ГИС позволяет по-новому подойти к анализу человеческих костей
По материалам Esri
GIS Offers a Novel Way to Analyze Human Bones
ГИС впервые используется для картирования и анализа микроскопических структур человеческой кости, что позволяет выявить их пространственные взаимосвязи и составить представление об особенностях использования кости при жизни. Ученые Университета штата Огайо доказывают возможность применения ArcGIS в судебно-медицинской экспертизе, скелетной биологии и антропологии.
Специалист по костям Дэвид С. Роуз живет в двух разных мирах.
Будучи докторантом антропологии в Университете штата Огайо (УШО, англ. аббревиатура OSU), он служит также капитаном в университетском отделении полиции. И, пожалуй, единственная польза, которую эта служба приносит его научным пристрастиям, заключается в том, что время от времени ему доводится участвовать в экспертизе человеческих останков.
И именно этот его жизненный опыт, в сочетании со специализацией в скелетной биологии, натолкнул Роуза на мысль исследовать, можно ли по паттернам (типичным примерам) изменений в человеческих костях определить, как они использовались при жизни. Для проверки этой идеи Роуз с четырьмя коллегами-соисследователями Амандой М. Эгнью, Тимоти П. Гоша, Сэмом Д.Стаутом и Джули С.Филд (Amanda M. Agnew, Timothy P. Gocha, Sam D. Stout, and Julie S. Field) использовали ArcGIS (по корпоративной лицензии Университета штата Огайо на программное обеспечение компании Esri) для идентификации и картирования пространственных объектов внутри плюсневой кости (стопы) человека. Это совершенно новый метод изучения скелетных и биологических изменений в человеческом организме. «Тут работы на несколько жизней», – шутит Роуз.
Полный поперечный срез образца плюсневой (длинной) кости стопы. Изображение составлено из снимков, полученных с помощью поляризационного микроскопа, и представлено в окне модуля ArcGIS 3D Analyst.
Роуз задался целью выяснить, насколько быстро растут кости, адаптируясь к испытываемым нагрузкам. «Во внутренней структуре наших костей присутствуют паттерны растяжения и сжатия, и данное программное ГИС обеспечение помогает нам посмотреть на них по-новому, – говорит он. – Этим методом можно изучать внутреннюю структуру костей не только человека, но и различных животных, например лошадей. Мы можем использовать ГИС для межвидового сравнения, чтобы понять, чем животные отличаются от нас в этом аспекте».
Соисследователь данного вопроса Стаут, профессор антропологии в Университете штата Огайо и научный консультант Роуза по докторской диссертации, объясняет, в чем важность результатов исследования — впервые опубликованных 14 июня 2012г. в онлайн-версии Американского журнала физической антропологии (AmericanJournalofPhysicalAnthropology): «Метод Дэйва позволяет визуализировать, анализировать и сравнивать распределения микроскопических пространственных объектов, которые отражают условия развития и работы костей. Мы можем затем соотнести их со здоровым состоянием и заболеваниями скелета, например, хрупкостью костей при остеопорозе».
Еще в одной работе, опубликованной исследователями в июне 2012 года в Журнале структурной биологии (JournalofStructuralBiology) в Мадриде, описано использование ArcGIS для картирования изменений формы, размера и типа ткани длинной кости человека в процессе его развития из эмбриона во взрослую особь. Насколько известно исследовательской группе Университета штата Огайо, это первый случай использования программного обеспечения ArcGIS для картирования и анализа пространственного распределения микроструктуры кости.
Вид плюсневой кости крупным планом, с отмеченными в ГИС пространственными объектами, представляющими особый интерес для исследования и анализа.
Рождение нового приложения ГИС
Как же Роуз пришел к новаторской идее использовать технологию геоинформационных систем (ГИС) для исследования костей?
Ему было известно, что ГИС позволяет анализировать практически любой тип пространственных данных, от криминальной статистики до моделей наводнения. И он даже применял его сам для картирования зон прямой видимости при подготовке планов обеспечения безопасности общественных мероприятий в университетском городке.
Во время учебы в аспирантуре Роузу понадобилось включить в учебный план курс общей археологии. Его преподаватель Филд, доцент антропологии в Университете штата Огайо, широко использовала ГИС в поле для картирования положения объектов, обнаруженных на месте раскопок.
«Филд подчеркивала необходимость идентификации важных кластеров объектов, таких как предметы домашней утвари или сельскохозяйственные орудия, которые позволяли бы увидеть паттерны человеческой деятельности, – вспоминает Стаут. – В соответствии с установленным вами научным критерием ГИС определяет статистическим методом, действительно ли объекты, на которые вы смотрите, образуют кластер».
По словам Стаута, Филд видела потенциал использования ГИС Роузом и им самим в качестве инструмента для изучения распределения, размера, формы и истории деформирования микроструктуры кости.
«Вы пытаетесь описать, насколько прочна кость на изгиб, кручение и износ, – говорит Стаут. – Какую нагрузку она может выдержать, и насколько велик риск перелома? Такие данные полезны, например, при разработке автомобильных подушек безопасности для минимизации риска повреждения скелета».
На мониторе компьютера (справа) показано окно ArcGIS с картой кости. Слева – увеличенное изображение поперечного среза кости. Дэвид Роуз проводит исследование.
Маленькая кость дает большие результаты
В этой работе, которая стала его магистерской диссертацией, Роуз исследовал плюсневую кость (длинную кость стопы) умершей женщины, которая завещала свое тело анатомическому отделению. На примере поперечного среза этой кости его исследовательская группа продемонстрировала использование программного обеспечения для визуализации и изучения нагрузок, испытываемых стопой при ходьбе.
Роуз сделал под микроскопом снимок очень высокого разрешения поперечного среза кости. Затем он картировал в ArcGIS местоположение ключевых структур, называемых остеонами, — основной функциональной единицы компактного вещества кости.
Остеоны (osteons) – это квазицилиндрические структуры, обычно несколько миллиметров в длину и диаметром около 0,2 миллиметра. Они присутствуют в различных костях большинства млекопитающих и некоторых видов птиц. Называемые также гаверсовой системой, эти структуры создаются на протяжении всей жизни для залечивания небольших трещин и регулирования содержания минеральных веществ в крови. На размер и форму остеонов, а также ориентацию внутри кости коллагеновых волокон, из которых они состоят, оказывают влияние нагрузки, испытываемые костями на протяжении жизни.
По словам Роуза, в данном случае плюсневая кость донора имела предсказанный паттерн нормальной перестройки костной ткани. В верхней и нижней частях кости были сосредоточены определенные типы остеонов, которые могли образоваться под воздействием нагрузок, испытываемых при ходьбе. «Они было именно там, где мы и ожидали увидеть явные признаки изгиба и сжатия стопы», – отмечает он.
Роуз признает, что текущая методика является инвазивной и пока не может применяться к живым людям. «Но в будущем компьютерная нанотомография («нано-КT») позволит исследовать кости человека для определения степени их хрупкости и рисков перелома», – говорит он.
ArcGIS широко используется в учебной и научно-исследовательской деятельности в Университете штата Огайо.
Перспективный метод нуждается в доработке
Роуз и Стаут подчеркивают, что эта работа лишь подтверждает исходную концепцию, и перед тем, как ГИС позволит получить значимые результаты в костной биологии, необходимо исследовать много других типов костей.
Вместе с тем, кости стопы сегодня имеют особое значение для судебной экспертизы, учитывая тот жестокий факт, что останки порой очень нелегко опознать. Часто сохраняются только кости стопы, поскольку они защищены обувью. «Другие кости могут обглодать животные, и лишь хорошо защищенная кость стопы остается полезна и пригодна для экспертизы», – говорит Стаут. А любая информация о человеке, будь то возраст, пол, размеры тела или другая, на первый взгляд пусть и незначительная особенность, может стать ключом для идентификации тела.
Роуз добавляет, что для надежного использования этого инструмента в криминалистике необходимо лучшее понимание пространственного распределения. «Чтобы его обрести, понадобится еще несколько лет, – говорит он. – Это новая область исследований, и в настоящее время в ней реально работает только одна группа – наша».
Под научным руководством Стаута Роуз комбинирует сегодня самые базовые концепции ГИС и скелетной биологии. Однако он предвидит огромные достижения на стыке этих двух дисциплин.
«Реальным преимуществом этого метода является новый масштаб исследования физических изменений в человеческом организме, который может пролить свет на механизмы приспособления человека к окружающей среде».
Дополнительную информацию можно получить у Дэвида Роуза (David C. Rose, Rose.81@osu.edu), капитана отделения полиции Университета штата Огайо, или на университетском сайте research.osu.edu.
Русский перевод: Глебов С.Е.
