基于掩膜分割的Cobb角测量方法

刘晓民，王 哲，郭 伟，吴承羽，张培水，刘仕佳

(1.北京工业大学信息学部信息与通信工程学院，北京 100124;2.空军特色医学中心中西医结合正骨科，北京 100142)

脊柱是身体的重要支柱，是人体最重要的部位之一.它为人类提供了承载身体质量，保护脊髓和神经等重要功能.脊柱力学失衡是很多疾病的根源，目前，已经发现有上百种疾病与脊柱力学失衡有关.

脊柱侧弯是危害青少年和儿童的常见脊柱类疾病，脊柱侧弯是指脊柱一个或多个椎体向侧方弯曲并伴有椎体旋转畸形或前凸、后凸的脊柱畸形[1].从冠状位观察，正常脊柱应笔直并居中于骨盆上方.发生侧弯后，脊柱不正常地向左侧或右侧弯曲，并且患者的脊柱呈现C形或S形[2].

近年来，脊柱疾病的发病率呈现出逐步上升的趋势，也越来越年轻化.脊柱侧弯会影响婴幼儿及青少年的生长发育，使身体变形，严重者可影响心肺功能，甚至累及脊髓，造成瘫痪.诊疗的关键是要早发现、早治疗.由于80%特发性脊柱侧弯发生在青少年阶段，因此10～18岁的青少年为患病高风险人群，一般认为患病率为 1%～3%[3].

除了上面的文化词语外，小说中还出现了表现鲁迅故乡乡土气息的“乡土语言”，包括成语、谚语、俗语、方言等。这种民间话语的最大特点便落在一个“俗”字上，这个“俗”字可以同时作“通俗”“低俗”“粗俗”等义解。这类话语形式鲜活，语域广泛，它们往往是简洁精练又通俗易懂，长期为汉民族所喜爱。因此，如何将这种雅俗共赏的话语传译过去，是译本能否有效地感染目的语读者和观众的一项重要因素(周领顺2016:79)。以下将具体考察两译本中关于乡土语言的翻译。

1 脊柱侧弯患者侧弯程度的测量

1.1 Cobb角测量研究现状

由于早期脊柱侧弯对身体机能影响不明显，因此多不易察觉，后期大多数患者会伴有背部疼痛症状.如果未能及时进行有效干预，脊柱弯曲程度可能持续增大，发展为严重畸形，对人体脏器或运动机能产生较大影响，需进行手术矫正[4].

早期筛查是应对该疾病的预防和治疗至关重要的一步.筛查的方法通常采用“三检法”.第一检：被检测者裸露后背，自然站立，两手自然下垂.通过主观观察受试者后背形态，观察脊柱两侧肩胛骨、腰窝是否等高、对称，各棘突连线是否位于背部中轴线等一系列体表形态来判断脊柱是否侧弯.然后进行亚当斯(Adams)前屈测试，如图1所示，受试者裸露后背，双脚并拢，躯干前屈至90°，检测者从被检测者身后观察其双侧上胸段、胸段、胸腰段以及腰段是否对称.第二检：对Adams前屈测试阳性者进行云纹图双侧对比，云纹图如图2所示，如果两侧云纹环存在明显差异则判定为阳性，进入第三检.第三检：拍摄全脊柱X光片，测量X光Cobb角.脊柱侧弯的严重程度的判断是通过测量Cobb角的大小确定的.当Cobb角小于10°时，被认为是正常解剖的一种变异；当Cobb角大于10°[5-6]时，被判定为脊柱侧弯；Cobb角在10°～20°被认为是轻度脊柱侧弯；当Cobb角在20°～40°时，脊柱侧弯的严重程度被认为是中等的；Cobb角大于40°则表示严重脊柱侧弯[2].

图1 Adams前屈试验Fig.1 Adams flexion test

图2 云纹图Fig.2 Moire pattern

脊柱侧弯最常见的量化指标是Cobb角[7]，Cobb角被1966年成立的脊柱侧弯研究学会(Scoliosis Research Society，SRS)正式采用作为脊柱侧弯的标准量化指标，Cobb角是评价脊柱侧弯的金标准[8]，被用于评估脊柱侧弯的进展和治疗结果[9-10]，因而得到了广泛的应用.

建筑塑料时建筑工程不可或缺的一部分，节能型高分子材料可以为建筑工程领域提供性能较好的建筑塑料，因此被广泛运用。主要有以下几方面，塑料门窗、水管、下水管以及各种联通阀及弯管等，材质均为塑料组成。一般来说，大部分建筑塑料都被铺设于建筑物内部，一旦损坏影响严重，因此，其对质量和性能要求更高。不仅需要隔热、抗压性能满足建筑工程材料要求，还需要无瑕疵漏点，以延长建筑塑料的使用寿命，进而保障建筑工程满足寿命需求。建筑塑料的质量，关系到整个工程的质量和建筑的安全系数。而节能型高分子材料的抗热、抗压性能均高于一般塑料，其应用能够极大的提高建筑物的安全等级，延长建筑物的使用寿命。

Cobb的测量方法包括手工测量和计算机辅助测量.传统手工测量Cobb角在X光片上进行，如图3所示.方法是计算上端椎上端面与下端椎下端面引线夹角.上端椎是侧凸弧头侧倾斜角最大的第一个椎体.下端椎是侧凸弧尾侧最倾斜的第一个椎体.分别作上端椎的上终板和下端椎的下终板的延长线，两延长线或其垂线的夹角即为所求Cobb角[11].传统手工测量Cobb角是在脊柱全长X光片上使用角度测量尺进行测量，一般认为存在5°左右的误差，甚至可能达到10°[12].脊柱侧弯的诊断标准是Cobb角大于10°[13]，所以在脊柱弯曲程度不大的情况下，手工法测量结果存在较大的不稳定性.另外，手工法测量操作不便，端椎的选择不唯一，不同的测量人员可能会选择不同的椎体作为端椎.上、下端椎的端面形态多样、端线绘制误差等因素,导致Cobb角测量结果可信度差，可重复性不高[14].

图3 Cobb角测量原理Fig.3 Principle of Cobb angle measurement

首先，对全脊柱X光数字图像进行对比度受限的自适应直方图均衡化(CLAHE)处理以提高图像对比度，如图6所示.为获取计算机辅助测量结果的对照组数据，聘请2位经验丰富的测量人员对所有X光片数据样本每个椎体进行手工分割标注，并生成掩膜图，如图7所示，以下Cobb角的测量都是在脊柱椎体掩膜图的基础上进行的.

由于增生、骨刺等情况，椎体左右边界的顶端和尾端形态不稳定，为去除端面形态多变导致的测量误差，分别去掉椎体左右边缘数据中包含上端面和下端面结构的L/n段数据，L为本段椎体长度，n为比例系数，仅保留椎体左右边缘中间部分.根据脊柱端椎常见几何形态，n通常为6.经上述处理后，单个椎体保留的左右边界部分如图10所示.

图4 未侧旋椎体和发生侧旋后的椎体Fig.4 Spinal sections without and with rotational scoliosis

1.2 改进的Cobb角测量方法

通过配对t检验获得手工法测量Cobb角的样本的基本统计信息和观察者内部和观察者之间的显著性差异.获取测量者内部和测量者之间的组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)和平均绝对偏差(mean absolute deviation，MAD).ICC置信区间为95%.ICC系数小于0.40表示一致性较差；0.40～0.75表示一般或良好；0.75～1.00表示可靠.MAD是平均绝对偏差，也就是所有单个观测值与算数平均值的偏差的绝对值的平均.观察者内部和观察者之间的显著性差异如表1所示，观察者1两次测量结果显著性、观察者2两次测量结果显著性和2个观察者2次测量均值的显著性都大于0.05，说明其观察者1内部测量、观察者2内部测量和2个观察者之间的测量不存在显著差异.观察者内部和观察者之间的可靠性分析如表2所示，2个观察者内部的ICC值分别为0.950和0.957，MAD分别是2.76°和2.28°，观察者内可靠性分析的总体的ICC值是0.976，MAD是1.67°.说明手工法测量Cobb角观察者内部具有较好的可靠性.观察者之间的ICC值分别为0.946和0.943，MAD分别是2.68°和2.46°，观察者间可靠性分析的总体的ICC值是0.967，MAD是1.91°.说明手工法测量Cobb角观察者之间具有较好的可靠性.总体来说,ICC>0.94,MAD<2.8°,可以看出手工法测量Cobb角具有较高的可靠性.

改进的Cobb角测量方法就是通过每个椎体最小外接矩形的旋转角大小自动确定端椎，通过左右边界间接确定端线，从而计算Cobb角.具体的步骤包括椎体分割、椎体最小外接矩形提取、椎体左右边缘提取、椎体中线提取、Cobb角计算5个步骤，流程如图5所示.

图5 改进的Cobb角测量流程图Fig.5 Procedure of the improved Cobb angle measurement

1.2.1 椎体分割

为减少Cobb角测量引入的人为误差，降低测量的变异性，出现了计算机辅助测量方法.目前，主要有基于分割方法和基于深度学习的方法.Loder等[12]给出了一种计算机辅助测量方法，该方法首先提取脊柱边线，然后计算脊柱曲线，再沿着脊柱曲线，寻找每个椎体的上下端面，根据倾角最大原则获取端椎的上下终板夹角即为Cobb角.该方法需要手工绘制端线，由于端面形态多样，准确获取端面引线比较困难.Allen等[15]首先检测椎体终板，将其终板曲线形态拟合为直线，再计算上下2个终板拟合直线夹角即为Cobb角.该方法虽然避免了手工绘制端线的问题，但依然需要判断端椎，而且终板拟合还是受端椎端面形态影响极大，特别是侧旋较大的端椎顶面或底面呈现类椭圆的高次曲面形态，更难以确定适合的拟合方程.Samuvel等[16]提出基于掩膜的脊柱侧弯的X光片Cobb角的自动测量技术.该方法首先通过脊柱相邻椎体中心点之间的距离关系和位置关系来调整覆盖在椎体上掩膜的大小和角度.然后根据掩膜上下边界的斜率确定上下终板夹角即为Cobb角.该方法需要提取上下边界以拟合终板直线，也没有解决端面形态多样导致拟合不稳定这一问题.Tan等[17]采用U-net分割网络对脊柱X光片进行分割.对分割后的每个椎体利用近似最小包络矩形逼近；选取包络矩形的4个角点坐标并插补包络矩形的上下边界的点，用最小二乘法将包络矩形的上下边界拟合成直线，最后通过直线的斜率确定上下终板，进而得到Cobb角.这种方法由于还是要进行上下边界拟合直线，因此也没有解决端面结构不稳定这一问题.

(3)前扇三角洲亚相。处于浪基面以下的较深水地区，以深灰色和灰色块状泥岩为主。GR曲线呈微齿状，SP曲线呈平直状或锯齿状且幅度较低。

图6 原始X光图像和直方图均衡化后的图像Fig.6 Original X-ray image and image after histogram equalization

图7 脊柱椎体掩膜Fig.7 Mask image of spinal sections

观察者1、观察者2手工法2次测得患者Cobb角的均值分别为22.51°±10.13°、22.69°±10.25°，观察者1和观察者2手工测量法第1次测量、第2次测得Cobb角的均值分别为22.49°±10.02°、22.71°±10.31°，改进的方法测得Cobb角为22.4°±10.03°.

采用基于轮廓检测的自动区域分割方法，计算机辅助找到每个椎体的最小外接矩形，根据外接矩形的方向角来确定每个椎体的粗略倾斜角度，结果如图8所示.

图8 椎体轮廓检测Fig.8 Result of contour detection of spinal sections

1.2.3 椎体左右边缘提取

与手工法相比，对改进的Cobb角自动测量法(以下简称自动测量法)的可靠性进行分析，结果如表3所示，观察者1使用手工法和自动测量法测量的Cobb角的ICC值是0.976，MAD是2.29°.观察者2使用手工法和自动测量法测量的Cobb角的ICC值是0.971，MAD是2.21°.2个观察者使用手工法测量的总体的Cobb角和改进的Cobb角测量法测量的Cobb角的ICC值是0.982，MAD是2.11°.在自动测量法和手工法测量Cobb角中ICC>0.97,自动测量法和手工法的测量误差小于3°，由于目前行业内Cobb角测量的金标准就是手工测量结果，因此分析结果说明改进的Cobb角自动测量法对Cobb角测量具有良好的可靠性.

1)高斯滤波：去除图像中叠加的高频噪声，降低伪边缘的识别.

2)计算图像梯度幅值和方向：一般采用Sobel算子来计算水平、垂直和对角线方向的梯度.

3)沿梯度方向对幅值应用非极大值抑制：Sobel算子得出来的边缘像素宽并且亮度大，非极大值抑制能帮助保留局部最大梯度而抑制所有其他梯度值.这意味着只保留了梯度变化中最锐利的位置.

4)双阈值算法检测和连接边缘：Canny算法应用双阈值，即一个高阈值和一个低阈值来区分边缘像素.如果边缘像素点梯度值大于高阈值，则被认为是强边缘点，被标记为边缘点.如果边缘梯度值小于高阈值，大于低阈值，则标记为弱边缘点，使用8连通区域确定.小于低阈值的点直接被抑制掉.

经过Canny边缘检测算子提取的椎体左右边缘如图9所示.

图9 单个椎体的左右边界Fig.9 Left &right boundary of single spinal section

综上，现有手工测量和计算机辅助测量这2类方法普遍需要获取椎体端面拟合曲线，但不同椎体端面形态多样，特别是存在侧旋时，不同的旋转角度下端面图像结构形态变化很大，如图4所示，难以确定最佳拟合曲线，导致计算结果不稳定.

福建省沿海海区属东亚季风区,其中刘五店港区至罗源湾港区潮汐属半日潮型，海流以潮流为主，基本呈往复型，最大海流流速为145cm/s。

图10 单个椎体要去除的部分和保留的左右边界Fig.10 Removed part of a single spinal section and remained the left &right boundary

1.2.4 椎体中线提取

进行椎体边缘提取后，设椎体的左右边界分别为la和lb，记步骤1.2.2中最小外接矩形框的上边界斜率为k，直线(i=0,1,2)以等间隔d截取步骤1.2.3节中获取的椎体左右边界，与左右边界分别交于mi、qi(i=0,1,2).然后取2个交点mi和qi的中点ci(i=0,1,2)，如图11所示.所有截面的中心点列如图12(a)所示.对该椎体的中心点列ci进行直线拟合，如图12(b)所示.

图11 单个椎体的一个中点的选取Fig.11 Selected midpoint of single spinal section

图12 单个椎体中点和椎体拟合中线Fig.12 Midpoints of single spinal section and their fitting line

1.2.5 Cobb角计算

若不考虑椎体发生楔形病变的情况下，每个椎体均为刚体，其任意位置椎体横截面倾角相等.设每个椎体中心线为Mi(i=0,1,2)，作每条Mi的垂线Vi，Vi的倾角θi(i=0,1,2)与本椎体的倾角一致，θi如图13所示.提取全脊柱被考察区域中θi最大和最小值θmax和θmin，两角之差|θmax-θmin|即为Cobb角.

我国是农业大国，对农机设备有很高的要求。随着农机总量的不断扩大，新的农机装备也在不断涌现，导致我国的农业生产方式逐渐由人畜生产力向机械生产力转移，基本上摆脱了几千年的劳动力作业形式，但是，这样势必会给整个农机安全监理带来巨大的压力和挑战。

图13 椎体倾角Fig.13 Angle of spinal section

2 统计学分析

现行脊柱侧弯的标准是Cobb角>10°，而手工测量Cobb角的误差在5°左右，临床实践中手工测量Cobb角若为10°±5°，此时判断其是否为脊柱侧弯存在较大的不确定性，是不可靠的.为保证数据及结果严谨，对于本文方法，采用更严苛的容限10°±2°.因此为验证本文提出的改进的Cobb角测量方法的可靠性和准确性，选取134例手工测量Cobb角不在8°～12°内的全脊柱X光片样本，分别用本文方法进行自动分析和由经验丰富的观察者1、观察者2采用传统的手工测量方法测量上述X光片Cobb角.间隔1周后，2位观察者再次采用同样的手工方法进行测量.使用SPSS 22.0统计分析软件对测量结果进行统计学分析.

1.2.2 椎体最小外接矩形提取

2.1 手工测量Cobb角的可靠性分析

针对Cobb角测量中存在的端椎定位困难、端面引线不稳定导致Cobb角测量误差大及不稳定的问题，本文提出了改进的Cobb角测量方法.该方法自动确定端椎，不需要直接提取或拟合端线，避免了现有方法需要寻找端椎和确定端线造成结果不稳定的问题.

表1 配对t检验成对样本检定Table 1 Sample verification with Paired t-test

表2 手工测量Cobb角观察者内部和观察者之间的可靠性Table 2 Reliability within intra-observer and inter-observer manual Cobb angle measurements

2.2 改进的Cobb角测量法和手工法的比较

选取Canny边缘检测算子提取每个椎体的左右边界，步骤如下.

因此，要记住这3种面包的配方，首先要记住法棍面包的配方，通常酵母和改良剂的用量是一定的，食盐的用量在法棍面包中是2%左右，水的添加量主要看面粉的吸水率。在此基础上添加一定比例的油、糖、蛋、乳制品可以制作出不同的面包品种，或者说很多面包品种的基础面团配方都是在油、糖、蛋、乳制品上做比例的调整，并通过添加馅料，改变面包口味，进而变化出很多不同的面包品种。

动车组受电弓虚拟拆装培训系统开发研究 赵方雨，程冠达，韩子健，马思群，刘宇婧，黄楚钧，王 雪4(90)

表3 改进的Cobb角测量法和手工法的一致性分析Table 3 Consistency analysis between improved and manual Cobb angle measurement

2.3 改进的Cobb角测量法诊断脊柱侧弯的表现总结

以手工法测量X光片Cobb角>10°作为脊柱侧弯的金标准，对改进的Cobb角测量方法进行有效性检验，得到敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值和Youden指数等参数，判断改进的Cobb角测量方法的有效性.敏感度=(真阳性人数/手工法脊柱侧弯数)×100%；特异度=(真阴性人数/手工法无脊柱侧弯数)×100%；准确度=((真阳性人数+真阴性人数)/总人数)×100%，准确度是改进的Cobb角测量方法能准确划分脊柱侧弯患者和非脊柱侧弯患者的百分率；阳性预测值=(真阳性人数/改进的Cobb角测量法脊柱侧弯数)×100%，阴性预测值=(真阴性人数/改进的Cobb角测量法无脊柱侧弯数)×100%；Youden指数=敏感度+特异度-1.

在Pan等[18]用计算机辅助方法测量Cobb角的实验结果中，敏感度为89.59%、特异度为70.37%、准确度为87.5%、阳性预测值为96.12%、阴性预测值为45.24%、Youden指数为41.36%.本文以2个观察者2次测量的总体均值作为改进的Cobb角测量方法有效性检验的数据，134例样本中，手工测量Cobb角诊断结果为有脊柱侧弯的130个，本文的改进的Cobb角测量方法中该130人也均被判断为有脊柱侧弯；134例样本中，手工测量方法结果中4人被诊断为没有脊柱侧弯，而本文手工测量Cobb角方法诊断结果为该4人中有1人有脊柱侧弯，其余3人与手工方法结果相同.经过计算得到敏感度为100%>89.59%，特异度为75%>70.37%，准确度为99%>87.5%，阳性预测值为99%>96.12%，阴性预测值为100%>45.24%，Youden指数为75%>41.36%.以上数据表明改进的Cobb角测量方法具有较高的敏感度、准确度和特异性，如表4所示.

6)火灾发生中，火焰点燃了车库内的“明”电源导线，使电源形成短路导致了墙壁上的两个插座内接线盒均被烧焦熔化。

(1)土壤水中离子浓度。离子浓度越低，潜在破坏风险越高。分散性土在离子浓度很低时，是最容易被水侵蚀的，如雨水。

表4 改进的Cobb角测量法的表现总结Table 4 Summary of the performance of the improved Cobb angle measurement

3 结论

Cobb角作为指导脊柱侧弯诊断和治疗的重要指标，测量的可靠性和准确性至关重要.由于在X光片上很难高精度定位端椎和确定端线，手工法测量Cobb角稳定性不佳.为解决此问题，本文提出了一种基于掩膜分割的改进的Cobb角测量方法，该方法在以下3个方面存在优势.

火灾报警系统作为一项专业性极强的技术工程，在水利建筑物的建设中应始终严把质量关，把“质量第一、安全第一”的要求放在首位，并根据每一项工程的自身特点，对设计、采购和施工中的每一个环节都要实施有效的动态控制，建立良好的质量监督体系，切实提高火灾自动报警系统的工程质量，确保水利工程的安全运行。

1)不需要提取椎体端线，避免了端面结构不稳定造成的测量误差.

2)以传统的手工法测量Cobb角为标准，本文提出的方法测量Cobb角具有良好的可靠性.

3)本文提出的改进的Cobb角的方法在判断脊柱是否发生侧弯时具有较好的稳定性.