《American Journal of Biological Anthropology》：The Use of Micro-CT Analysis of the Second Metacarpal to Assess Cortical Bone Loss in Archeological Human Skeletal Remains
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本文推荐一种基于微计算机断层扫描（μ-CT）的创新方法，用于量化考古人骨第二掌骨的皮质骨流失。研究通过分析第二掌骨指数（MCI）、皮质面积分数（Ct.Ar/Tt.Ar）和皮质内孔隙率（Ct.Po），揭示了中世纪苏格兰人群年龄相关的皮质变薄和孔隙增加模式。该方法突破了传统放射影像学（radiogrammetry）的单点测量局限，为研究古代人群骨健康与生活方式提供了更全面的视角。
摘要
本研究旨在通过微计算机断层扫描（μ-CT）技术评估考古人骨第二掌骨的皮质骨流失情况。传统第二掌骨指数（MCI）通过放射影像学测量皮质厚度，但该方法仅限于单点测量。本研究探索使用μ-CT提供额外的皮质参数，如皮质面积分数和皮质内孔隙率，以更全面地分析皮质骨流失。
1 引言
骨质疏松症是由于骨量减少导致的现代重大健康问题，影响大量老年人群并增加骨折风险。骨流失的进展与年龄、生物性别、疾病和生活方式等因素相关。虽然骨质疏松常与当今老龄化人口相关，但过去五十年间，研究人员已在考古人群中通过不同方法研究了骨流失模式。
1.1 第二掌骨放射影像学
第二掌骨指数（MCI）已被用于评估过去人群的皮质骨流失。在骨骼生长和成熟过程中，骨形成超过吸收，骨量增加直至青年期达到峰值。随着年龄增长，骨吸收超过形成，导致骨密度、骨量减少及骨微结构和力学性能普遍退化。这从松质骨进展到皮质骨，引起皮质变薄。检测皮质骨结构的这些变化允许分析给定人群的骨流失。第二掌骨放射影像学能够在第二掌骨骨干中点基于皮质骨占总宽度的比例量化皮质骨厚度。
1.2 μ-CT分析第二掌骨
除了与骨流失相关的骨内膜表面变化外，皮质骨本身的孔隙率也增加，这主要归因于哈弗斯管（Haversian canals）的扩大和吸收腔的增加。这些骨微解剖变化可以通过获取皮质面积分数（皮质面积/总面积）和皮质内孔隙率（皮质孔隙面积/皮质面积）来评估，这些都是成熟的形态计量参数，以类似于MCI的比例百分比计算。
μ-CT是一种非破坏性成像技术，样品在X射线路径中旋转以定期间隔角度获取投影图像。然后从投影图像重建单个二维切片，并组合创建扫描样品的三维模型。由于其高达几微米的空间分辨率，μ-CT可用于评估松质骨和皮质骨微结构的变化。
2 材料与方法
2.1 骨骼样本
本研究包括来自苏格兰两个中世纪骨骼收藏的样本：Ballumbie和St. Andrews。样本基于存在第二掌骨进行鉴定。排除导致髓腔暴露的损伤掌骨以最小化可能改变骨膜和骨内膜表面的埋藏学影响。优先选择左侧掌骨，除非缺失或过于碎片化，则替换为右侧。总共从Ballumbie收藏的37个个体和St. Andrews收藏的9个个体中取样了46个掌骨。
通过评分骨盆和颅骨的形态学来估计每个个体的生物性别。通过检查耻骨联合和耳状面的形态学以及牙齿磨耗来估计年龄。个体分为三个年龄组：年轻成人（YA）= 18-29岁，中年成人（MA）= 30-49岁，老年成人（OA）= 50岁以上。
2.2 微计算机断层扫描
所有第二掌骨使用爱丁堡大学实验地球科学设施的X射线μ-CT扫描仪进行扫描。进行全骨扫描和骨干中点周围1.2厘米长感兴趣区域的高分辨率扫描。
2.3 MCI方案
所有测量在3D Slicer中进行以计算MCI。首先进行线性变换以将掌骨3D渲染的掌面与感兴趣区域框的前侧对齐。然后调整ROI框至骨骼最大长度以识别度量中点。随后使用轴向视图面板中的横截面切片将ROI框中心调整至骨骼髓腔中心。将冠状和矢状平面对齐此点。最后，沿ROI框中点在冠状截面平面测量每个掌骨的总宽度和髓腔宽度。
2.4 横截面分析
皮质面积分数和皮质内孔隙率从高分辨率骨干μ-CT体积的中点切片获取。横截面切片使用ImageJ中的Pore Extractor 2D插件工具包进行分析。首先反转断层切片颜色创建白色背景（工具包识别为孔隙空间）。随后处理切片遵循推荐步骤和设置。
2.5 统计分析
所有统计分析在Past中进行。使用Shapiro-Wilk检验评估所有数据集的正态性。进行双向方差分析检验年龄和性别组均值之间的统计学显著差异，以及这些变量与MCI和皮质面积分数的可能交互作用。根据正态性检验输出，进行单因素方差分析或Kruskal-Wallis检验评估每个性别年龄组之间每个参数的差异。当识别出显著差异时应用Tukey's或Dunn's事后检验。进行相关性分析评估皮质面积分数与MCI之间潜在关系的存在和强度（Pearson's R检验），以及皮质内孔隙率与MCI之间（Spearman's Rank检验）。
3 结果
3.1 按年龄和性别评估MCI
总体而言，年龄组之间的MCI值稳步下降，年轻成人的平均皮质厚度最大，老年成人的最低。男性和女性MCI非常相似，女性MCI平均值略高于男性，而男性MCI值范围略宽于女性。最高平均MCI值见于年轻成年男性，最低值见于老年成年女性。
双向方差分析检验揭示年龄组之间的MCI存在统计学显著差异，但性别之间没有。年龄和性别之间未发现显著交互作用。Tukey's事后检验发现，老年成人的MCI显著低于年轻成人和中年成人。年轻成人和中年成人之间的MCI未发现统计学显著差异。
在女性样本中，随着年龄增长平均皮质厚度持续下降。年轻女性和中年女性的MCI范围非常相似，而老年女性呈现较小范围和显著较低的平均MCI。三个年龄组之间的MCI存在显著差异。老年女性的MCI显著低于年轻女性。年轻女性和中年女性之间以及中年女性和老年女性之间的MCI没有显著差异。
在男性样本中，随着年龄增长MCI稳步下降。三个年龄组之间的MCI存在显著差异。老年男性的MCI显著低于年轻男性。年轻男性和中年男性之间以及中年男性和老年男性之间的MCI没有显著差异。
3.2 横截面积
第二掌骨骨干中点的皮质面积分数从年轻成人到老年成人年龄组稳步下降，与整体MCI分布相似。这种模式在女性和男性样本中均可观察到。年轻和老年成年男性的平均皮质面积大于这些年龄组的女性，而中年女性呈现与中年男性相似的平均皮质面积。
类似于MCI分析，双向方差分析揭示仅年龄组之间存在统计学显著差异。在性别组内，年轻和老年女性个体之间以及年轻和老年男性个体之间发现显著差异。
皮质面积分数与MCI之间存在非常强的正相关。约76%的变异由模型解释，表明随着皮质面积增加，MCI增加。
3.3 皮质内孔隙率
皮质内孔隙率平均百分比随着年龄增长而增加，最低平均孔隙率见于年轻成人，最高见于老年成人。年轻成年女性的平均孔隙率低于年轻成年男性，而中年和老年成年女性的平均孔隙率高于这些年龄组的男性。年轻和中年年龄组的皮质内孔隙率值范围相似，但老年成人显著更大。
Kruskal-Wallis检验进行组比较后，未发现男性年龄组之间的孔隙率存在显著差异。然而，对于女性，年轻个体的孔隙率显著低于中年和老年年龄组。
皮质内孔隙率与MCI之间存在弱到中度负相关。这表明随着孔隙率增加，MCI趋于减少。
4 讨论
4.1 MCI中与年龄和性别相关的骨流失
从μ-CT扫描获得的MCI值范围与先前研究一致，可与以前研究比较。MCI范围与其他考古人群的相似性也表明中世纪苏格兰个体的峰值骨量明显低于更现代样本的平均值。
与年龄相关骨流失的结果遵循预期趋势，从年轻到老年成人年龄组皮质厚度稳步下降。这在男性和女性样本中均观察到。然而，虽然皮质骨流失参数与年龄相关的显著差异似乎存在，但男性和女性之间没有显著差异，并且未发现性别和年龄有显著交互作用。
考虑到现代临床骨质疏松研究，预计最老年龄组之间会存在性别差异，与绝经后骨质疏松相关。然而，虽然老年女性MCI低于老年男性，但这些组之间的平均MCI未发现显著差异。
4.2 横截面分析
皮质面积分数和皮质内孔隙率作为新参数进行研究，因为它们是皮质骨微结构内评估的常见变量，并与年龄相关变化相关。与MCI一样，它们都是相对测量值，以百分比报告，允许进行更独立于尺寸的分析。
皮质面积分析结果呈现了预期模式，即随着年龄进展皮质骨逐渐变薄，显示与MCI结果几乎完全相同的整体模式以及年龄和性别组内模式。这通过强正相关进一步证实，表明随着皮质面积增加，MCI也增加。这一观察表明，基于单点的MCI本身是在掌骨骨干检测这些模式的良好指标。
孔隙率百分比分析结果通常显示预期趋势，即皮质内孔隙率增加而皮质厚度减少。这种孔隙率增加可在年龄组整体和两性中观察到，但相关性分析显示这种关系相当弱。个体性别组和其中的年龄组内孔隙率存在显著更多变异。
4.3 μ-CT扫描评估皮质骨流失的适用性
本研究部分目的是建立从μ-CT扫描获取MCI的方案。这通过使用免费开源软件实现，这些软件经常用于探索μ-CT数据和骨微结构。这确保了协议的可访问性和可重复性。当前项目的MCI结果未与截断点比较或用于诊断骨质疏松症。为了评估人群水平的骨流失模式，整体模式比个体值更受关注。
仅检测到最小观察者内误差，表明可靠的可重复性。观察者间误差略高，表明用户使用软件经验和应用记录协议对方法可重复性的影响。
关于μ-CT方法，未来研究应专注于从2D评估转向3D评估。虽然皮质骨横截面积测量被描述为骨量可靠准确的指标，但3D体积分析可能揭示更多细节。
4.4 研究局限性
如整个讨论所述，解释当前项目中观察到的骨流失模式的最大限制是样本量以及估计年龄和性别组内的分布。
关于生物考古学中的样本量，应考虑骨骼组合仅代表给定时间地点生活随后死亡的人的一小部分。这个子集可能由于遗骸保存不良而进一步减少，特别是关于老年个体。
在这个试点研究样本中，近50%的个体被归类为中年成人，而老年成人仅占样本的20%，尽管是与研究骨流失相关的最受关注的年龄组。必须注意，在这项研究以及许多引用的MCI研究中，生物年龄是估计的，可能不反映个体的实际 chronological 年龄。
5 结论
对通过μ-CT测量的MCI、皮质骨面积和孔隙率参数组合的初步研究揭示了合并苏格兰中世纪样本中与年龄和性别相关的骨流失潜在模式。与现有相似地理和时间文献的比较揭示了一些相似性，但也存在与各种因素相关的差异，可能包括生活方式。
该项目证明μ-CT衍生的皮质骨横截面有可能使用已建立的形态计量参数进行分析。未来研究应尝试获取更高分辨率扫描以实现详细二维和三维分析，并寻求应用于年龄和性别已知的记录骨骼收藏。皮质内孔隙率在骨流失分析中的重要性以及μ-CT等成像方式的实用性近年来在临床研究中获得更多认可，但在骨考古学中较少。
