運用成年人數(shù)字胸片中胸椎椎體特征判斷性別研究

孟 舒

（貴州警察學(xué)院，貴州 貴陽 550005）

一、引言

在法醫(yī)學(xué)司法鑒定實踐中，審閱影像學(xué)資料是必不可少的基礎(chǔ)工作，可用以確認(rèn)損傷個體、損傷部位、性質(zhì)、程度及損傷時間等重要內(nèi)容。工作中經(jīng)常遇到同一案件中，同一個體的多張影像學(xué)片并非同一時間拍攝，影像學(xué)片所載患者基本信息錯誤等情況。因此鑒定人的實際工作內(nèi)容會涉及對個體影像資料的身份確認(rèn)及同一認(rèn)定。并且胸部損傷為人體各部位損傷的常見部位，在民事訴訟、人身損害賠償、保險賠償、刑事案件的偵破等相關(guān)鑒定中，均經(jīng)常涉及胸部損傷的鑒定內(nèi)容。性別判定是身份確認(rèn)及同一認(rèn)定的重要組成部分，是實現(xiàn)個體識別的重要一步。在臨床普及影像學(xué)檢查的今天，通過影像學(xué)資料鑒定性別已經(jīng)變成法醫(yī)工作的一部分，世界各國科研工作者們也在進行相關(guān)研究。關(guān)于顱骨形態(tài)學(xué)的研究中，有學(xué)者通過測量下頜骨CT 預(yù)測性別[1]，根據(jù)頭部斷層掃描測量眼窩孔徑以測定性別[2]，量化男性和女性額骨之間的形態(tài)差異并且用于預(yù)測性別[3]，通過上頜竇、額竇、枕骨大孔、顱骨CT測量值預(yù)測性別[4][5][6][7]。在胸部結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)研究中，有學(xué)者通過CT 掃描鎖骨，并測量相關(guān)解剖學(xué)的幾何值進行性別評估[8]，有學(xué)者通過測量人體死后肩胛骨CT 片中相關(guān)幾何值進行性別判斷[9]，有學(xué)者通過計算機斷層掃描，測量胸骨形態(tài)學(xué)特征判斷性別[10][11][12][13]。韓國學(xué)者Sheng-Bo Yu 等人，從韓國人影像資料中獲取第12 胸椎三維圖像，建立性別判別函數(shù)，驗證了第12 胸椎的性別二向性[14]，日本學(xué)者Shun Tsubaki 等人通過對臨床胸片上第10 胸椎和第6、7 肋骨的幾何形態(tài)測量判斷性別，并得出了有利的結(jié)論——從脊柱和肋骨獲得的幾何特征的組合可以用來確定性別[15]。在四肢及關(guān)節(jié)的形態(tài)學(xué)研究中，有學(xué)者根據(jù)股骨CT、膝關(guān)節(jié)CT、髕骨核磁共振中的各項指標(biāo)判斷性別[16][17][18]，埃及學(xué)者Enas M.Mostafa 等人利用股骨近端X光片進行性別判定，研究結(jié)果證明在埃及人群中，股骨數(shù)字X 線攝影可以作為一種替代測量方法用于性別判定[19]。這些研究結(jié)果，不僅可以應(yīng)用于活體檢驗中的身份認(rèn)定，也可幫助法醫(yī)在一些特殊情況下，如自然災(zāi)害、嚴(yán)重火災(zāi)、飛機失事等重大事故時，利用人體殘骸判斷性別。

本研究聚焦于胸部數(shù)字X 光檢查（以下簡稱胸片）的評估，判斷貴州地區(qū)成年人的性別。目前胸片檢查廣泛應(yīng)用于臨床，收集容易。研究目的是檢驗是否可以利用不同年齡組的胸片上胸椎的幾何信息確定性別。

二、材料與方法

（一）研究對象及胸片質(zhì)量控制

1.研究對象

本研究收集男、女正常胸部正位DR 片（PA，后前位）共107 張，經(jīng)過篩選，排除脊柱成像效果不清晰、體位不端正的胸片，最終挑選出62 張，男性組31 張，年齡范圍18～79 歲；女性組31 張，年齡范圍20～68 歲。

2.胸片質(zhì)量控制

研究所用胸片均來自同一家三甲醫(yī)院，拍攝要求符合正位胸片拍攝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[20]，拍攝距離（SID）180cm，曝光度、曝光時間等參數(shù)均一致。影像片均帶有拍攝系統(tǒng)自動校準(zhǔn)的比例尺，可用于測量長度的校準(zhǔn)。其中，SID 為放射源距離接收器距離，是拍攝中的首要控制因素，可以控制被照物體尺寸和形狀在投影時的變化，180cm 的SID，減少了心臟以及胸腔其他結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)[21]。

（二）儀器與軟件

胸片拍攝設(shè)備為佳能公司生產(chǎn)的CCR2。測量胸片中相關(guān)幾何長度指標(biāo)應(yīng)用圖像處理軟件（Image J）在戴爾筆記本電腦上進行測量。電腦操作系統(tǒng)為WIN10 系統(tǒng)。測量結(jié)果的統(tǒng)計學(xué)分析使用IBM SPSS Statistics22 軟件完成。

（三）研究方法

有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，上胸椎節(jié)段，由于通常較下胸椎節(jié)段骨質(zhì)缺乏，在X 線上清晰度不佳，因此選擇在胸4 椎體（T4）及以下胸椎節(jié)段進行形態(tài)測量研究[22]。并且在胸椎的12 節(jié)椎體中，位置較低的椎體（胸11、12 椎體），可能由于其承重更大而發(fā)生更大的變異率；而位置靠上的胸椎由于心臟、肺臟軟組織影及肋骨成像的遮擋，在胸片中不易于觀察其形態(tài)，容易造成觀察者的失誤[23]。T9 椎體位置中下，變異率不高，與氣管、食管或膈肌的重疊較少，更易于觀察者目測評估；同時，由于其較其它靠下的胸椎而言（胸10—胸12 椎體）更接近X射線的投射中心，幾何畸變和放大的影響較小。綜合上述因素，研究者選擇T9 椎體作為最終研究對象。

臨床胸片為二維灰階平面圖形，提供了椎體解剖結(jié)構(gòu)的二維圖像。圖像上顯示的不同灰度的投影表示了被檢查組織的密度和原子序數(shù)。研究正是基于平面圖像中骨組織和周圍軟組織放射對比度差異（灰度不同）進行觀測。研究發(fā)現(xiàn)，女性椎體的整體橫斷面積比男性小25%，椎體尺寸存在明顯性別差異[24]，因此本研究共選取能夠反應(yīng)T9 椎體尺寸大小的6 項觀測指標(biāo)，分別為：T9 椎體上緣寬度（T9-1），測量T9 椎體上緣左右兩端點之間的直線距離；T9 椎體下緣寬度（T9-2），測量T9 椎體下緣左右兩端點之間的直線距離；T9 椎體左側(cè)緣高度（T9-3），T9 椎體左側(cè)緣上下兩端點之間直線距離；T9 椎體右側(cè)緣高度（T9-4），T9 椎體右側(cè)緣上下兩端點之間直線距離；T9 椎體右上-左下對角線長度（T9-5），測量T9 椎體一條對角線的長度；T9 椎體左上-右下對角線長度（T9-6），測量T9 椎體另一條對角線的長度。各項指標(biāo)的測量方法如圖1 所示。

圖1 第9 胸椎椎體各項測量指標(biāo)

（四）統(tǒng)計學(xué)分析

依據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析基本原理，首先對測量數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析及正態(tài)性檢驗，對于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，做方差齊性分析（Levene測試），隨后采用獨立樣本T 檢驗的方法，對男、女各指標(biāo)進行比較，檢驗是否存在統(tǒng)計學(xué)上的性別差異。接下來對男、女6 項指標(biāo)做單因素方差分析、組間協(xié)方差矩陣齊性檢驗，判斷數(shù)據(jù)是否可用于建立判別函數(shù)。最后檢驗判別函數(shù)的統(tǒng)計學(xué)意義，以及對其進行交叉驗證，檢驗其判別的正確率。

三、研究結(jié)果

（一）描述性統(tǒng)計分析結(jié)果

統(tǒng)計結(jié)果顯示，T9 椎體6 項測量指標(biāo)的均數(shù)男性均大于女性，差值最大為T9-6，相差4.36cm，最小為T9-4，相差2.04 cm。K-S 檢驗與Shapiro-Wilk 檢驗結(jié)果顯示各測量值P＞0.05，男、女不同性別的6 個測量指標(biāo)符合正態(tài)分布；方差分析Levene 測試P＞0.05，各組方差齊。獨立樣本T 檢驗結(jié)果顯示P＜0.05，測量值性別間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。以上統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 各項指標(biāo)描述性統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果

對測量值進行Wilks' Lambda單因方差分析，P＜0.05，證實各變量在組間存在差異；Box's M協(xié)方差矩陣齊性檢驗中，P＞0.05，協(xié)方差矩陣齊同，可進行判別分析。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 單因素方差分析及組間協(xié)方差矩陣齊性檢驗結(jié)果

（二）判別函數(shù)

1.多指標(biāo)典型判別函數(shù)

運用SPSS 創(chuàng)建了一個典型判別函數(shù)，該函數(shù)同時包含了實驗所測量的6 項指標(biāo)，其典型相關(guān)性為0.767（見表3）。對該判別函數(shù)進行威爾克Lambda 檢驗，P＜0.05，此典型判別函數(shù)有統(tǒng)計學(xué)意義（見表3）。判別函數(shù)式表達為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 為未標(biāo)準(zhǔn)化典型判別函數(shù)的系數(shù)；群組中心組函數(shù)女=-1.176，男=1.176。利用未標(biāo)準(zhǔn)化典型判別函數(shù)求出未知分組的個案判別得分，該案例的散點離群中心組函數(shù)中哪一個重心最近，即得到判別結(jié)果。

表3 特征值與Wilks' Lambda 檢驗結(jié)果

對所得函數(shù)D，針對分析中的觀察值進行交叉檢驗。在交叉驗證中，每一個觀察值都會依據(jù)其余N-1個觀察值得到的判別函數(shù)進行分類，再用該觀察值的正確分類進行驗證。本研究所得函數(shù)交叉驗證的正確率達82.25%（見表4）。利用正判率臨界值計算公式計算，（100%÷2）×1.25=62.5%。顯然，用本研究6 項指標(biāo)所建立的判別函數(shù)對新案例的判別效果令人滿意。

表4 分類結(jié)果交叉驗證

2.單項指標(biāo)典型判別函數(shù)

除以上函數(shù)D 之外，統(tǒng)計學(xué)結(jié)果表明，6項指標(biāo)也均可單獨用于性別的判定，其函數(shù)式可以表述為：

D1=-14.262+0.468×（T9-1），群組中心組函數(shù)女=-0.846，男=0.846；

D2=-16.283+0.473×（T9-2），群組中心組函數(shù)女=-0.980，男=0.980；

D3=-20.485+0.888×（T9-3），群組中心組函數(shù)女=-0.985，男=0.985；

D4=-19.017+0.831×（T9-4），群組中心組函數(shù)女=-0.846，男=0.846；

D5=-18.640+0.468×（T9-5），群組中心組函數(shù)女=-1.012，男=1.012；

D6=-19.050+0.481×（T9-6），群組中心組函數(shù)女=-1.050，男=1.050。

經(jīng)過交叉驗證，以上函數(shù)單一指標(biāo)判別率最高為83.9%，最低為72.6%（見表5）?？梢钥闯?，除了T9-4 外，其余單一指標(biāo)判別率均超過80%，均能有效進行判別。

表5 6 個單一指標(biāo)判別函數(shù)及交叉驗證正確率匯總表

四、結(jié)果討論

（一）研究結(jié)果分析

本研究對貴州地區(qū)漢族成年人胸片中第9胸椎二維灰度圖像進行測量，在男性和女性之間發(fā)現(xiàn)了顯著的差異。目前發(fā)現(xiàn)的男性T9 的寬度、長度、對角線長度均大于女性。據(jù)報道，我國18 歲及以上成年男性和女性的平均身高分別為167.1cm 和155.8cm，平均體重分別為66.2kg 和57.3kg，代表著通常情況下成年男性體型大于成年女性，提示脊柱影像學(xué)資料性別差異的研究價值。B Lawrence Riggs 等人研究表明，成年男性的骨骼面積比女性大35-42%[25]，本研究中，T9 椎體的6 項指標(biāo)測量結(jié)果均值男性都大于女性，與以上事實相互印證。本研究中，當(dāng)6 項指標(biāo)共同用于性別判定，女性正確率為83.9%，男性正確率為80.6%，平均正確率為82.25%，判別效果較好，在缺乏其它有用的判斷性別的方法時，是可用的性別判定的變量。在6 項指標(biāo)中，T9-5、T9-6 為第9 胸椎二維投影的對角線長度，統(tǒng)計學(xué)結(jié)果提示此兩項指標(biāo)與判斷結(jié)果的典型相關(guān)性均高于其它4 項指標(biāo)，并且單項指標(biāo)判別函數(shù)的交叉驗證正確率也高于其它4 項指標(biāo)，均為82.3%，分析認(rèn)為對角線長度與胸椎二維投影平面四邊形的面積呈現(xiàn)出高度相關(guān)性，提示椎體二維投影面積、椎體體積等指標(biāo)可能是更為準(zhǔn)確的變量，因此，應(yīng)用三維CT 重建人體骨骼三維模型，應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)個體識別的研究是今后研究的方向之一。

最終我們可以得出結(jié)論，利用貴州地區(qū)漢族成年人胸部數(shù)字X 光片，可以幫助法醫(yī)在特定情況下判斷性別。研究結(jié)果也證實了第9 胸椎椎體存在性別二向性，在僅發(fā)現(xiàn)尸體部分遺骸的情況下，有助于判斷遺骸的性別。研究證實了胸部X 光片在圖像同一認(rèn)定中的價值，為研究應(yīng)用人工智能-圖像識別領(lǐng)域進行法醫(yī)學(xué)個體識別提供理論支撐。

（二）研究的局限性

法醫(yī)學(xué)性別鑒定作為身份認(rèn)定的重要內(nèi)容早已被學(xué)界廣泛研究，其采用的手段之一，是借助人類學(xué)的方法，通過測量已知性別遺骸的骨骼尺寸大小、形狀等判定性別。隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展，影像檢查日益普及，影像學(xué)資料目前也被廣泛應(yīng)用于身份認(rèn)定，在某些情況下可以替代對遺骸的直接測量，這主要得益于影像檢查方法的無創(chuàng)性、客觀性、簡便性以及資料的易保存性。法醫(yī)學(xué)家通過測量已知性別的X 光片、CT 片、MRI 片（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）等常見影像資料上人類骨骼二維影像的幾何信息，篩選出具備性別特征的指標(biāo)，建立判別函數(shù)，判斷未知性別的影像片的性別歸屬。此方法易于研究，容易掌握，在實踐中便于推廣，但也有其局限性。它會受到一些因素的干擾，比如被鑒定者的年齡、疾病或損傷、醫(yī)療行為所帶來的后果、影像資料的質(zhì)量和拍攝條件及閱片鑒定人的經(jīng)驗等[26]。這使得我們的研究亦有一定的局限性。現(xiàn)將本研究的局限性總結(jié)如下：

1.研究對象的局限性

本研究僅針對貴州地區(qū)漢族成年人開展。一些報告顯示，不同種族人群中骨骼的性別二向性是不同的，因此由于研究對象的種族不同，得到的結(jié)果可能會有差異，本研究未涉及到不同種族同一特征的性別二向性問題，限制其應(yīng)用范圍。

2.對胸片拍攝質(zhì)量要求較高

胸部X 光片的拍攝質(zhì)量會影響鑒定人的實際測量結(jié)果，但胸片的質(zhì)量好壞取決于臨床放射科醫(yī)生的拍攝經(jīng)驗，在研究中也無法得到有效控制。我們在研究時，必須選擇成像清晰度、對比度好，體位端正的胸片，對于拍攝效果差的胸片，就失去了應(yīng)用價值。另外，臨床胸片的拍攝目的并非用于法醫(yī)學(xué)研究測量中，因此胸椎顯示不清導(dǎo)致無法測量的情況還是時有發(fā)生，會導(dǎo)致鑒定無法進行。

此外，鑒定時的檢材和樣本在拍攝時的SID、投照中心的位置、OID（物體距接收器距離）和等關(guān)鍵參數(shù)不一致，將會導(dǎo)致X 光片上的被拍物影像形狀和大小發(fā)生不一致的改變，直接影像判別的結(jié)果。

3.受鑒定人的閱片經(jīng)驗的影響

本研究閱片測量過程始終由一名有經(jīng)驗的鑒定人完成，雖然采用的是多次測量后取平均值的方法來控制測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，卻沒有研究不同鑒定人測量對結(jié)果的影響。另一方面，雖然實際情況中被拍攝者的年齡、是否患有疾病或曾遭受損傷，以及是否存在醫(yī)療后果等影響是可以控制的因素，但在閱片過程中，仍然要求鑒定人注意觀察骨骺的愈合情況、排除存在代謝性疾病或骨骼存在陳舊性損傷、先天畸形等情況，這些都要求測量者需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，具備一定的閱片經(jīng)驗和鑒定經(jīng)驗，這對鑒定者提出了更高的要求。