國內(nèi)外手腕部骨齡影像評估方法各自優(yōu)缺點(diǎn)及研究進(jìn)展

廣西壯族自治區(qū)婦幼保健院 放射科，廣西 南寧 530000

引言

骨齡即骨骼年齡，它是人體生物年齡的重要組成，是以骨骼的發(fā)育變化測定出體格發(fā)育年齡。評價(jià)生物年齡還有其他的方法，如身高、年齡、牙齡、第二性征等，但骨齡是最為準(zhǔn)確的方法。臨床上評估骨齡以左手及腕關(guān)節(jié)作為最常見的評測部位，應(yīng)用的方法主要包括圖譜法、計(jì)分法等，如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和圖像識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，人工智能（Artificial Intelligence，AI）在醫(yī)學(xué)影像中的應(yīng)用得到了飛速發(fā)展[1]，也開始應(yīng)用于骨齡的評估。傳統(tǒng)骨齡評估方法分別存在精確度低、耗時(shí)長、易受評估者水平的影響等問題，且傳統(tǒng)骨齡評估方法存在著X線輻射危害的風(fēng)險(xiǎn)，雖然新型方法中超聲、磁共振檢查不存在輻射危害，但因?yàn)椴糠衷O(shè)備價(jià)格昂貴、檢查耗時(shí)長，且仍缺少國際統(tǒng)一評估標(biāo)準(zhǔn)，故目前仍以X線平片作為骨齡評估的主要手段。目前我國各地區(qū)的骨齡評估方法參差不齊，總體上看骨齡評估呈現(xiàn)出智能化的趨勢，以人工結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助軟件骨齡評估、AI全自動(dòng)化骨齡評估為主要發(fā)展方向進(jìn)行不斷優(yōu)化。而隨著AI的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)快速且精確的骨齡自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)。本文主要總結(jié)各種骨齡評估方法的發(fā)展趨勢以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以便我們不斷完善相關(guān)方法。

1 傳統(tǒng)骨齡評估方法

傳統(tǒng)的骨齡評估方法目前主要是拍攝左手及腕關(guān)節(jié)X線平片，觀察相應(yīng)的腕部諸骨骨化中心、左手掌指骨骨化中心的個(gè)數(shù)、形態(tài)來評估骨齡，且左手X線平片分割骨骼部分具有較高的精度[2]，相較于其他部位拍片，兒童手腕部數(shù)字化X線攝影操作簡便，配合做好防護(hù)，能將X線潛在的輻射危害降到最低，達(dá)到放射防護(hù)最優(yōu)化[3]。骨齡的具體評估方法主要有計(jì)數(shù)法、圖譜法和計(jì)分法等。

1.1 計(jì)數(shù)法

計(jì)數(shù)法是最早的骨齡評估方法，通過計(jì)算骨化中心數(shù)和骨骺融合數(shù)，并與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量進(jìn)行比較，最后得到相應(yīng)骨齡，可以歸納為腕部骨化中心的個(gè)數(shù)大致等于年齡加一。在1938年Vogt等[4]發(fā)表了計(jì)數(shù)法的相關(guān)方法，在1967年Garn等[5]提出了骨化中心出現(xiàn)的順序進(jìn)行骨齡評估。在國內(nèi)，1959年由劉惠芳等[6]提出了骨齡計(jì)數(shù)法的應(yīng)用，在1980年趙融等[7]提出了左手腕骨齡標(biāo)準(zhǔn)表，經(jīng)過不斷完善并最終形成中國標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算骨化中心和骨骺融合的個(gè)數(shù)來評估骨齡，方法簡單，無需特別訓(xùn)練即可掌握使用，但腕部骨化中心完全成熟的年齡較早，通常10歲后腕部骨化中心均完全出現(xiàn)，其適用年齡范圍窄，僅能用于學(xué)齡前兒童，而且誤差大，不精確，現(xiàn)在已基本棄用。

1.2 圖譜法

圖譜法是指將被檢者的手腕部X線片與標(biāo)準(zhǔn)骨齡圖譜對照，以最相像的標(biāo)準(zhǔn)圖譜的骨齡作為被檢者的骨齡。早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，即有學(xué)者通過回顧分析骨齡圖譜資料，并出版了《手腕骨發(fā)育X線圖譜》，即G-P圖譜[8]，之后又不斷進(jìn)行了修訂，因?qū)嵱眯詮?qiáng)，目前仍在沿用。此后，國內(nèi)學(xué)者劉寶林等[9]提出了嬰幼兒及學(xué)齡兒童的骨齡研究，并制成相應(yīng)年齡段的骨齡圖譜。而徐濟(jì)達(dá)等[10]依據(jù)南京兒童、青少年的骨齡制訂了手腕部骨齡圖譜。隨之，張紹巖等[11]在2015年依據(jù)手腕部骨成熟度分值制訂了手腕骨發(fā)育X線圖譜，并出版了相關(guān)骨齡標(biāo)準(zhǔn)圖譜的書籍。用圖譜法評估骨齡，直觀簡便，評估結(jié)果相對準(zhǔn)確，覆蓋年齡段廣，同時(shí)可以了解各骨發(fā)育的不平衡性，但主觀性較強(qiáng)，往往在實(shí)際工作中，不會(huì)有待檢片與標(biāo)準(zhǔn)圖譜片的所有骨頭完全一致，所以評測時(shí)過于依賴評測者經(jīng)驗(yàn)，無法精確統(tǒng)一。

1.3 計(jì)分法

計(jì)分法是指將左手腕部諸骨骨化中心根據(jù)發(fā)育形態(tài)進(jìn)行分期，并針對每個(gè)分期賦予相應(yīng)分值，將諸骨骨化中心對應(yīng)分值相加得出分值總和，該分值總和對照骨成熟度得分的中位數(shù)曲線，最終得出其骨齡。根據(jù)英國和西歐兒童生長發(fā)育的縱向研究，Tanner等[12]提出了一套較完整的TW1骨齡評分法，數(shù)年后修訂為TW2法，在國際上得到了廣泛應(yīng)用，而TW3法以R骨發(fā)育分代替了R骨齡作為預(yù)測因素，可以通用于全人類，不受到年代、人群、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平等因素的影響。在TW2法的基礎(chǔ)上，利用縱向生長研究材料，Tanner等[13]提出了適用于正常兒童預(yù)測成年身高的一系列回歸公式，稱為TW Mark Ⅰ法，可以根據(jù)兒童身高、骨齡等預(yù)測成年身高。而后在TW Mark Ⅰ法的基礎(chǔ)上增加更多的預(yù)測因素以及刪除了父母身高的因素，使其更適合于正常、過高、過矮及發(fā)育遲緩的兒童，稱為TW Mark Ⅱ法。

國內(nèi)學(xué)者李果珍等[14]提出并制訂了“中國人骨齡百分計(jì)數(shù)法”，其與TW2法在原理上相似，樣本來源于北京地區(qū)兒童，選取手腕部骨10個(gè)，根據(jù)諸骨發(fā)育的X線征象進(jìn)行分期，諸骨從開始發(fā)育到成熟期平均年數(shù)的總和為100分，通過計(jì)算諸骨骨齡發(fā)育指數(shù)的總分得出相應(yīng)骨齡，但該方法參評骨數(shù)量較少，樣本距今時(shí)間較久。之后，葉義言等[15]在TW系列的基礎(chǔ)上，提出了中國兒童骨齡評分法，即“葉氏骨齡評分法”，也被稱為TW-C法，其對骨齡的理論基礎(chǔ)、評分方法及實(shí)際應(yīng)用等方面作了較為全面的總結(jié)。在同一時(shí)期，張紹巖等[16]在TW2法的基礎(chǔ)上對中國6個(gè)城市的兒童樣本進(jìn)行研究，制訂了中國人骨發(fā)育評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——CHN法，使手腕部骨發(fā)育研究由定性轉(zhuǎn)向定量，成為適合我國骨齡評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)并得到國家體委認(rèn)可。中國人手腕骨發(fā)育標(biāo)準(zhǔn)修訂研究組在2005年重新給中國5個(gè)城市的兒童采樣，再次總結(jié)了骨齡在臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)學(xué)及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，讓RUS-CHN法在TW3-RUS的基礎(chǔ)上增添了新的成熟度分級(jí)，主要涉及尺橈骨融合分級(jí)，使得評分標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)致[17]。

計(jì)分法的優(yōu)點(diǎn)在于將骨發(fā)育過程量化和標(biāo)準(zhǔn)化，量化后的骨發(fā)育評分系統(tǒng)成為一種生物尺，而骨發(fā)育分變成一種測量單位，類似毫米、千克等計(jì)量單位，不依附年齡，不受人群、時(shí)代等因素影響，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化得到的骨發(fā)育分百分位和骨發(fā)育分轉(zhuǎn)化成為標(biāo)準(zhǔn)的骨齡，該標(biāo)準(zhǔn)骨齡根據(jù)不同的人群、時(shí)代有所變化，在評測骨齡時(shí)，精確度高，能達(dá)到0.1歲，但計(jì)分法指標(biāo)多、參數(shù)多，而且不同人群的標(biāo)準(zhǔn)骨齡有所偏差，評測時(shí)相對繁瑣且耗時(shí)，人工測算需經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練才能保證準(zhǔn)確性。

1.4 計(jì)分與圖譜結(jié)合法

將計(jì)分法和圖譜法相互結(jié)合的評測方法，制定適用于我國兒童少年的骨齡評測標(biāo)準(zhǔn)，在2009年提出了新的結(jié)合法，被命名為RC圖譜法[18]，其制訂的過程首先是簡化RUS-CHN計(jì)分法相應(yīng)掌指骨的發(fā)育等級(jí)，再參照TW3法與“分類特征計(jì)分算法”得出簡化后的骨發(fā)育等級(jí)的分值、成熟度分值的百分位數(shù)曲線，之后根據(jù)骨發(fā)育等級(jí)的定義來選擇相應(yīng)掌指骨的標(biāo)準(zhǔn)圖譜。該方法雖然擁有了圖譜法的簡便直觀，以及計(jì)分法的精確，但它評測骨齡的范圍相對偏窄，多用于13～18歲青春期后期骨齡的評測。

2 新型骨齡評估方法

2.1 超聲

隨著超聲檢查技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲檢查在骨關(guān)節(jié)領(lǐng)域中的應(yīng)用也不斷深入，近年來在骨齡評估上也有一定的突破。超聲評測骨齡的方法目前存在多種，包括通過測量股骨頭軟骨（Femoral Head Cartilage，F(xiàn)HC）厚度、采用左手腕部G-P圖譜超聲版、測定左手腕部聲速變化等完成骨齡評測。通過超聲測量FHC厚度與傳統(tǒng)骨齡評測方法進(jìn)行對比，可以判斷骨齡與實(shí)際年齡的差異，但該方法敏感度較低。2003年有學(xué)者提出采用G-P圖譜超聲版進(jìn)行0～6歲兒童的骨齡評測，并對比了傳統(tǒng)左手X線骨齡評估方法，兩者誤差小于0.5歲[19]。之后兩年又有人應(yīng)用以色列陽光公司研制的BonAge超聲骨齡檢測儀評測兒童骨齡，該儀器基于定量超聲的原理，通過測量超聲在橈、尺骨遠(yuǎn)端骨骺的傳播速度等數(shù)據(jù)來評估骨齡，適用于5～18歲兒童的骨齡評測，可作為診斷及監(jiān)測發(fā)育異常的輔助工具[20]。近年，Rachmiel等[21]通過SonicBone定量超聲裝置與傳統(tǒng)X線方法比較，結(jié)果顯示兩者骨齡評估沒有明顯的偏差。同時(shí)，Utczas等[22]建議將超聲骨齡評估用于流行病學(xué)調(diào)查中，因?yàn)槠浜Y查異常骨發(fā)育有合適的敏感性。在國內(nèi)，BonAge超聲骨齡檢測儀和X線片骨齡評測的對比分析結(jié)果顯示BonAge超聲進(jìn)行骨齡評測可以降低人為誤差、加快評測速度、提高骨齡評測的穩(wěn)定性及可靠性，但兩種方法之間仍無法完全替代[23-24]。超聲評估骨齡優(yōu)點(diǎn)在于其無輻射、無創(chuàng)傷，對比傳統(tǒng)方法有一定的穩(wěn)定性和可靠性，不足在于其目前仍處于探索階段，國際上缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，檢查過程依賴超聲醫(yī)師的操作手法及特殊的儀器，需不斷深入研究，才能完全推廣。

2.2 雙能X射線吸收法

雙能X射線吸收（Dual-energy X-ray Absorptiometry，DXA）的裝置稱為雙能X線骨密度儀，采用能量減影的方法清除軟組織對骨密度測量的影響，從而得到用于骨齡評估的圖像。原理是高低不等的兩種X線在穿透人體時(shí)，在軟組織上差異相對骨組織小，利用專業(yè)的檢測探頭采集信號(hào)并后處理，即可得到骨密度圖像。研究表明基于DXA的骨齡評估法與傳統(tǒng)骨齡評估法所得結(jié)果基本相符，而且DXA與傳統(tǒng)X線骨齡評估的結(jié)果相似[25-26]。2016年Hoyer-kuhn等[27]比較了DXA掃描與常規(guī)X線在兒童脊柱形態(tài)測定、骨齡測定中的應(yīng)用，也得出兩種方法之間有較高的一致性。DXA掃描的優(yōu)點(diǎn)主要是該方法比傳統(tǒng)的X線檢查射線劑量低，但不足在于DXA掃描耗時(shí)較長，檢查設(shè)備成本高。

2.3 磁共振成像

相對于傳統(tǒng)X線圖像，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）可以很好的顯示骨骺軟骨和骺板軟骨的信號(hào)，可以觀察到二次骨化中心隨著年齡增長的細(xì)節(jié)變化，而且MRI無電離輻射，顯示骨骺軟骨、軟組織分辨率高，這是MRI評測骨齡的先天優(yōu)勢。Terada等[28]提出了專為兒童手腕部優(yōu)化的MRI技術(shù)，利用磁共振圖像及其三維分割技術(shù)顯示了手腕部諸骨的詳細(xì)骨骼特征，在Tanner Whitehouse Japan系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對不同年齡段的兒童的骨齡進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示MRI評估骨齡有效且可靠。已有研究證明觀察手腕部諸骨的軟骨形態(tài)變化、骨化進(jìn)展及完全骨化的不同階段評測骨齡可行[29]。而且，MRI檢查膝關(guān)節(jié)骨骺骨干融合的5階段分類法可應(yīng)用于法醫(yī)年齡評估[30]。在國內(nèi)，郎巖[31]應(yīng)用MRI檢查觀察腕骨的形態(tài)、骨骺的覆蓋情況及關(guān)節(jié)軟骨的變化范圍等信息，證實(shí)了MRI骨齡橫向評估有較高可行性和準(zhǔn)確性。MRI評估骨齡的優(yōu)勢在于無電離輻射，比傳統(tǒng)方法更好地顯示骨骺軟骨的成熟情況，但MRI的不足在于設(shè)備價(jià)格昂貴、檢查費(fèi)用高、檢查時(shí)間長，且檢查存在禁忌癥。

3 人工智能評估方法

采用計(jì)算機(jī)輔助診斷技術(shù)自動(dòng)化識(shí)別手腕部各骨發(fā)育期對應(yīng)的X線圖像，信息化處理后得出相應(yīng)的骨齡。其首先要建立手腕部骨各個(gè)發(fā)育期圖像的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，再應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)對X線圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，接著將得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的骨齡評估法。1970年開始出現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人工讀片和分析，及至1990年，計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)、數(shù)字化信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能評估法取得了突破。1994年已可利用原有的研究資料選出標(biāo)準(zhǔn)的X線圖譜，與計(jì)算機(jī)專業(yè)人士一起配合，制作出計(jì)算機(jī)輔助骨齡評分[32]。進(jìn)入21世紀(jì)，開始出現(xiàn)通過骨骼形狀和紋理信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)骨齡評估的方法，例如運(yùn)用圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)出全自動(dòng)評估骨齡系統(tǒng)、提出BoneXpert自動(dòng)測定骨齡法、制定了有識(shí)別力的字典學(xué)習(xí)算法、提出自動(dòng)評測骨齡的深度學(xué)習(xí)方法[33-36]。及至2019年，Bui等[37]將TW3法和基于感興趣區(qū)域提取的深度卷積網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，進(jìn)行區(qū)域檢測和分類，提高了骨齡評估的準(zhǔn)確性。

在國內(nèi)，先是基于TW2法的原理上設(shè)計(jì)骨齡X片自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，研制出計(jì)算機(jī)半輔助評定骨齡方法，接著將CHN法計(jì)算機(jī)化，提高了骨齡評估的速度及準(zhǔn)確性，然后通過提取手部X線圖像的骨骺特征作為骨齡特征參數(shù)，運(yùn)用支持向量機(jī)方法進(jìn)行骨齡識(shí)別，其具有可視化、全自動(dòng)化評估的特點(diǎn)[38-40]。近年來，基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)X線圖像分割方法解決了手腕圖像分割問題并用于骨齡自動(dòng)評價(jià)系統(tǒng)研究中，還有學(xué)者依據(jù)中華05骨齡標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了橈骨骨齡等級(jí)計(jì)算機(jī)評定系統(tǒng)[41-42]。

人工智能評估法可以不受人為閱片主觀性的影響，精確且快速地評測骨齡，可精確至0.1歲，通常評測過程僅需數(shù)秒便可完成，通過深度學(xué)習(xí)，可以提高骨齡評估準(zhǔn)確率，有多位學(xué)者報(bào)道，其與人工評測誤差均在0.5歲左右[43-44]。AI評估法有一定的數(shù)據(jù)依賴性，數(shù)據(jù)量越大，人工智能骨齡評估越接近醫(yī)師骨齡讀數(shù)，不同的人工智能模型會(huì)存在不同差異[45]。人工智能評估法的不足在于其研發(fā)應(yīng)用成本偏高，依賴于軟件技術(shù)，評測時(shí)易受到X線攝片質(zhì)量的影響[46]，深度學(xué)習(xí)的圖譜庫亦會(huì)受到地域人群差異的影響，待檢骨的形態(tài)超出標(biāo)準(zhǔn)定義的界限時(shí)評測會(huì)產(chǎn)生偏差，如病態(tài)手骨齡的評測，需要專業(yè)醫(yī)師的復(fù)核才能保證骨齡評測報(bào)告的可靠性。

4 總結(jié)和展望

回顧骨齡評估方法的發(fā)展歷程，從計(jì)數(shù)法、圖譜法、計(jì)分法，發(fā)展到人工智能評估法以及新型評估方法的出現(xiàn)，實(shí)際上是將量化從粗糙評估進(jìn)階為精細(xì)評估的過程，評估的精確度及速度均不斷提升，不過骨發(fā)育本身是一個(gè)連續(xù)不斷的過程，因?yàn)橛?jì)分法的出現(xiàn)被人為地劃分為斷續(xù)的節(jié)點(diǎn)，故無論如何均會(huì)出現(xiàn)略微的偏差，人工智能評估法的出現(xiàn)雖然可以較好的改善這一偏差[47]，但研發(fā)費(fèi)用及軟件成本高，圖像質(zhì)量要求嚴(yán)格，并不利于基層醫(yī)院的全面推廣，且目前仍處在發(fā)展的早期階段[48]，仍需要人工智能深度學(xué)習(xí)以及全國各地大樣本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。新型骨齡評估方法中超聲和磁共振檢查沒有X線的輻射風(fēng)險(xiǎn)，但部分設(shè)備成本高，操作難度大，檢查過程長，造成兒童配合度差，而且要依賴于評測醫(yī)師的技術(shù)水平，研究及推廣進(jìn)程緩慢。X線平片骨齡評估方法具有操作簡便、檢查時(shí)間短、檢查費(fèi)用低的特點(diǎn)，目前依舊被作為最準(zhǔn)確且公認(rèn)的評估方法。另外，計(jì)數(shù)法因適用范圍窄、誤差大，提議將其棄用；圖譜法直觀簡便，但精確度不高，建議僅用于快速篩查時(shí)使用；計(jì)分法、計(jì)分與圖譜結(jié)合法均能精確地進(jìn)行骨齡評估，雖然存在測算耗時(shí)偏長，但是在計(jì)算機(jī)輔助軟件的幫助下，可以相應(yīng)地加快測算速度。目前主要問題是我國尚無全國統(tǒng)一的計(jì)分法，大部分方法均是參考于TW系列計(jì)分法，由于骨骼發(fā)育存在地域、種族等眾多因素的影響，所以未來只有建立多種族、多地域、大范圍的標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)庫，才可能真正完善屬于我國的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。骨齡評估的準(zhǔn)確性直接影響到兒童生長發(fā)育研究、內(nèi)分泌遺傳代謝性疾病、兒童保健與臨床治療等，在選用方法時(shí)，應(yīng)該合理地選擇，規(guī)避缺點(diǎn)、發(fā)揮所長，在我國有相對統(tǒng)一的計(jì)分法標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以進(jìn)一步優(yōu)化人工結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助軟件骨齡評估、人工智能全自動(dòng)化骨齡評估這些依靠計(jì)算機(jī)科學(xué)的評估方法，盡可能地提高評估速度與精確度，為兒童健康成長提供最有利的幫助。