Τριδιάστατη Μορφομετρική Ανάλυση Του Σκελετού Του Σύγχρονου Ελληνικού Πληθυσμού Με Φωτογραμμετρικές Τεχνικές

Abstract

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής έρευνας ήταν η διεύρυνση της γνώσης πάνω στην ποικιλομορφία του σκελετού του σύγχρονου ελληνικού πληθυσμού και η ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών και εργαλείων για την εξαγωγή βιολογικών παραμέτρων, όπως το φύλο και η ηλικία θανάτου, από ανθρώπινα σκελετικά κατάλοιπα. Το σύνολο της έρευνας βασίστηκε στη σύγχρονη σκελετική συλλογή αναφοράς, που φυλάσσεται στο εργαστήριο Φυσικής Ανθρωπολογίας του Τομέα Φυσιολογίας Ζώων και Ανθρώπου του Τμήματος Βιολογίας, η οποία αποτελεί την πληρέστερη σκελετική συλλογή αναφοράς στην Ελλάδα και θεωρείται αντιπροσωπευτικό δείγμα του ελληνικού πληθυσμού του 20ού αιώνα. Βασικός στόχος του διδακτορικού ήταν η ψηφιακή τεκμηρίωση ενός υποσυνόλου του διαθέσιμου σκελετικού δείγματος στο οποίο εστίασαν τα επί μέρους ερευνητικά ερωτήματα. Η ψηφιακή τεκμηρίωση, που βασίστηκε στην τριδιάστατη φωτογραμμετρία, αφορά το κρανίο, την κάτω γνάθο, τα ανώνυμα οστά, τα μηριαία, τις κνήμες και τα βραχιόνια από όλα τα άτομα της σκελετικής συλλογής, όπου ήταν διαθέσιμα. Η ολοκλήρωση της ψηφιακής τεκμηρίωσης έδωσε 2117 τριδιάστατα μοντέλα υψηλής ανάλυσης με φωτορεαλιστική υφή, τα οποία αφενός μεν αξιοποιήθηκαν ως δείγμα σε οστεομετρικές αναλύσεις, πολλές εκ των οποίων δεν είναι δυνατό να εφαρμοστούν στα πραγματικά οστά με κλασσικές οστεομετρικές μεθόδους, αφετέρου δε αποτελούν μία παρακαταθήκη, ως ψηφιακή βιβλιοθήκη, για μελλοντικές έρευνες επιτρέποντας ταυτόχρονα την βέλτιστη φύλαξη και συντήρηση της σύγχρονης σκελετικής συλλογής, στην οποία πλέον η φυσική πρόσβαση δεν είναι απαραίτητη.Στο πλαίσιο του διδακτορικού έργου, έγιναν μία σειρά από μελέτες με κύριο άξονα τις βιολογικές παραμέτρους του φύλου και της ηλικίας θανάτου. Υπό αυτό το πρίσμα, μελετήθηκε η έκφραση του φυλετικού διμορφισμού του κρανίου και αξιοποιώντας τους βέλτιστους μετρικούς χαρακτήρες υπολογίστηκαν διακριτικές εξισώσεις εκτίμησης φύλου εξειδικευμένες για τον ελληνικό πληθυσμό, οι οποίες έδωσαν ακρίβεια ταυτοποίησης άνω του 95%. Αντίστοιχη μελέτη έγινε και για το οστό της κάτω γνάθου, το οποίο αν και παρουσιάζει μικρότερο φυλετικό διμορφισμό από το κρανίο μπορεί να αξιοποιηθεί για την ταυτοποίηση του φύλου ενός αγνώστου ατόμου. Η εν λόγω μελέτη έδειξε επίσης ότι η έκφραση του φυλετικού διμορφισμού της κάτω γνάθου έχει πολύ έντονη πληθυσμιακή εξειδίκευση.Επιπλέον, μελετήθηκε η μορφολογία του βοθρίου της κεφαλής του μηριαίου τόσο ως προς το φύλο όσο και ως προς την ηλικία θανάτου και παρόλο που οι παρατηρούμενες μορφολογικές αλλαγές δεν καθιστούν το βοθρίο κατάλληλο σκελετικό δείκτη για την εκτίμηση φύλου ή ηλικίας θανάτου, είναι σαφές πως το μέγεθός του σχετίζεται άμεσα με το φύλο (συστηματικά μεγαλύτερο στα αρσενικά άτομα) ενώ το σχήμα του με την ηλικία θανάτου (πιο ακανόνιστη περίμετρος με την αύξηση της ηλικίας του ατόμου). Αξιοποιώντας το μέγιστο μήκος των μηριαίων μελετήθηκαν οι διαχρονικές τάσεις στο ανάστημα του ελληνικού πληθυσμού για την περίοδο αναφοράς (1879-1965), οι οποίες, αν και ανοδικές για το συνολικό εύρος της εξεταζόμενης χρονικής περιόδου, έδειξαν ότι τα αρσενικά άτομα είτε ήταν πιο ευάλωτα είτε δέχθηκαν μεγαλύτερη περιβαλλοντική πίεση από τις κοινωνικοοικονομικές συνθήκες που σχετίζονται με τους πολέμους του 1ου μισού του 20ού αιώνα.Κατά τη δημιουργία της ψηφιακής σκελετικής συλλογής, πραγματοποιήθηκε μία μελέτη ορθότητας κι ακρίβειας στην λήψη οστεομετρικών δεδομένων από εικονικά (ψηφιακά) σκελετικά κατάλοιπα αξιοποιώντας τα μοντέλα των κρανίων, η οποία έδειξε ότι η χρήση τριδιάστατων μοντέλων με φωτορεαλιστική υφή που δημιουργούνται με φωτογραμμετρία όχι μόνο αποτελούν αξιόπιστα υποκατάστατα των πραγματικών οστών, αλλά σε πολλές περιπτώσεις επιτρέπουν καλύτερη ακρίβεια μετρήσεων σε σύγκριση με χειροκίνητα οστεομετρικά όργανα. Αξιοποιώντας περαιτέρω τα μοντέλα των κρανίων, πραγματοποιήθηκε μία αξιολόγηση του διεθνώς αναγνωρισμένου λογισμικού 3D-ID ως προς τη δυνατότητα εκτίμησης καταγωγής και φύλου από κρανιακά κατάλοιπα του ελληνικού πληθυσμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ χαμηλά ποσοστά σωστής ταξινόμησης σε στενά προκαθορισμένες ομάδες φανερώνοντας τις αδυναμίες του λογισμικού αλλά και τους περιορισμούς της ακολουθούμενης μεθόδου (3DGM), ενώ έδειξαν μία καλύτερη απόκριση σε πιο διευρυμένες πληθυσμιακές ομάδες (π.χ. Αφρικανοί, Ασιάτες, Ευρωπαίοι κ.α.).Με στόχο τη βέλτιστη αξιοποίηση των τριδιάστατων μοντέλων δημιουργήθηκε μία καινοτόμος μέθοδος αυτόματου υπολογισμού των παραμέτρων εγκάρσιων τομών της διάφυσης των μακρών οστών, η οποία αντικαθιστά πλήρως την κοστοβόρα, τόσο σε υλικά όσο και σε απαιτούμενη εργασία, μέθοδο καλουπιών σιλικόνης (Latex Cast Method) εξαλείφοντας ταυτόχρονα το σφάλμα μέτρησης που προκύπτει από την εφαρμογή της τελευταίας. Αυτή η νέα προτεινόμενη μέθοδος υλοποιήθηκε ως ελεύθερο λογισμικό ανοικτού κώδικα, με την ονομασία “long-bone-diaphyseal-CSG-Toolkit”. Η εν λόγω μέθοδος αξιοποιήθηκε για τη μελέτη του φυλετικού διμορφισμού στα μακρά οστά (μηριαίο, κνήμη, βραχιόνιο) του ελληνικού πληθυσμού, από όπου προέκυψε και μία καινούρια μεθοδολογία για την εκτίμηση φύλου από μακρά οστά, η οποία ειδικά για το βραχιόνιο άγγιξε το 97,3% ως προς την ακρίβεια επιτυχούς ταξινόμησης. Τα δεδομένα των παραμέτρων εγκάρσιων τομών των διαφύσεων σε συνδυασμό με κατηγορικά δεδομένα από τις αλλοιώσεις των ενθέσεων του μηριαίου και της κνήμης, ως γενικοί δείκτες δραστηριότητας, αξιοποιήθηκαν περαιτέρω για την μελέτη της επίδρασης της δραστηριότητας του ατόμου σε συγκεκριμένους σκελετικούς ηλικιακούς δείκτες των ανώνυμων οστών, οι οποίοι αξιοποιούνται ευρέως για την εκτίμηση της ηλικίας θανάτου.Η τελευταία ερευνητική εργασία του παρόντος διδακτορικού έργου αφορά στη δημιουργία μίας καινοτόμου μεθόδου προσδιορισμού του φύλου από εικονικά κρανία με αυτόματο τρόπο και χωρίς μετρητικό σφάλμα που να σχετίζεται με τον παρατηρητή. Η νέα αυτή μέθοδος, χρησιμοποιώντας στατιστικές μεθόδους μηχανικής εκμάθησης (machine learning) αλλά και νέες μορφομετρικές παραμέτρους εμπνευσμένες από υφιστάμενες μεθόδους υπολογιστικής όρασης (computer vision), συνδυάζει την ακρίβεια και επαναληψιμότητα των μετρικών χαρακτήρων με την διαγνωστική ικανότητα της μακροσκοπικής μορφολογικής ανάλυσης στον εντοπισμό λεπτών διαφορών μεταξύ των δύο φύλλων. Η νέα μέθοδος, η οποία υλοποιήθηκε ως ελεύθερο λογισμικό ανοικτού κώδικα, με την ονομασία “skullanalyzer”, δοκιμάστηκε σε συνδυασμό με ένα επιπλέον δείγμα ευρωπαϊκού πληθυσμού και έδωσε επιτυχή ταξινόμηση άνω του 95% καθώς και μειωμένη πληθυσμιακή εξειδίκευση, κάτι το οποίο αποτελεί σαφές πλεονέκτημα έναντι υφιστάμενων μεθόδων.