人与狗猪牛羊长骨哈氏系统图像分析的比较
来源：中国体视学与图像分析
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栏目：期刊导读 时间：2021-07-09
人与动物的骨组织学形态特征及差异是准确进行骨种属鉴定的重要依据。目前国内外的研究仅局限于对动物及人的骨组织学特征进行形态描述[1，2]，或局限于对某种动物与人的差别提出鉴别要点[3]，鲜有研究对人与动物的骨组织学特征进行较全面的比较测量和图像分析。本文在国内率先开展了法医骨学种属鉴定的图像分析研究，通过对人骨与狗、猪、牛、羊骨形态特征及哈氏系统的图像分析，不仅较为系统地描述了人、狗、猪、牛、羊骨的组织学特征，也总结了图像分析的鉴别要点,为骨骼组织学的人类学研究积累了资料，有助于刑事侦察工作中种属鉴定的开展。 1 材料与方法 1.1 材料 取来源于不同个体的成年人骨5根，骨长在70～90cm的牛胫骨、羊胫骨各5根，猪胫骨11根，狗胫骨9根，按照文献[4]所述方法取各骨中段制作其横切面骨磨片。 1.2 方法 1.2.1 初步观察 在OlympusBH2型显微镜10×10倍下观察上述骨磨片。对内环骨板、外环骨板及内外环骨板间的哈氏系统的分布、形状、粘合线、间骨板、丛状骨、骨单位带等结构进行描述。 1.2.2 哈佛骨板计数和测量 取27张哈氏系统结构清晰的骨磨片（人、牛、羊各5张，狗、猪各6张），每张骨磨片随机取6个哈氏系统，应用显微测微器，对其哈佛骨板数和直径进行计数和测量。 1.2.3 图像分析 应用德国KONTRON IBAS 2.0全自动图像分析系统，日本JVC ky-F30B 3-CCD彩色图像摄录输入仪，在德国ZEISS（蔡司）Axiotron研究型显微镜下，将上述27张骨磨片放大40倍进行全自动图像分析，每张骨磨片随机选取3个观察视野（1.0989×106μm2/视野），测量中央管的个数、直径、面积以及中央管总面积占单位视野面积的百分比。 2 结果 2.1 组织学形态特征 人骨：5例人骨内外环骨板间仅见哈氏系统结构。内外环骨板规则，分界明显，厚薄均匀；哈氏系统大多圆而规则，致密、均匀分布于全骨层，中央管为圆形或椭圆形，直径约占哈氏系统直径的1/4；哈氏系统被较多层同心圆排列的哈佛骨板围绕，边缘的粘合线清晰；可见第一代骨单位和第二代骨单位；间骨板较少，条索状或半月状无规律填充于骨单位之间；5例均未见丛状骨及哈氏系统排列形成的条带样结构[1]（有文献称之为骨单位带(Osteon Band)[5]）（见图1）。 狗骨：1例内外骨板间几乎全部为丛状骨，2例内外骨板间为哈氏系统与丛状骨并存，其余6例均为哈氏系统。内外环骨板不规则，排列不均，且分层不明显，外环骨板较内环骨板发达；哈氏系统小而不规则，致密地分布于近内环骨板处，中央管直径约占哈氏系统直径的1/5；哈氏系统的哈佛骨板层数较少，周围粘合线清晰；大多为第一代骨单位，仅见少量第二代骨单位；间骨板少，排列规则；每例均可见多条骨单位带（见图2）。 猪骨：2例内外骨板间几乎全部为丛状骨，3例为哈氏系统，其他6例均为丛状骨与哈氏系统并存。内环骨板分界明显，外环骨板分界不明显，排列不均；丛状骨靠近骨皮质外侧，占骨皮质全层的40%～80%；哈氏系统靠近骨皮质内侧分布，大小不等，多呈圆形或类圆形，中央管圆而小；哈氏系统的哈佛骨板层数较少，边缘粘合线不清晰；大多为第一代骨单位，仅2例可见少量第二代骨单位；间骨板排列不规则，呈漩涡状；2例可见2条骨单位带平行排列（见图3）。 牛骨：有3例内外骨板间几乎全部为丛状骨，占80%以上，仅见少量哈氏系统；其它2例内外骨板间以哈氏系统为主。外环骨板不明显，仅2～3层，内环骨板明显，比外环骨板稍厚；哈氏系统分布不均匀或沿层状的骨板彼此相连排列，形状不规则，呈类圆形、长椭圆形等，大小不等；中央管不规则且较小；哈氏系统的哈佛骨板层数少，周围粘合线清晰或不清晰；多为第一代骨单位，可见少量第二代骨单位；间骨板排列不规则，呈漩涡扭曲状；仅1例见1条骨单位带(见图4)。 羊骨：5例羊骨的内外骨板间均为丛状骨与哈氏系统并存结构，丛状骨在骨皮质中分布的比例在不同个体间差异较大，甚至在同一张骨磨片的不同视野下也有差异，占骨皮质全层的10%～80%不等，均靠近骨皮质外侧分布。外环骨板不明显，内环骨板明显但不均匀；皮质内侧区域的哈氏系统密集分布，大小不等，形状不规则，中央管较细小；周围的哈佛骨板层数较少，粘合线不清晰；均为第一代骨单位；间骨板规则；其中3例可见1～4条互相连接的骨单位带(见图5)。 图1 人骨横切面形态（×100）A：哈佛骨板；B：中央管;C：哈氏系统；D：间骨板 图2 狗骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C哈氏系统；D内环骨板 图3 猪骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 图4 牛骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 图5 羊骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 2.2 显微测微器测量结果 人骨与狗、猪、牛、羊骨哈氏系统，在100倍放大下哈佛骨板层数和哈氏系统直径测量结果见表1，人骨分别与狗、猪、牛、羊骨测量结果进行t检验，P值均小于0.05。 表1 各种属骨哈佛骨板数及哈氏系统直径（±s）注：1）与人骨组相比，P<0.05种属（例）哈佛骨板数（层）哈氏系统Φ(μm)人（30）9. 224.狗（36）5.）163.）猪（36）5.）184.）牛（30）4.）150.）羊（30）4.）163.） 2.3 图像分析结果 全自动图像分析结果见表2。 3 讨论 骨骼种属鉴定是法医人类学研究的一个重要领域。虽已有文章总结了多种动物的骨骼同人骨的鉴别要点[6,7]，但指标不多，鲜有研究对人与动物的骨组织学特征进行系统而全面的比较测量和图像分析。本研究选用常见的较大型哺乳动物狗、猪、牛、羊骨与人骨进行了较全面的观察，比较了它们的组织学特征，结果显示人与狗、猪、牛、羊骨的组织学特征存在明显差异。主要表现在：人骨内外环层骨板规则，分层明显，厚薄均匀；哈氏系统圆、规则、均匀分布；边缘粘合线清晰；未见丛状骨与骨单位带；哈佛骨板层数(9.33± 1.75)最多，哈氏系统直径(224.)最大。动物骨内外环层骨板不规则，均为内骨板层较外骨板层明显；哈氏系统形态不规则，分布不均匀，多数近骨皮质内侧分布；边缘粘合线清晰或不清晰；可见丛状骨与骨单位带[8]；哈佛骨板层数及哈氏系统直径与人骨相比差异均有显著意义。 表2 单位视野下中央管个数、直径、面积及面积百分比（±s）注：1）与人骨组相比，P<0.05种属（例）中央管（个）中央管Φ(μm)面积(μm2)面积(%)人（15）16. 58. 2756. 3.狗（18）35.)31.）807.）1.）猪（18）19. 37.）1257.）1.）牛（15）11.）44.）1592.）1.）羊（15）23.）28.）680.）1.） 本研究通过对人骨与狗、猪、牛、羊骨哈氏系统的图像分析研究，得出了较为系统全面的人与狗、猪、牛、羊骨组织学特点。这在国内尚未见类似报道。Cattaneo等［7］曾对15例人与20例动物的中央管和哈氏系统进行图像分析，统计检验其最大、最小直径，周长、面积，认为中央管是最重要的鉴别指标，尤其是中央管的面积、最大径、最小径，但他们并未对各种动物分别进行图像分析和检验研究。本研究应用全自动图像分析仪对中央管的个数、直径、面积以及中央管总面积占单位视野面积的百分比进行了测量比较，结果显示这些指标在人骨与狗、猪、牛、羊骨之间都存在差异。中央管个数人骨与狗骨、牛骨、羊骨之间差异有显著意义，与猪骨差异无显著意义。中央管直径、面积及中央管面积百分比等3个指标在人骨与狗、猪、牛、羊骨之间的差异均有显著意义。进一步研究发现，中央管直径、面积的实测值在人骨与猪骨、牛骨之间有部分重叠，而中央管面积百分比的实测值在人与狗、猪、牛、羊骨之间均没有重叠，提示该指标是进行种属鉴定很有价值的参考指标，这是对Cattaneo等观点的进一步扩展。另外，本研究在测量过程中还发现同一种属不同个体的中央管个数及直径大小不同，甚至同一骨磨片不同视野也有明显差异。这提示在实际检案中不能仅根据个别视野的观察结果就草率的作出判断，应结合多个视野、多个指标进行观察测量。 总之，图像分析为人与动物骨骼种属鉴定提供了量化的客观依据，弥补了常规种属鉴定仅依赖形态学特征描述带有一定主观性的不足，进一步丰富了种属鉴定的观察指标，提高鉴定结论的可靠性。作者欲增加动物种类及例数，进一步深入研究图像分析指标的法医学应用价值。 人与动物的骨组织学形态特征及差异是准确进行骨种属鉴定的重要依据。目前国内外的研究仅局限于对动物及人的骨组织学特征进行形态描述[1，2]，或局限于对某种动物与人的差别提出鉴别要点[3]，鲜有研究对人与动物的骨组织学特征进行较全面的比较测量和图像分析。本文在国内率先开展了法医骨学种属鉴定的图像分析研究，通过对人骨与狗、猪、牛、羊骨形态特征及哈氏系统的图像分析，不仅较为系统地描述了人、狗、猪、牛、羊骨的组织学特征，也总结了图像分析的鉴别要点,为骨骼组织学的人类学研究积累了资料，有助于刑事侦察工作中种属鉴定的开展。 1 材料与方法 1.1 材料 取来源于不同个体的成年人骨5根，骨长在70～90cm的牛胫骨、羊胫骨各5根，猪胫骨11根，狗胫骨9根，按照文献[4]所述方法取各骨中段制作其横切面骨磨片。 1.2 方法 1.2.1 初步观察 在OlympusBH2型显微镜10×10倍下观察上述骨磨片。对内环骨板、外环骨板及内外环骨板间的哈氏系统的分布、形状、粘合线、间骨板、丛状骨、骨单位带等结构进行描述。 1.2.2 哈佛骨板计数和测量 取27张哈氏系统结构清晰的骨磨片（人、牛、羊各5张，狗、猪各6张），每张骨磨片随机取6个哈氏系统，应用显微测微器，对其哈佛骨板数和直径进行计数和测量。 1.2.3 图像分析 应用德国KONTRON IBAS 2.0全自动图像分析系统，日本JVC ky-F30B 3-CCD彩色图像摄录输入仪，在德国ZEISS（蔡司）Axiotron研究型显微镜下，将上述27张骨磨片放大40倍进行全自动图像分析，每张骨磨片随机选取3个观察视野（1.0989×106μm2/视野），测量中央管的个数、直径、面积以及中央管总面积占单位视野面积的百分比。 2 结果 2.1 组织学形态特征 人骨：5例人骨内外环骨板间仅见哈氏系统结构。内外环骨板规则，分界明显，厚薄均匀；哈氏系统大多圆而规则，致密、均匀分布于全骨层，中央管为圆形或椭圆形，直径约占哈氏系统直径的1/4；哈氏系统被较多层同心圆排列的哈佛骨板围绕，边缘的粘合线清晰；可见第一代骨单位和第二代骨单位；间骨板较少，条索状或半月状无规律填充于骨单位之间；5例均未见丛状骨及哈氏系统排列形成的条带样结构[1]（有文献称之为骨单位带(Osteon Band)[5]）（见图1）。 狗骨：1例内外骨板间几乎全部为丛状骨，2例内外骨板间为哈氏系统与丛状骨并存，其余6例均为哈氏系统。内外环骨板不规则，排列不均，且分层不明显，外环骨板较内环骨板发达；哈氏系统小而不规则，致密地分布于近内环骨板处，中央管直径约占哈氏系统直径的1/5；哈氏系统的哈佛骨板层数较少，周围粘合线清晰；大多为第一代骨单位，仅见少量第二代骨单位；间骨板少，排列规则；每例均可见多条骨单位带（见图2）。 猪骨：2例内外骨板间几乎全部为丛状骨，3例为哈氏系统，其他6例均为丛状骨与哈氏系统并存。内环骨板分界明显，外环骨板分界不明显，排列不均；丛状骨靠近骨皮质外侧，占骨皮质全层的40%～80%；哈氏系统靠近骨皮质内侧分布，大小不等，多呈圆形或类圆形，中央管圆而小；哈氏系统的哈佛骨板层数较少，边缘粘合线不清晰；大多为第一代骨单位，仅2例可见少量第二代骨单位；间骨板排列不规则，呈漩涡状；2例可见2条骨单位带平行排列（见图3）。 牛骨：有3例内外骨板间几乎全部为丛状骨，占80%以上，仅见少量哈氏系统；其它2例内外骨板间以哈氏系统为主。外环骨板不明显，仅2～3层，内环骨板明显，比外环骨板稍厚；哈氏系统分布不均匀或沿层状的骨板彼此相连排列，形状不规则，呈类圆形、长椭圆形等，大小不等；中央管不规则且较小；哈氏系统的哈佛骨板层数少，周围粘合线清晰或不清晰；多为第一代骨单位，可见少量第二代骨单位；间骨板排列不规则，呈漩涡扭曲状；仅1例见1条骨单位带(见图4)。 羊骨：5例羊骨的内外骨板间均为丛状骨与哈氏系统并存结构，丛状骨在骨皮质中分布的比例在不同个体间差异较大，甚至在同一张骨磨片的不同视野下也有差异，占骨皮质全层的10%～80%不等，均靠近骨皮质外侧分布。外环骨板不明显，内环骨板明显但不均匀；皮质内侧区域的哈氏系统密集分布，大小不等，形状不规则，中央管较细小；周围的哈佛骨板层数较少，粘合线不清晰；均为第一代骨单位；间骨板规则；其中3例可见1～4条互相连接的骨单位带(见图5)。 图1 人骨横切面形态（×100）A：哈佛骨板；B：中央管;C：哈氏系统；D：间骨板 图2 狗骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C哈氏系统；D内环骨板 图3 猪骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 图4 牛骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 图5 羊骨横切面形态（×100）A:外环骨板；B:中央管;C:哈氏系统；D:丛状骨 2.2 显微测微器测量结果 人骨与狗、猪、牛、羊骨哈氏系统，在100倍放大下哈佛骨板层数和哈氏系统直径测量结果见表1，人骨分别与狗、猪、牛、羊骨测量结果进行t检验，P值均小于0.05。 表1 各种属骨哈佛骨板数及哈氏系统直径（±s）注：1）与人骨组相比，P<0.05种属（例）哈佛骨板数（层）哈氏系统Φ(μm)人（30）9. 224.狗（36）5.）163.）猪（36）5.）184.）牛（30）4.）150.）羊（30）4.）163.） 2.3 图像分析结果 全自动图像分析结果见表2。 3 讨论 骨骼种属鉴定是法医人类学研究的一个重要领域。虽已有文章总结了多种动物的骨骼同人骨的鉴别要点[6,7]，但指标不多，鲜有研究对人与动物的骨组织学特征进行系统而全面的比较测量和图像分析。本研究选用常见的较大型哺乳动物狗、猪、牛、羊骨与人骨进行了较全面的观察，比较了它们的组织学特征，结果显示人与狗、猪、牛、羊骨的组织学特征存在明显差异。主要表现在：人骨内外环层骨板规则，分层明显，厚薄均匀；哈氏系统圆、规则、均匀分布；边缘粘合线清晰；未见丛状骨与骨单位带；哈佛骨板层数(9.33± 1.75)最多，哈氏系统直径(224.)最大。动物骨内外环层骨板不规则，均为内骨板层较外骨板层明显；哈氏系统形态不规则，分布不均匀，多数近骨皮质内侧分布；边缘粘合线清晰或不清晰；可见丛状骨与骨单位带[8]；哈佛骨板层数及哈氏系统直径与人骨相比差异均有显著意义。 表2 单位视野下中央管个数、直径、面积及面积百分比（±s）注：1）与人骨组相比，P<0.05种属（例）中央管（个）中央管Φ(μm)面积(μm2)面积(%)人（15）16. 58. 2756. 3.狗（18）35.)31.）807.）1.）猪（18）19. 37.）1257.）1.）牛（15）11.）44.）1592.）1.）羊（15）23.）28.）680.）1.） 本研究通过对人骨与狗、猪、牛、羊骨哈氏系统的图像分析研究，得出了较为系统全面的人与狗、猪、牛、羊骨组织学特点。这在国内尚未见类似报道。Cattaneo等［7］曾对15例人与20例动物的中央管和哈氏系统进行图像分析，统计检验其最大、最小直径，周长、面积，认为中央管是最重要的鉴别指标，尤其是中央管的面积、最大径、最小径，但他们并未对各种动物分别进行图像分析和检验研究。本研究应用全自动图像分析仪对中央管的个数、直径、面积以及中央管总面积占单位视野面积的百分比进行了测量比较，结果显示这些指标在人骨与狗、猪、牛、羊骨之间都存在差异。中央管个数人骨与狗骨、牛骨、羊骨之间差异有显著意义，与猪骨差异无显著意义。中央管直径、面积及中央管面积百分比等3个指标在人骨与狗、猪、牛、羊骨之间的差异均有显著意义。进一步研究发现，中央管直径、面积的实测值在人骨与猪骨、牛骨之间有部分重叠，而中央管面积百分比的实测值在人与狗、猪、牛、羊骨之间均没有重叠，提示该指标是进行种属鉴定很有价值的参考指标，这是对Cattaneo等观点的进一步扩展。另外，本研究在测量过程中还发现同一种属不同个体的中央管个数及直径大小不同，甚至同一骨磨片不同视野也有明显差异。这提示在实际检案中不能仅根据个别视野的观察结果就草率的作出判断，应结合多个视野、多个指标进行观察测量。 总之，图像分析为人与动物骨骼种属鉴定提供了量化的客观依据，弥补了常规种属鉴定仅依赖形态学特征描述带有一定主观性的不足，进一步丰富了种属鉴定的观察指标，提高鉴定结论的可靠性。作者欲增加动物种类及例数，进一步深入研究图像分析指标的法医学应用价值。
