基于CT-3D VRT測量髕骨推斷四川漢族人群性別

占夢軍，李明，李春琳，張奎，丁世榮，鄧振華

（1.四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610041；2.黃南藏族自治州公安局，青海 黃南 811399；3.阿壩藏族羌族自治州人民醫(yī)院放射科，四川 阿壩 624000）

個體識別是法醫(yī)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，特別是在分析肢解、燒死以及嚴(yán)重殘缺的尸體或骨骼殘骸時，對于確定未知名身份的人體殘骸是非常重要的。而性別推斷是個體識別中的關(guān)鍵步驟之一，準(zhǔn)確的性別判斷能夠使尸源搜索的范圍減小50%。盡管近年來DNA方法在性別鑒定中已經(jīng)取得了非常準(zhǔn)確的結(jié)果，但在某些環(huán)境下（如火災(zāi)）DNA已發(fā)生降解，而用于估計性別的形態(tài)學(xué)方法仍然能夠發(fā)揮他們在性別鑒定中的巨大優(yōu)勢[1]。眾所周知，骨盆和顱骨在性別判斷中的準(zhǔn)確性最高，但在大規(guī)模災(zāi)難以及某些情況下這些骨骼可能遭到嚴(yán)重破壞，難以用于性別推斷[2]。因此，在骨盆和顱骨都不可用的情況下，可利用其他保存完整的骨骼進(jìn)行性別推斷。

髕骨是人體最大的籽骨，具有體積小、質(zhì)地硬、不容易受到暴力破壞等優(yōu)點(diǎn)，因此對于未知身份人體殘骸的性別推斷具有很大的應(yīng)用價值[3]。近年來，國外已有利用髕骨進(jìn)行性別推斷的相關(guān)研究[3-6]，包括利用干骨直接測量以及將現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)運(yùn)用于該研究領(lǐng)域。國外最新研究[6]結(jié)果表明，計算機(jī)體層成像（computed tomography，CT）三維容積重建技術(shù)（three dimensional volume reconstruction technique，3D VRT）能較真實地還原髕骨的解剖形態(tài)，實現(xiàn)髕骨形態(tài)的準(zhǔn)確測量。本研究通過應(yīng)用CT-3D VRT測量當(dāng)代四川漢族人群的髕骨，進(jìn)一步探索髕骨在性別推斷中的應(yīng)用價值。

1 對象與方法

1.1 樣本

研究對象：本研究按照納入標(biāo)準(zhǔn)和排除標(biāo)準(zhǔn)直接從四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科影像存檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and communication systems，PACS）中選取2017年12月至2018年6月期間拍攝的左膝關(guān)節(jié)薄層CT圖像250例。其中男性130例，年齡18～90歲，平均年齡（42.98±13.92）歲；女性120例，年齡18～82歲，平均年齡（45.90±15.22）歲。各性別不同年齡段樣本分布情況見表1。

表1 樣本的年齡分布情況Tab.1 Age distribution of samples （例）

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）經(jīng)電話回訪確認(rèn)直系親屬三代之內(nèi)均為漢族；（2）年齡≥18歲；（3）CT三維成像圖像清晰。

排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）髕骨存在損傷、畸形或手術(shù)史者；（2）曾服用或正在服用影響代謝與發(fā)育及骨生長的藥物；（3）曾患有或現(xiàn)患有影響骨生長、發(fā)育與代謝的全身疾病。

本研究所選的研究對象均為曾在四川大學(xué)華西醫(yī)院進(jìn)行膝關(guān)節(jié)CT檢查的患者或健康體檢者，未進(jìn)行額外不必要的放射學(xué)檢查，屬于橫向回顧性研究，符合有關(guān)的醫(yī)學(xué)倫理及法律條款規(guī)定。

1.2 儀器

所有患者均采用SOMATOM Definition AS 128層螺旋CT（德國SIEMENS公司）進(jìn)行掃描，掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流110 mAs，矩陣128 mm×1 mm，層厚1mm。掃描范圍為整個左膝關(guān)節(jié)[3-5]。掃描后將DICOM格式圖像傳至PACS。采用Mimics 19.0軟件（比利時Materialise公司）對左膝關(guān)節(jié)薄層CT圖像采用CT-3D VRT重建，重建層厚為1mm。

1.3 測量指標(biāo)

本研究參照PECKMANN等[3]以及MICHIUE等[6]的測量指標(biāo)進(jìn)行確定，分別進(jìn)行CT-3D VRT，選取髕骨長（x1）、髕骨寬（x2）、髕骨厚（x3）以及髕骨體積（x4）共4項作為測量指標(biāo)。髕骨各測量指標(biāo)的具體定義見表2。

表2 髕骨各測量指標(biāo)及定義Tab.2 Definitions of the patellar measurements

1.4 測量方法

將左膝關(guān)節(jié)CT掃描的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communication in medicine，DICOM）數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0，通過設(shè)置不同的灰度閾值，將髕骨與周圍其他組織進(jìn)行分離，通過CT-3D VRT對分離的髕骨進(jìn)行容積重建，獲取完整的髕骨3D模型（圖1），同時讀取軟件自動提供的髕骨體積。利用軟件中自帶的三維視圖查看功能，分別由軟件自動將髕骨調(diào)整為正前面觀（圖2A）和側(cè)面觀（圖2B），利用軟件自帶的線性測量工具測量髕骨長、髕骨寬和髕骨厚。

1.5 一致性檢驗

本研究所有測量工作均由1名研究人員測量完成，每個指標(biāo)測量3次，取平均值。為了評估該方法的可重復(fù)性和一致性，在間隔1周后，由該測量人員和另外一位測量人員對20例隨機(jī)樣本重新進(jìn)行測量。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）對該方法在觀察者內(nèi)和觀察者間的可重復(fù)性和一致性進(jìn)行檢驗，ICC值越接近于1，說明該方法的可重復(fù)性和一致性越高。

圖1 髕骨三維容積重建Fig.1 Three-dimensional volume reconstruction of patella

圖2 髕骨各指標(biāo)測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of patella measurement

1.6 統(tǒng)計方法

首先對男性和女性樣本各測量指標(biāo)進(jìn)行一般描述性統(tǒng)計分析，然后采用Kolmogorov-Smirnov非參數(shù)檢驗確定各項指標(biāo)是否服從正態(tài)分布，結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布（P＞0.05）?？梢詫x骨的各項測量指標(biāo)按性別分組進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗，篩選出性別差異有統(tǒng)計學(xué)意義的各項指標(biāo)。對存在性別差異的指標(biāo)分別使用單變量Fisher判別分析法建立單指標(biāo)判別函數(shù)，使用全部指標(biāo)納入判別函數(shù)構(gòu)建全指標(biāo)判別函數(shù)，逐步Fisher判別分析法建立多指標(biāo)判別函數(shù)。每對判別函數(shù)中，y0代表男性，y1代表女性，若|y0|＞|y1|則判定為男性，若|y0|＜|y1|則判定為女性。通過留一交叉驗證法計算性別分類的準(zhǔn)確率。采用SPSS 21.0軟件（美國IBM公司）進(jìn)行統(tǒng)計分析，雙側(cè)檢驗水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié) 果

觀察者間和觀察者內(nèi)的ICC計算結(jié)果顯示，觀察者間和觀察者內(nèi)的ICC值均大于0.9，且P＜0.05，表明該測量方法在組內(nèi)和組間均具有高度的可重復(fù)性。觀察者間和觀察者內(nèi)的ICC計算結(jié)果見表3。

表3 觀察者間和觀察者內(nèi)的ICCTab.3 The ICC for intra-and inter-observer

對男女性髕骨的4項測量指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計及獨(dú)立樣本t檢驗（表4），結(jié)果顯示，男性x1、x2、x3以及x4的均值均大于女性（P＜0.05）。

各測量指標(biāo)構(gòu)建的判別函數(shù)及判別準(zhǔn)確率見表5和表6。在單指標(biāo)判別方程中，以髕骨長建立的判別方程準(zhǔn)確率最高，髕骨厚建立的判別方程準(zhǔn)確率最低。髕骨長和髕骨厚判別方程經(jīng)留一交叉驗證法得到的總體判別準(zhǔn)確率分別為82.0%和71.6%。全指標(biāo)判別方程以及逐步判別方程經(jīng)留一交叉驗證后的總體判別準(zhǔn)確率分別為80.4%和81.6%。

表4 髕骨各測量指標(biāo)的描述性統(tǒng)計及t檢驗結(jié)果Tab.4 Descriptive statistics and t-test results of patellar measurements

表5 單指標(biāo)判別方程及留一交叉驗證的判別準(zhǔn)確率Tab.5 The accuracy rate of the univariate discriminant function and leave-one-out cross validation

表6 多指標(biāo)判別方程及留一交叉驗證的判別準(zhǔn)確率Tab.6 The accuracy rate of multivariate discriminant function and leave-one-out cross validation

3 討論

性別推斷作為法醫(yī)學(xué)個體識別中的重要組成內(nèi)容，一直以來都是國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。目前，國內(nèi)外已有大量利用顱骨、骨盆以及四肢長骨進(jìn)行性別推斷的相關(guān)研究[7-11]。研究[12]結(jié)果表明，利用顱骨進(jìn)行性別推斷的準(zhǔn)確率可達(dá)92%，利用骨盆判斷性別的準(zhǔn)確率可達(dá)95%，同時利用這兩種骨骼判斷性別的準(zhǔn)確率可達(dá)98%，而如果整個人體骨骼都保存完整，利用全部骨骼進(jìn)行性別推斷的準(zhǔn)確率可高達(dá)100%。但在法醫(yī)學(xué)實踐中，經(jīng)常會遇到顱骨和骨盆遭到破壞，甚至缺失的情況。因此，探索其他骨骼在法醫(yī)學(xué)性別推斷中的應(yīng)用價值就顯得尤為重要。

法醫(yī)學(xué)性別推斷主要采用2種方法，包括肉眼形態(tài)差異觀察法和骨骼測量分析法。通過肉眼觀察骨骼的形態(tài)差異進(jìn)行性別推斷的方法較為簡單、快速，但準(zhǔn)確率較低，且存在較大的主觀性。通過對骨骼進(jìn)行測量，同時結(jié)合統(tǒng)計學(xué)分析建立的判別函數(shù)法無需具備法醫(yī)學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識，操作簡單且判別結(jié)果不受個體的主觀性影響，相對較客觀準(zhǔn)確。因此，后者一直是國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行性別推斷采用的主要研究方法。

以往國外的此類研究均是基于各國的骨骼收藏標(biāo)本進(jìn)行直接測量分析。近年來，隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者逐漸認(rèn)識到影像學(xué)技術(shù)在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要價值[5-6，8-10]。這項技術(shù)的應(yīng)用使得活體成為可能的研究對象，給我國長期以來由于骨骼收藏樣本的嚴(yán)重缺乏導(dǎo)致此類研究相對滯后帶來了新契機(jī)。尤其是CT-3D VRT的出現(xiàn)，通過該技術(shù)獲取的骨骼影像能夠達(dá)到解剖立體全貌，并能直觀地暴露出骨骼測量的標(biāo)志點(diǎn)，因此采用該技術(shù)能夠準(zhǔn)確、直觀地測量各項骨骼指標(biāo)[13]。與直接對骨骼進(jìn)行測量的傳統(tǒng)法醫(yī)人類學(xué)方法相比，利用CT-3D VRT對骨骼進(jìn)行測量，避免了去除骨骼表面軟組織的前處理工作，節(jié)約了大量時間，提高了工作效率，并且不會對骨骼表面組織造成損害。因此，該方法非常適合用于法醫(yī)學(xué)相關(guān)的科研與鑒定。

2008年，ABDEL等[14]利用160張活體成人右膝關(guān)節(jié)正側(cè)位X線片，通過測量髕骨長和髕骨寬2項指標(biāo)，建立了埃及人群的性別判別方程，其中髕骨長的性別判別準(zhǔn)確率為72.5%，髕骨寬的性別判別準(zhǔn)確率為73.8%。2016年，PECKMANN等[4]通過直接測量當(dāng)代西班牙人群髕骨的6個長度指標(biāo)建立了多個判別方程，其中單指標(biāo)判別函數(shù)的性別判別準(zhǔn)確率為75.2%～84.8%，多指標(biāo)判別函數(shù)的性別判別準(zhǔn)確率為75.5%～83.8%。2018年，YASAR等[5]利用磁共振成像對220例土耳其患者左膝關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描，通過測量髕骨長、髕骨寬、髕骨厚3項指標(biāo)，建立了多個判別方程，結(jié)果顯示，單變量判別函數(shù)的性別判別準(zhǔn)確率為79.0%～86.5%，以髕骨寬建立的單指標(biāo)判別方程準(zhǔn)確率最高，準(zhǔn)確率為86.5%，多指標(biāo)判別函數(shù)顯示性別判別準(zhǔn)確率為89%。同年，MICHIUE等[6]利用多層螺旋CT對當(dāng)代日本尸體雙側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT三維重建，通過測量髕骨長、髕骨厚、髕骨體積以及CT值共4個指標(biāo)建立了多個判別方程，其性別判別準(zhǔn)確率在70.9%～87.7%，以髕骨體積建立的判別方程準(zhǔn)確率最高（87.7%），其次是CT值（84.1%）和髕骨長（80.9%），準(zhǔn)確率最低的是髕骨厚（74.1%）。本研究中所有髕骨測量指標(biāo)經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析顯示，男性全部測量指標(biāo)的均值都大于女性，各測量指標(biāo)在性別間差異有統(tǒng)計學(xué)意義，表明髕骨長、髕骨寬、髕骨厚以及髕骨體積4個指標(biāo)存在顯著的性別差異，這與對埃及人[14]、西班牙人[4]、土耳其人[5]以及日本人[6]的研究結(jié)果類似，但利用各指標(biāo)建立的判別函數(shù)在性別推斷中的準(zhǔn)確率略有差異。此外，同一測量指標(biāo)在不同人群中的準(zhǔn)確性也不同。例如，本研究中性別推斷準(zhǔn)確率最高的測量指標(biāo)與西班牙人群一樣，都是髕骨長，而埃及和土耳其人群是髕骨寬，日本人群是髕骨體積。造成這一差異的原因可能與不同人群的遺傳、環(huán)境以及生活方式不同有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致髕骨的發(fā)育在不同人群間存在一定差異。本研究結(jié)果進(jìn)一步證明了基于某特定人群建立的判別方程不能直接用于起源不同的人群進(jìn)行性別推斷，應(yīng)根據(jù)本地區(qū)人口學(xué)特征建立人群特異性判別方程用于性別推斷[15]。

本研究利用CT-3D VRT以活體為研究對象，結(jié)合國外相關(guān)研究報道，綜合考慮髕骨二維線性測量指標(biāo)以及三維體積測量指標(biāo)用于四川漢族人群性別推斷，所建立的性別判別方程與以往國外同類研究具有類似的準(zhǔn)確率，但與顱骨以及骨盆在性別推斷中的準(zhǔn)確率相比略低。本研究結(jié)果表明，應(yīng)用CT-3D VRT測量髕骨推斷四川漢族人群性別具有較高的可行性和準(zhǔn)確性，在缺乏其他準(zhǔn)確性更高骨骼的情況下，可以作為一種替代的方法用于法醫(yī)學(xué)性別推斷。本研究中使用的樣本具有一定的地域和民族特異性，其他地域或民族應(yīng)用此判別方程進(jìn)行性別推斷可能具有一定局限性。因此，其他地域和民族特異性的性別推斷方程需要進(jìn)一步研究。除此之外，其他部位的骨骼在性別推斷中的應(yīng)用價值也有必要進(jìn)一步探索。