Η αντιμετώπιση αναμεμειγμένων σκελετικών συλλογών αποτελεί σημαντική πρόκληση στην δικαστική ανθρωπολογία και τη βιοαρχαιολογία. Στο πλαίσιο της βιοαρχαιολογίας, οι μαζικές ταφές, που συνήθως οδηγούν σε αναμεμειγμένα σκελετικά κατάλοιπα, αποτελούν συνηθισμένη ταφική πρακτική σε ολόκληρο τον κόσμο καθ’ όλη τη διάρκεια της ανθρώπινης ιστορίας. Επιπλέον, η εύθραυστη φύση του αρχαιολογικού σκελετικού υλικού οδηγεί συνήθως σε κατακερματισμένα οστεολογικά κατάλοιπα, γεγονός που καθιστά την ταξινόμηση ακόμη πιο δύσκολη. Αντιθέτως, στο πλαίσιο της δικαστικής ανθρωπολογίας τα οστεολογικά κατάλοιπα είναι συνήθως καλύτερα διατηρημένα και ακέραια δεδομένου ότι η εναπόθεση των ανθρώπινων σορών είναι πιο πρόσφατη. Οι αναμεμειγμένες σκελετικές συλλογές που εμπίπτουν στο πλαίσιο της δικαστικής ανθρωπολογίας μπορεί να οφείλονται σε εγκληματική ενέργεια ή μπορεί να αφορούν την εναπόθεση ανθρώπινων σορών σε μαζικούς τάφους ως αποτέλεσμα πολέμου ή φυσικής καταστροφής. Παρά το γεγονός ότι υπάρχει ένα ευρύ φάσμα μεθόδων για την διαχείριση αναμεμειγμένων σκελετικών συλλογών, όπως τυπικές μετρήσεις, σχολαστική οπτική παρατήρηση, αποτύπωμα DNA και άλλες βιοχημικές μέθοδοι, αυτές τείνουν να αλληλεπικαλύπτονται και τις περισσότερες φορές αλληλοσυμπληρώνονται όσον αφορά την αποτελεσματικότητα, την ακρίβεια , την καταλληλότητα και τη διαθεσιμότητα σε πόρους. Επιπλέον, στις περιπτώσεις που εμπίπτουν στο πλαίσιο της δικαστικής ανθρωπολογίας, υπάρχει επίσης χρονικός περιορισμός είτε λόγω της προσοχής των μέσων ενημέρωσης ή νομικών ζητημάτων. Ως εκ τούτου, είναι επιτακτική η ανάγκη για μεθόδους ταξινόμησης, οι οποίες να είναι γρήγορες, ακριβείς, φθηνές αλλά και εύκολα εφαρμόσιμες. Αυτός είναι και ένας από τους βασικούς λόγος για τον οποίο η οστεομετρική ταξινόμηση έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον κατά την τελευταία δεκαετία.

Σε γενικές γραμμές, η οστεομετρική ταξινόμηση θα μπορούσε να περιγραφεί ως μια μέθοδος ποσοτικοποίησης των μορφολογικών χαρακτηριστικών των οστών και χρήσης στατιστικών μοντέλων για μια πιο αξιόπιστη και αποτελεσματική συσχέτιση αυτών σε σχέση με την οπτική παρατήρηση. Μέχρι πρόσφατα, οι περισσότερες οστεομετρικές προσεγγίσεις βασίζονταν είτε σε τυπικές μετρήσεις, οι οποίες δεν έχουν τη δυνατότητα να συλλάβουν επαρκώς τη μορφολογία των οστών, είτε σε άμεση σύγκριση τριγωνικών πλεγμάτων σε τριδιάστατο χώρο, οι οποίες για λόγους στατιστικούς έχουν οριακά καλύτερη απόδοση από τις τυπικές μετρήσεις. Σε κάθε περίπτωση, η Αχίλλειος πτέρνα των οστεομετρικών μεθόδων ταξινόμησης είναι η περιορισμένη ικανότητά τους να ποσοτικοποιήσουν τη μορφολογία των οστών με τον «ίδιο» τρόπο που ένας έμπειρος ανθρωπολόγος λαμβάνει μια σύνθετη απόφαση για την αντιστοίχιση δύο αμφίπλευρων οστών παρατηρώντας σχολαστικά την επιφάνεια τους. Μην το παρεξηγήσετε! Οι σύγχρονες τεχνολογίες τριδιάστατης σάρωσης μπορούν να αποτυπώσουν την πλήρη μορφολογία ενός οστού με μεγάλη ακρίβεια και πρωτοφανή ποιότητα, όπως μπορείτε να δείτε και στη μικρή μας 3Δ βιβλιοθήκη. Είναι απλώς ζήτημα εύρεσης ή ανακάλυψης του "σωστού" τρόπου ποσοτικοποίησης της προκειμένου να παρέχει στατιστικά στοιχεία χρήσιμα για τις προκλήσεις της οστεομετρικής ταξινόμησης.

Η καινοτομία του "Human Jigsaw" γκειται στο γεγονός ότι ανέπτυξε μια μέση λύση μεταξύ των τυπικών μετρήσεων των οστών και των τριδιάστατων νεφών σημείων και τριγωνικών πλεγμάτων, που όπως προαναφέρθηκε είναι αυτά που χρησιμοποιούνται πιο συχνά στην οστεομετρική ταξινόμηση. Τη λύση των μορφομετρικών χαρακτηριστικών! Πρόκειται για απλά μετρικά χαρακτηριστικά, τα οποία διατηρούν τα στατιστικά οφέλη των τυπικών μετρήσεων (i.e. μικρός αριθμός μεταβλητών), αλλά ταυτόχρονα είναι παράμετροι περιγραφής της μορφολογικής διακύμανσης και μπορούν να συλλέξουν τεράστιο αριθμό πληροφοριών για την επιφάνεια ενός οστού από τα τριδιάστατα μοντέλα. Αναφέροντας ορισμένα, το I_min/I_max ratio, το οποίο ποσοτικοποιεί κατά μια έννοια το πόσο επιμήκης είναι η διατομή της διάφυσης, και το diaphyseal bending, το οποίο περιγράφει το πόσο κυρτή ή ευθυτενή είναι η διάφυση του μακρού οστού. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στην ιδέα της ποσοτικής αποτύπωσης της μορφολογίας της διάφυσης των μακρών οστών, η οποία θα επιτρέψει την εκτίμηση της ομοιότητας μεταξύ αριστερών και δεξιών οστών βάση της αναμενόμενης, εντός ορισμένων ορίων, συμμετρίας τους. Για το λόγο αυτό, το CSG Toolkit, το οποίο αρχικά αναπτύχθηκε προκειμένου να αντικαταστήσει τη μέθοδο LCM, εξελίχθηκε περαιτέρω για τον υπολογισμό πρόσθετων μορφομετρικών χαρακτηριστικών και ενσωματώθηκε στο πλαίσιο του έργου. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το CSG Toolkit επιτρέπει την αυτοματοποιημένη αλλά ακριβή εξαγωγή των γεωμετρικών παραμέτρων της εγκάρσιας τομής της διάφυσης των μακρών οστών και επιπλέον, παρέχει πρόσθετα μορφομετρικά χαρακτηριστικά για τους σκοπούς της οστεομετρικής ταξινόμησης.

Τα τριδιάστατα σημεία (μπλε κουκίδες) μιας εγκάρσιας τομής της διάφυσης ενός μηριαίου όπως αυτά εμφανίζονται στο Meshlab καθώς και το αντίστοιχο 2Δ περίγραμμα και οι γεωμετρικές παράμετροι όπως υπολογίστηκαν και σχεδιάστηκαν με το CSG Toolkit.

Όπως προαναφέρθηκε, ένα καλό σύνολο απλών παραμέτρων αλλά λεπτομερούς περιγραφής της μορφολογίας των οστών είναι ένα καλό πρώτο στάδιο για την επιτυχή ταξινόμηση αναμεμειγμένων οστών. Με την ολοκλήρωση αυτού του σταδίου, και το CSG Toolkit θα το περατώσει σε δευτερόλεπτα δεδομένης της διαθεσιμότητας ενός τριδιάστατου μοντέλου, απαιτείται μια αξιόπιστη στατιστική προσέγγιση, η οποία θα αξιοποιήσει αυτά τα οστεομετρικά δεδομένα. Και εδώ έχουμε τη δεύτερη καινοτομία του "Human Jigsaw". Οι συνήθεις στατιστικές προσεγγίσεις οστεομετρικής ταξινόμησης ακολουθούν είτε τον έλεγχο ανομοιότητας και άρα αναντιστοιχίας μεταξύ αμφίπλευρων οστών με βάση την μηδενική υπόθεση ότι τα αμφίπλευρα οστά έχουν συμμετρία είτε εκτιμώντας την ομοιότητα με βάση κάποια πολυδιάστατη γεωμετρική απόσταση, όπως η Ευκλείδια ή η απόσταση Haussdorf. Κοινός τόπος σε όλες τις προαναφερθείσες προσεγγίσεις είναι η συγχώνευση πολυμεταβλητών οστεομετρικών δεδομένων σε επαγωγικές μονομεταβλητές στατιστικές αναλύσεις! Η δική μας στατιστική προσέγγιση, παρόλο που εξακολουθεί να βασίζεται σε περιγραφικά στατιστικά και κατανομές δειγματοληψίας, ακολουθεί μια εντελώς διαφορετική και καινοτόμα προσέγγιση σύνθετης στοχαστικής διαδικασίας πολλαπλών σταδίων που συμπεριλαμβάνει πολυμεταβλητή περιγραφική στατιστική για τον αποκλεισμό σαφών αναντιστοιχιών, έλεγχο δεσμευμένων πιθανοτήτων για πιθανά ζεύγη και έναν τροποποιημένο αλγόριθμο αναζήτησης k-NN για τη βέλτιστη ταξινόμηση των αμφίπλευρων οστών μιας συλλογής. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον αλγόριθμο ταξινόμησης μπορείτε να βρείτε στην αρχική δημοσίευση "Advances in Osteometric Sorting: Utilizing Diaphyseal CSG Properties for Lower Limb Skeletal Pair-Matching".

Υψίστης σημασίας για οποιαδήποτε νέα προτεινόμενη μέθοδο, ανεξαρτήτως βαθμού καινοτομίας, λεπτομέρειας, ακρίβειας ακόμη και πολυπλοκότητας, είναι η αποτελεσματικότητά της όσον αφορά στην εφαρμογή και στην ευχρηστία της. Προφανώς, οι οστεομετρικές μέθοδοι ταξινόμησης δεν αποτελούν εξαίρεση ως προς αυτό. Ως εκ τούτου, η προτεινόμενη μέθοδος ταξινόμησης έχει ενσωματωθεί σε μία εύχρηστη συνάρτηση λογισμικού GNU Octave με την ονομασία sorting_BE υπό τους όρους της γενικής άδειας δημόσιας χρήσης GPLv3. Παρόλο που το sorting_BE δεν διαθέτει γραφικό περιβάλλον και μπορεί να κληθεί μόνο μέσα από το περιβάλλον GNU Octave, το παρακάτω σχήμα απεικονίζει τα αποτελέσματα της επιτυχούς ταξινόμησης όπως αυτά προέκυψαν από την ανάλυση ενός συνόλου αριστερών και δεξιών μηριαίων πέντε ατόμων, τα οποία ανήκουν στη σκελετική Συλλογή Αθηνών. Στην εικόνα περιλαμβάνονται μόνο δύο από τις πέντε εγκάρσιες τομές που χρησιμοποιούνται για ταξινόμηση ζευγών. Παρ' όλα αυτά, μια προσεκτική παρατήρηση μεταξύ των αντιστοιχισμένων ζευγών και σε αντίθεση με όλα τα υπόλοιπα διαθέσιμα δείγματα αποκαλύπτει τη συμμετρική σχέση μεταξύ των αντιστοιχισμένων ζευγών. Αυτές οι ομοιότητες/ανομοιότητες που συνδέονται σε μεγάλο βαθμό με την εγγενή μορφολογία του κάθε οστού, επιτρέπουν στο καλά εκπαιδευμένο μάτι ενός έμπειρου ανθρωπολόγου να ταξινομεί ποιοτικά αναμεμιγμένα οστά, αλλά μέχρι τώρα ήταν πολύ δύσκολο για τις οστεομετρικές μεθόδους να τις ποσοτικοποιήσουν.

Η ταξινόμηση των ζευγών (υποδεικνύεται με χρωματιστές γραμμές) προέκυψε από την ανάλυση ενός συνόλου αριστερών και δεξιών μηριαίων πέντε ατόμων. Στην αριστερή και δεξιά πλευρά της εικόνας παρατηρούμε δύο από τα πέντε περιγράμματα εγκάρσιων τομών καθώς και τις αντίστοιχες γεωμετρικές παραμέτρους τους των αριστερών και δεξιών μηριαίων, αντίστοιχα.

Η συνάρτηση λογισμικού sorting_BE ελέγχθηκε επανειλημμένα (εναλλακτικά σενάρια) με δείγματα έως και 220 οστών, τα οποία επιλέχθηκαν τυχαία από το σύνολο των μηριαίων και κνημών που είναι διαθέσιμα στη Συλλογή Αθηνών, και ο υποκείμενος αλγόριθμος της έδειξε πρωτοφανή ακρίβεια ταξινόμησης (~ 99% έως 100%) σε διάφορα εναλλακτικά σενάρια. Επιπλέον, ο ενσωματωμένος αλγόριθμος ταξινόμησης ζευγών μπορεί να χειριστεί επιτυχώς και περιπτώσεις με μεγάλη ανομοιογένεια (δηλαδή αναμεμειγμένες σκελετικές συλλογές με μεγάλο αριθμό ατόμων, στα οποία δεν υπάρχουν και τα δύο αμφίπλευρα οστά) δεδομένου ότι είναι σε θέση να αναγνωρίζει επιτυχώς μονομερή οστά από αναμεμειγμένες σκελετικές συλλογές. Η αρχαιότατη "εις άτοπον απαγωγή" μέθοδος λογικής ενσωματώθηκε σε μια σύγχρονη στατιστική προσέγγιση προκειμένου να διευκολύνει την επίλυση ενός μακροχρόνιου αλλά μέχρι και σήμερα πιεστικού προβλήματος:

Την ταξινόμηση αναμεμειγμένων σκελετικών συλλογών!

To "Human Jigsaw" χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα-πλαίσιο της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την έρευνα και την καινοτομία «Ορίζοντας 2020» στο πλαίσιο δράσης "Marie Skłodowska-Curie", το οποίο χορηγήθηκε στην Μαρία-Ελένη Χοβαλοπούλου [Program/Call: H2020-MSCA-WF-2018, Proposal: 867438-Human Jigsaw]. Υλοποιήθηκε στο STARC του Ινστιτούτου της Κύπρου υπό την επίβλεψη της επίκουρης καθηγήτριας Ευθυμίας Νικήτα και σε συνεργασία με τον Ανδρέα Μπερτσάτο, ερευνητή στο ΕΚΠΑ.