Sex classification using 3D skull modelling in multi-population sample

• Název práce v češtině: Klasifikace pohlaví na základě 3D modelování lebky v multipopulačním souboru
• Název v anglickém jazyce: Sex classification using 3D skull modelling in multi-population sample
• Akademický rok vypsání: 2015/2016
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra antropologie a genetiky člověka (31-110)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Jana Velemínská, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 19.10.2015
• Datum zadání: 19.10.2015
• Datum odevzdání elektronické podoby: 14.06.2024
• Datum proběhlé obhajoby: 01.10.2024
• Oponenti: prof. MUDr. David Kachlík, Ph.D.
• Konzultanti: prof. RNDr. Jaroslav Brůžek, CSc., Ph.D.

Předběžná náplň práce

Odhad pohlaví je nezbytnou složkou biologického profilování jedince jak ve forenzní antropologii, tak v bioarcheologii. Znalost pohlaví jedince je považována za nejdůležitější bod celkové identifikace. Až po stanovení pohlaví je možné pokračovat v určení věku, etnicity a tělesné výšky, protože tyto parametry jsou vázané na pohlaví (Jantz, 2013). Pokud se nezachová pánev, která vykazuje nejvyšší míru pohlavního dimorfismu, pohlaví se odhaduje podle lebky. Existuje řada metod a postupů, které využívají lebku, nicméně jsou zatíženy chybou, způsobenou především populační specifitou a variabilní oscilací pohlavního dimorfismu (Brůžek a Murail, 2006). Metody můžeme rozdělit na morfoskopické (Ferembach, 1980, Buikstra a Ubelaker, 1994, Walrath et al., 2004), morfometrické (např. Ogawa, 2012, Ramsthaler, 2007, Walker, 2008) a v posledních letech jsou velmi na vzestupu právě 3D metody (např. Bookstein, 1999, Kimmerle, 2008, Ramsthaler, 2010, Franklin, 2013).Současná geometrická morfometrie dosahuje vysoké úspěšnosti v klasifikaci mužských a ženských lebek (např.Fatah et al., 2014), případně i jiných částí skeletu, jako je pánev (Decker et al., 2011). Úspěšné oddělení lebek podle pohlaví vytváří model, který je nutno nejdříve validovat v jedné populaci statistickými postupy (crossvalidace). Otestování reliability metody vyžaduje její aplikaci v jiném populačním vzorku. Projekt by měl za cíl dovršit další etapu v cestě za novou metodou odhadu pohlaví podle lebky, opírající se o 3D zobrazovací techniku.
Projekt navazuje na (úspěšně řešenou) diplomovou práci, která nastínila perspektivní cestu výzkumu, založenou pouze na 3D exokraniálních modelech lebky. Výstupem této diplomové práce jenový klasifikační model pohlavní příslušnosti, který bude dále v disertaci vyvíjen a ověřován na jiných datech.Tento způsob umožňuje z praktického hlediska využít povrchové scanery a nahradit tak datové soubory využívající CT nebo MRI obrazové záznamy.
Nová metoda představená v diplomové práci Barbory Musilové využívá anonymizovaná CT objemová data lebek současné francouzské populace, ze kterých byl segmentován pouze exokraniální povrch. Na takto získaných virtuálních modelech byla provedena CPD-DCA (Dupej et al., 2014). Analyzována byla forma i tvar (po odškálování velikosti) celkem 104 lebek (51 žen a 53 mužů) ve věkovém rozpětí 18 až 92 let, s průměrným věkem 58 let u žen a 52,46 u mužů. Po využití analýzy support vector machine (SVM) s radiálním jádrem (a s cross-validací), byla nejvyšší úspěšnost metody 87,5%. Tato úspěšnost predikce pohlaví byla dosažena při modelování formy lebky za využití 27 hlavních komponent. Nejúspěšnější klasifikace pohlaví na základě pouhého tvaru lebek byla nižší pouze o dvě procenta. Metoda je pro predikci pohlaví na základě formy i tvaru lebky vhodná a je nutné ji podrobit dalšímu testování.
Materiál je zajištěn z databáze Laboratoře 3D zobrazovacích metod katedry antropologie a genetiky člověka. Metoda by se dále vyvíjela a testovala,a to jak na současné české populaci (recentní CT snímky), tak i na populaci z minulého století (Pachnerova sbírka). Hlavním cílem by tak bylo vytvořit funkční klasifikátor, pomocí kterého by byla metoda snadno aplikovatelná na jakýkoliv vzorek. Výběr kosterního materiálu je volen tak, aby bylo možné na souborech studovat populační specifičnost a sílu sekulárního trendu. Další náplní studia by bylo otestovat metodu Fataha a kolegů (2014) na evropské populaci, jak k tomu ve své práci sami autoři vyzývají. Přístrojové a softwarové vybavení je taktéž zajištěno na stejném pracovišti.
Použitá literatura:
Bookstein FL, Article F, Schafer K et al. 1999. Comparing frontal cranial profiles in Archaic and Modern Homo by morphometric analysis. Anat Rec:217–224.
Bruzek J, Murail P. 2006. Methodology and reliability of sex determination from the skeleton. In: Schmitt A, Cunha E, Pinheiro J, editors. Forensic Anthropology and Medicine: Complementary Sciences From Recovery to Cause of Death. p 225–242.
Buikstra J, Ubelaker D. 1994. Standards for data collection from human skeletal remains. Fayettev Arkansas Archaeol Surv
Decker, S. J., Davy‐Jow, S. L., Ford, J. M., & Hilbelink, D. R. (2011). Virtual Determination of Sex: Metric and Nonmetric Traits of the Adult Pelvis from 3D Computed Tomography Models*,†. Journal of forensic sciences, 56(5), 1107-1114.
Fatah EE, Shirley NR, Jantz RL, Mahfouz MR. 2014. Improving sex estimation from crania using a novel three-dimensional quantitative method. J Forensic Sci.
Ferembach D, Schwidetzky I, Stloukal M. 1979. Recommandations pour déterminer l ’ âge et le sexe sur le squelette. Bull Mem Soc Anthropol Paris 8:7–45.
Franklin D, Cardini A, Flavel A, Kuliukas A. 2013. Estimation of sex from cranial measurements in a Western Australian population. Forensic Sci Int
Hochstein, L. A. (2014). The Frontal Bone as a Proxy for Sex Estimation in Humans: A Geometric Morphometric Analysis (Doctoral dissertation, Faculty of the Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Anthropology in The Department of Geography and Anthropology By Lucy AE Hochstein BA, George Mason University).
Jantz RL, Mahfouz M, Shirley NR, Fatah EA. 2013. Improving Sex Estimation from Crania using 3-dimensional CT Scans.
Kimmerle EH, Ross A, Slice D. 2008. Sexual dimorphism in America: Geometric morphometric analysis of the craniofacial region. J Forensic Sci 53:54–57.
Ogawa Y, Imaizumi K, Miyasaka S, Yoshino M. 2013. Discriminant functions for sex estimation of modern Japanese skulls. J Forensic Leg Med 20:234–238.
Perlaza, N. A. (2014). Sex determination from the frontal bone: a geometric morphometric study. Journal of forensic sciences, 59(5), 1330-1332.
Proença, H. H. F. A., Slavicek, R., Cunha, E., & Sato, S. (2014). A 3D computerized tomography study of changes in craniofacial morphology of Portuguese skulls from the eighteenth century to the present. international journal of stomatology & occlusion medicine, 7(2), 33-45.
Ramsthaler F, Kreutz K, Verhoff M a. 2007. Accuracy of metric sex analysis of skeletal remains using Fordisc based on a recent skull collection. Int J Legal Med 121:477–482.
Stull, K. E., Tise, M. L., Ali, Z., & Fowler, D. R. (2014). Accuracy and reliability of measurements obtained from computed tomography 3D volume rendered images. Forensic science international, 238, 133-140.
Walker PL. 2008. Sexing skulls using discriminant function analysis of visually assessed traits. Am J Phys Anthropol 136:39–50.
Walrath DE, Turner P, Bruzek J. 2004. Reliability test of the visual assessment of cranial traits for sex determination. Am J Phys Anthropol 125:132–137.