误差。而本研究采用测绘工具进行测量，排除了人为的干扰因素。

本研究对我国华东、华南地区684例青少年男女性锁骨胸骨端样本进行研究，建立数学模型的可操作性强，准确性较高。该数学模型法，不仅可以与锁骨胸骨端图谱法相互支持和印证，从而提高骨龄推断的准确性；同时，该研究方法对未来开展探索其他单一部位骨龄推断研究工作还具有重要的意义。

[1]Schmeling A，Grundmann C，Fuhrmann A，et al. Criteria for age estimation in living individuals[J]. Int J Legal Med，2008，122（6）：457-460.

[2]王亚辉，朱广友，王鹏，等.中国汉族女性青少年法医学活体骨龄推断数学模型的建立[J].法医学杂志，2008，24（2）：110-113.

[3]王亚辉，魏华，应充亮，等.薄层CT扫描技术在锁骨胸骨端骨龄评估中的应用进展[J].法医学杂志，2013，29（2）：130-133.

[4]王亚辉，魏华，应充亮，等.锁骨胸骨端薄层CT扫描并图像重组的骨骺发育分级方法[J].法医学杂志，2013，29（3）：168-171，179.

[5]朱广友，范利华，张国桢，等.青少年骨发育X线分级方法[J].法医学杂志，2008，24（1）：18-24.

[6]Schulz R，Mühler M，Reisinger W，et al. Radiographic staging of ossification of the medial clavicular epiphysis[J]. Int J Legal Med，2008，122（1）：55-58.

[7]Kellinghaus M，Schulz R，Vieth V，et al. Enhanced possibilities to make statements on the ossification status of the medial clavicular epiphysis using an amplified staging scheme in evaluating thin-slice CT scans[J]. Int J Legal Med，2010，124（4）：321-325.

[8]田雪梅，张继宗，闵建雄，等.男性青少年X线片的骨骺特征及年龄推断[J].中国法医学杂志，2001，16（2）：91-94.

（本文编辑：陈捷敏）

Mathematical Models of the Teenager’s Skeletal Age Evaluation Based on CT Scan and Imaging Reconstruction of Medial Clavicular Epiphysis

WEI Hua1,2,TələT·SIYIT3,WAN Lei2,YING Chong-liang2,WANG Ya-hui2
（1.Graduate School of East China University of Political Science and Law,Shanghai 200042,China;2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine,Institute of Forensic Science,Ministry of Justice,P.R.China,Shanghai 200063,China;3.Faculty of Reconnaissance,Xinjiang Police College,Urumqi 830011,China）

ObjectiveTo explore the correlation between CT volume rendering（VR）statistics and living age and to build the mathematical models for skeletal age evaluation based on the growth rules of medial clavicular epiphysis of teenagers in China.MethodsThe thin layer CT scan and VR 3D imaging reconstruction of both sides of sternal ends of clavicles were examined for 684 teenagers aged from 15 to 25 in East and South China.The parameters of sternal end of clavicle including the longest diameter of epiphysis,the longest diameter of metaphysis,their length radio,area of epiphysis,area of metaphysic,their area ratio,and other data were measured and calculated in order to establish mathematical models of skeletal age evaluation.Fifty trained subjects were tested to verify the accuracy of the mathematical models.ResultsIn the same age group,the length ratio and the area ratio had significant difference in genders（Plt;0.05）.The established mathematical models showed that the growth rules of medial clavicular epiphysis were highly correlated with the living ages.The accuracies of these models were higher than 70.5%（±1.0 year）and 82.5%（±1.5 year）.ConclusionThe mathematical models have easy operability and high accuracy.It can be used to confirm and sustain the conclusion of atlas method. Meanwhile,it is of great significance to study the other single skeletal age evaluation in the future.

forensic anthropology;age determination by skeleton;sternal end of clavicle;volume rendering;mathematical model

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2013.05.006

1004-5619（2013）05-0340-04

国家自然科学基金资助项目（81102305）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK16B01）；上海市科委2009年度技术标准体系研究与开发类重点项目（09231203500）；上海市法医学重点实验室资助项目（13DZ2271500）

魏华（1988—），男，福建宁德人，硕士研究生，主要从事法医临床学研究；E-mail：mustweihua@hotmail.com

王亚辉，男，硕士，助理研究员，主检法医师，主要从事法医临床学研究；E-mail：wangyh@ssfjd.cn

2013-08-23）