基于CT-3D VRT测量髌骨推断四川汉族人群性别

占梦军，李明，李春琳，张奎，丁世荣，邓振华

（1.四川大学华西基础医学与法医学院，四川 成都 610041；2.黄南藏族自治州公安局，青海 黄南 811399；3.阿坝藏族羌族自治州人民医院放射科，四川 阿坝 624000）

个体识别是法医学研究的重要内容之一，特别是在分析肢解、烧死以及严重残缺的尸体或骨骼残骸时，对于确定未知名身份的人体残骸是非常重要的。而性别推断是个体识别中的关键步骤之一，准确的性别判断能够使尸源搜索的范围减小50%。尽管近年来DNA方法在性别鉴定中已经取得了非常准确的结果，但在某些环境下（如火灾）DNA已发生降解，而用于估计性别的形态学方法仍然能够发挥他们在性别鉴定中的巨大优势[1]。众所周知，骨盆和颅骨在性别判断中的准确性最高，但在大规模灾难以及某些情况下这些骨骼可能遭到严重破坏，难以用于性别推断[2]。因此，在骨盆和颅骨都不可用的情况下，可利用其他保存完整的骨骼进行性别推断。

髌骨是人体最大的籽骨，具有体积小、质地硬、不容易受到暴力破坏等优点，因此对于未知身份人体残骸的性别推断具有很大的应用价值[3]。近年来，国外已有利用髌骨进行性别推断的相关研究[3-6]，包括利用干骨直接测量以及将现代医学影像学技术运用于该研究领域。国外最新研究[6]结果表明，计算机体层成像（computed tomography，CT）三维容积重建技术（three dimensional volume reconstruction technique，3D VRT）能较真实地还原髌骨的解剖形态，实现髌骨形态的准确测量。本研究通过应用CT-3D VRT测量当代四川汉族人群的髌骨，进一步探索髌骨在性别推断中的应用价值。

1 对象与方法

1.1 样本

研究对象：本研究按照纳入标准和排除标准直接从四川大学华西医院放射科影像存档和通信系统（picture archiving and communication systems，PACS）中选取2017年12月至2018年6月期间拍摄的左膝关节薄层CT图像250例。其中男性130例，年龄18～90岁，平均年龄（42.98±13.92）岁；女性120例，年龄18～82岁，平均年龄（45.90±15.22）岁。各性别不同年龄段样本分布情况见表1。

表1 样本的年龄分布情况Tab.1 Age distribution of samples （例）

纳入标准：（1）经电话回访确认直系亲属三代之内均为汉族；（2）年龄≥18岁；（3）CT三维成像图像清晰。

排除标准：（1）髌骨存在损伤、畸形或手术史者；（2）曾服用或正在服用影响代谢与发育及骨生长的药物；（3）曾患有或现患有影响骨生长、发育与代谢的全身疾病。

本研究所选的研究对象均为曾在四川大学华西医院进行膝关节CT检查的患者或健康体检者，未进行额外不必要的放射学检查，属于横向回顾性研究，符合有关的医学伦理及法律条款规定。

1.2 仪器

所有患者均采用SOMATOM Definition AS 128层螺旋CT（德国SIEMENS公司）进行扫描，扫描参数：管电压120 kV，管电流110 mAs，矩阵128 mm×1 mm，层厚1mm。扫描范围为整个左膝关节[3-5]。扫描后将DICOM格式图像传至PACS。采用Mimics 19.0软件（比利时Materialise公司）对左膝关节薄层CT图像采用CT-3D VRT重建，重建层厚为1mm。

1.3 测量指标

本研究参照PECKMANN等[3]以及MICHIUE等[6]的测量指标进行确定，分别进行CT-3D VRT，选取髌骨长（x1）、髌骨宽（x2）、髌骨厚（x3）以及髌骨体积（x4）共4项作为测量指标。髌骨各测量指标的具体定义见表2。

表2 髌骨各测量指标及定义Tab.2 Definitions of the patellar measurements

1.4 测量方法

将左膝关节CT扫描的医学数字成像和通信（digital imaging and communication in medicine，DICOM）数据导入Mimics 19.0，通过设置不同的灰度阈值，将髌骨与周围其他组织进行分离，通过CT-3D VRT对分离的髌骨进行容积重建，获取完整的髌骨3D模型（图1），同时读取软件自动提供的髌骨体积。利用软件中自带的三维视图查看功能，分别由软件自动将髌骨调整为正前面观（图2A）和侧面观（图2B），利用软件自带的线性测量工具测量髌骨长、髌骨宽和髌骨厚。

1.5 一致性检验

本研究所有测量工作均由1名研究人员测量完成，每个指标测量3次，取平均值。为了评估该方法的可重复性和一致性，在间隔1周后，由该测量人员和另外一位测量人员对20例随机样本重新进行测量。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）对该方法在观察者内和观察者间的可重复性和一致性进行检验，ICC值越接近于1，说明该方法的可重复性和一致性越高。

图1 髌骨三维容积重建Fig.1 Three-dimensional volume reconstruction of patella

图2 髌骨各指标测量示意图Fig.2 Schematic diagram of patella measurement

1.6 统计方法

首先对男性和女性样本各测量指标进行一般描述性统计分析，然后采用Kolmogorov-Smirnov非参数检验确定各项指标是否服从正态分布，结果显示，数据呈正态分布（P＞0.05）。可以对髌骨的各项测量指标按性别分组进行独立样本t检验，筛选出性别差异有统计学意义的各项指标。对存在性别差异的指标分别使用单变量Fisher判别分析法建立单指标判别函数，使用全部指标纳入判别函数构建全指标判别函数，逐步Fisher判别分析法建立多指标判别函数。每对判别函数中，y0代表男性，y1代表女性，若|y0|＞|y1|则判定为男性，若|y0|＜|y1|则判定为女性。通过留一交叉验证法计算性别分类的准确率。采用SPSS 21.0软件（美国IBM公司）进行统计分析，双侧检验水准α=0.05。

2 结 果

观察者间和观察者内的ICC计算结果显示，观察者间和观察者内的ICC值均大于0.9，且P＜0.05，表明该测量方法在组内和组间均具有高度的可重复性。观察者间和观察者内的ICC计算结果见表3。

表3 观察者间和观察者内的ICCTab.3 The ICC for intra-and inter-observer

对男女性髌骨的4项测量指标进行描述性统计及独立样本t检验（表4），结果显示，男性x1、x2、x3以及x4的均值均大于女性（P＜0.05）。

各测量指标构建的判别函数及判别准确率见表5和表6。在单指标判别方程中，以髌骨长建立的判别方程准确率最高，髌骨厚建立的判别方程准确率最低。髌骨长和髌骨厚判别方程经留一交叉验证法得到的总体判别准确率分别为82.0%和71.6%。全指标判别方程以及逐步判别方程经留一交叉验证后的总体判别准确率分别为80.4%和81.6%。

表4 髌骨各测量指标的描述性统计及t检验结果Tab.4 Descriptive statistics and t-test results of patellar measurements

表5 单指标判别方程及留一交叉验证的判别准确率Tab.5 The accuracy rate of the univariate discriminant function and leave-one-out cross validation

表6 多指标判别方程及留一交叉验证的判别准确率Tab.6 The accuracy rate of multivariate discriminant function and leave-one-out cross validation

3 讨论

性别推断作为法医学个体识别中的重要组成内容，一直以来都是国内外专家学者研究的热点之一。目前，国内外已有大量利用颅骨、骨盆以及四肢长骨进行性别推断的相关研究[7-11]。研究[12]结果表明，利用颅骨进行性别推断的准确率可达92%，利用骨盆判断性别的准确率可达95%，同时利用这两种骨骼判断性别的准确率可达98%，而如果整个人体骨骼都保存完整，利用全部骨骼进行性别推断的准确率可高达100%。但在法医学实践中，经常会遇到颅骨和骨盆遭到破坏，甚至缺失的情况。因此，探索其他骨骼在法医学性别推断中的应用价值就显得尤为重要。

法医学性别推断主要采用2种方法，包括肉眼形态差异观察法和骨骼测量分析法。通过肉眼观察骨骼的形态差异进行性别推断的方法较为简单、快速，但准确率较低，且存在较大的主观性。通过对骨骼进行测量，同时结合统计学分析建立的判别函数法无需具备法医学的相关专业知识，操作简单且判别结果不受个体的主观性影响，相对较客观准确。因此，后者一直是国内外专家学者进行性别推断采用的主要研究方法。

以往国外的此类研究均是基于各国的骨骼收藏标本进行直接测量分析。近年来，随着医学影像学技术的发展，国内外学者逐渐认识到影像学技术在法医学领域应用的重要价值[5-6，8-10]。这项技术的应用使得活体成为可能的研究对象，给我国长期以来由于骨骼收藏样本的严重缺乏导致此类研究相对滞后带来了新契机。尤其是CT-3D VRT的出现，通过该技术获取的骨骼影像能够达到解剖立体全貌，并能直观地暴露出骨骼测量的标志点，因此采用该技术能够准确、直观地测量各项骨骼指标[13]。与直接对骨骼进行测量的传统法医人类学方法相比，利用CT-3D VRT对骨骼进行测量，避免了去除骨骼表面软组织的前处理工作，节约了大量时间，提高了工作效率，并且不会对骨骼表面组织造成损害。因此，该方法非常适合用于法医学相关的科研与鉴定。

2008年，ABDEL等[14]利用160张活体成人右膝关节正侧位X线片，通过测量髌骨长和髌骨宽2项指标，建立了埃及人群的性别判别方程，其中髌骨长的性别判别准确率为72.5%，髌骨宽的性别判别准确率为73.8%。2016年，PECKMANN等[4]通过直接测量当代西班牙人群髌骨的6个长度指标建立了多个判别方程，其中单指标判别函数的性别判别准确率为75.2%～84.8%，多指标判别函数的性别判别准确率为75.5%～83.8%。2018年，YASAR等[5]利用磁共振成像对220例土耳其患者左膝关节进行扫描，通过测量髌骨长、髌骨宽、髌骨厚3项指标，建立了多个判别方程，结果显示，单变量判别函数的性别判别准确率为79.0%～86.5%，以髌骨宽建立的单指标判别方程准确率最高，准确率为86.5%，多指标判别函数显示性别判别准确率为89%。同年，MICHIUE等[6]利用多层螺旋CT对当代日本尸体双侧膝关节进行CT三维重建，通过测量髌骨长、髌骨厚、髌骨体积以及CT值共4个指标建立了多个判别方程，其性别判别准确率在70.9%～87.7%，以髌骨体积建立的判别方程准确率最高（87.7%），其次是CT值（84.1%）和髌骨长（80.9%），准确率最低的是髌骨厚（74.1%）。本研究中所有髌骨测量指标经统计学分析显示，男性全部测量指标的均值都大于女性，各测量指标在性别间差异有统计学意义，表明髌骨长、髌骨宽、髌骨厚以及髌骨体积4个指标存在显著的性别差异，这与对埃及人[14]、西班牙人[4]、土耳其人[5]以及日本人[6]的研究结果类似，但利用各指标建立的判别函数在性别推断中的准确率略有差异。此外，同一测量指标在不同人群中的准确性也不同。例如，本研究中性别推断准确率最高的测量指标与西班牙人群一样，都是髌骨长，而埃及和土耳其人群是髌骨宽，日本人群是髌骨体积。造成这一差异的原因可能与不同人群的遗传、环境以及生活方式不同有关，进而导致髌骨的发育在不同人群间存在一定差异。本研究结果进一步证明了基于某特定人群建立的判别方程不能直接用于起源不同的人群进行性别推断，应根据本地区人口学特征建立人群特异性判别方程用于性别推断[15]。

本研究利用CT-3D VRT以活体为研究对象，结合国外相关研究报道，综合考虑髌骨二维线性测量指标以及三维体积测量指标用于四川汉族人群性别推断，所建立的性别判别方程与以往国外同类研究具有类似的准确率，但与颅骨以及骨盆在性别推断中的准确率相比略低。本研究结果表明，应用CT-3D VRT测量髌骨推断四川汉族人群性别具有较高的可行性和准确性，在缺乏其他准确性更高骨骼的情况下，可以作为一种替代的方法用于法医学性别推断。本研究中使用的样本具有一定的地域和民族特异性，其他地域或民族应用此判别方程进行性别推断可能具有一定局限性。因此，其他地域和民族特异性的性别推断方程需要进一步研究。除此之外，其他部位的骨骼在性别推断中的应用价值也有必要进一步探索。