О возможности применения многомерного анализа цифровых изображений спонгиозы лучевой кости для идентификации возраста

Publication in electronic media: 11.06.2009 under http://journal.forens-lit.ru/node/80
Publication in print media: Актуальные вопросы судебной медицины и экспертной практики, Барнаул-Новосибирск 2008 Вып. 14

В.Э. Янковский, С.В. Кучерявский, И.А. Беляев, С.А. Фоминых, А.В. Пивоваров

г. Барнаул

Установление личности неопознанных трупов, в тех ситуациях, когда невозможно провести опознание по признакам внешности (обнаружение расчлененных, гнилостно измененных трупов, костных останков и т.д.) представляет собой актуальную проблему. В таком случае перед судебно-медицинским экспертом встает вопрос о проведении идентификационных исследований. При этом одним из наиболее важных идентификационных признаков является возраст трупа (Iscan M.Y. at al., 1985; Пиголкин Ю.И. и соавт., 2006), определение которого в значительной мере позволяет следствию сузить группу поиска.

При обнаружении трупов со значительными изменениями мягких тканей основными объектами судебно-медицинской экспертизы являются кости скелета, которые несут на себе различные информационные признаки, в том числе и возрастные.

Наряду с различными экзостозами, остеофитами и др. одним из показателей старения костной ткани считается остеопороз, при котором наибольшие изменения происходят в трабекулярной кости. Это объясняется тем, что губчатая кость отличается меньшей плотностью в сравнении с компактной (Ходжсон С., 2007), имеет большую поверхность, относительно тонкую структуру и особенно чувствительна к потере костного вещества (Lord S.R., Sinnett P.F., 1986).

Остеопороз губчатого вещества характеризуется истончением и перфорацией костных балок, частичным прерыванием решетчатой системы трабекул вследствие преимущественного разрушения горизонтальных балок, которые играют роль «шпал» (Kenzora J.E. at al., 1984).

Нашей задачей явилось исследование губчатого вещества дистального метаэпифиза лучевой кости в возрастном аспекте. Выбор объекта объясняется тем, что дистальный метаэпифиз лучевой кости содержит большое количество губчатого вещества, где довольно рано развивается возрастной остеопороз, который обусловливает снижение прочности этого отдела. Подтверждением этого является увеличение числа переломов лучевой кости в «типичном» месте (переломы Коллиса) в пожилом и старческом возрасте (Марова Е.И., 1995; Воложин А.И., Оганов В.С., 2005).

На смену качественного изучения развития остеопороза губчатой кости в последние десятилетия разработан метод его количественной оценки с помощью электрофотоколориметрического определения показателей светопропускания и светопоглощения губчатого вещества, показатели которых имеют высокую корреляцию с возрастом (Эрлих Э.Р., 1991).

Однако эти методы достаточно трудоемки, а результат экспертизы часто зависит от опыта исследователя. Внедрение вычислительной техники и математических методов в области судебной медицины позволит повысить точность результатов исследований, сделать их более объективными. Кроме того, ввод изображений в компьютер даст возможность не только хранить и сортировать данные, но и обмениваться ими с другими экспертами, используя для этого современные средства компьютерных телекоммуникаций.

В данной работе для количественной оценки возраста предлагается метод, основанный на использовании компьютерного анализа изображений губчатого вещества костей и ранее опробованный авторами для оценки возраста по поясничному отделу позвоночника (Belyaev I., Kucheryavskiy S., 2008). Вся процедура анализа предполагает использование нескольких этапов. Первый, получение изображения, может быть выполнен с помощью цифровой камеры или обычного планшетного сканера. На следующем этапе изображение подвергается предварительной обработке, в процессе которой автоматически выделяется область соответствующей кости, и после этого, для данной области, вычисляется вектор признаков — набор чисел, характеризующих различные свойства изображенного объекта. В качестве простейшего примера такого вектора можно привести, например, гистограмму распределения яркости. Обычно высокой информативностью обладают признаки, отражающие спектральный состав изображения, полученный с помощью Фурье- или вейвлет-преобразования. Однако предварительные эксперименты показали, что наиболее релевантными по отношению к данной задаче являются признаки изображения, полученные при помощи метода среднеугловых спектров — АМТ-спектры изображений (Anderle R., 1996).

После того, как признаки получены, они используются для построения регрессионной модели, связывающей значения признаков с возрастом трупа, срез кости которого подвергался анализу. Для получения такой модели использовался сравнительно новый метод анализа данных — метод проекций на латентные структуры (ПЛС) (Эсбенсен К., 2005), — дающий устойчивое решение, даже если вектор признаков состоит из нескольких сотен значений. На последнем этапе полученная модель использовалась для вычисления возраста.

Основной целью эксперимента, результаты которого представлены в данной статье, было изучение применимости вышеописанного подхода для определения возраста костных останков по поперечным срезам губчатого вещества дистального метаэпифиза лучевой кости.

Нами проведено исследование губчатого вещества лучевых костей без явной костной патологии, изъятых у 22 трупов лиц мужского пола в возрасте от 25 до 83 лет. В 4 случаях были изъяты как левая, так и правая лучевые кости. Таким образом, в исследовании использовано 26 объектов.

Из дистального метаэпифиза лучевых костей перпендикулярно длиной оси кости, выпиливали по 2 костных пластинки толщиной около 3 мм. Затем из пластинок удаляли костный жир и высушивали их при комнатной температуре. После просушки пластинки сканировались с двух сторон при помощи планшетного сканера. Примеры получаемых изображений представлены на рис.1.

Рис.1. Примеры сканированных изображений губчатого вещества дистального метаэпифиза лучевых костей на поперечных срезах.

Изображения срезов, принадлежащие одному объекту, сохранялись внутри каталога, имя которого состояло из буквы, обозначающей пол (M для мужчин) и паспортного возраста умершего. Основной каталог содержал пять подкаталогов с именами 1 и 2, соответствующие номерам срезов. Далее для каждого из таких изображений производилось вычисление вектора признаков. При вычислениях в рассмотрение принималась губчатая часть среза. Конечная модель построена по 14 образцам. Затем полученная модель использовалась для расчета возраста «неизвестных образцов».

В таблицах 1.1 и 1.2 приведены результаты для 26 образцов. Имена образцов, соответствующих левой лучевой кости, содержат букву «s». Нетрудно видеть, что возраст большей части образцов определен с точностью от 1 года до 5 лет в сравнение с реальным, что является показателем работоспособности представленного метода в целом. Расхождения в предсказанном возрасте в случае изъятых у одного и того же индивида левой и правой лучевых костей составляют от 1 до 7 лет. Однако малое количество таких случаев не позволяет сделать заключение о влиянии выбора правой или левой кости для анализа на результат оценки возраста. Наличие образцов с предсказанным значением возраста, отличающимся от реального более чем на 5 лет объясняется недостаточным, для построения более качественной модели, количеством образцов.

Таблица 1.1.

Результаты определения возраста лиц мужского пола в возрасте 25—69 лет по изображениям срезов лучевой кости

Таблица 1.2.

Результаты определения возраста лиц мужского пола в возрасте 70—83 лет по изображениям срезов лучевой кости

Таким образом, показана возможность оценки биологического возраста костных останков при помощи многомерного анализа цифровых изображений губчатого вещества дистального метаэпифиза лучевых костей. Однако, на текущем этапе исследований, недостаточное количество образцов не позволяет построить модель, дающую более точную оценку возраста и сделать однозначный вывод о влиянии выбора правой или левой лучевой кости для анализа на результат определения «костного» возраста останков.

Список литературы

1. Воложин, А.И., Оганов, В.С. Остеопороз. — М.: Практическая медици-на, 2005. — 238 с.
2. Марова, Е.И. Остеопороз // Здоровье. — 1995. — № 9. — С. 24.
3. Пиголкин, Ю.И., Федулова, М.В., Гончарова, Н.Н. Судебно-медицинское определение возраста. — М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2006. — 224 с.
4. Ходжсон, С. Клиника Мэйо об остеопорозе: Пер. с англ. А. Анваера. — М.: АСТ: Астрель, 2007. — 238, [2] с.
5. Эрлих, Э.Р. Структурные особенности губчатого вещества тел позвонков в возрастном аспекте // Актуальные вопросы судебной медицины и экспертной практики. — Барнаул, 1991. — с. 170—172.
6. Эсбенсен, К. Анализ многомерных данных: сокр. пер. с англ. под ред. О.Родионовой, Из-во ИПХФ РАН, 2005 [K.H. Esbensen. Multivariate Data Analysis — In Practice 4-th Ed., CAMO, 2000].
7. Andrle, R. The angle measure technique: a new method for characterizing the complexity of geomorphic lines. // Mathematical Geology, 1996. V. 26. P. 83—97.
8. Belyaev, I., Kucheryavskiy, S. Estimation of age in forensic medicine using multivariate data analysis. Materials of VI Winter symposium of Chemometrics. Kazan, 2008. — p. 24.
9. Iscan, M.Y., Loth, S. R., Wright, R. K. //J. Forensic Sci., 1985, 30 (3), 853-63.
10. Kenzora, J.E., McCarthy, R.E., Lowell, J.D., Sledge, C.B. Hip fracture mortality: relation to age, treatment, preoperative illness, time of surgery, and complications. Clin Orthop 186 (1984). P. 45-56.
11. Lord, S.R., Sinnett, P.F. Femoral neck fractures: admissions, bed use, outcome and projections. Med J Austr 145 (1986). P. 493-496.