在法医背景下对骨骼遗骸进行骨密度扫描

摘要

骨密度（BMD）是评估营养摄入状况的重要因素。对于人类骨骼遗骸而言，它是评估儿童和成人生活质量的一项有用指标，尤其适用于致命性饥饿和严重 neglect 病例的分析。本文为法医学目的下的人类骨骼遗骸扫描提供了操作指南。

摘要

本文旨在介绍一种具有前景的新型方法，以辅助评估法医学相关骨骼遗骸的骨质量。骨密度（BMD）是骨骼营养状况的重要组成部分，对于儿童和成人的骨骼遗骸均可提供有关骨质量的信息。对于成人遗骸，骨密度可提供有关病理性状况或骨量不足发生时间的信息；对于儿童，则可提供一项有用的指标，以阐明致死性饥饿或忽视案件，而此类情况通常难以识别。本文提供了一套解剖定位及骨骼遗骸分析的操作流程，用于指导通过双能X射线吸收测定法（DXA）进行扫描。文中展示了三个案例研究，以说明DXA扫描在何种情况下可为法医从业人员提供有价值的信息。第一个案例研究涉及一名个体，其承重骨存在纵向骨折，采用DXA评估骨量不足情况，结果显示骨密度正常，提示该骨折模式可能由其他病因所致。第二个案例研究利用DXA调查疑似慢性营养不良情况，其骨密度结果与长骨长度的分析结果一致，表明该儿童曾遭受慢性营养不良。最后一个案例研究展示了一个疑似14个月大婴儿因严重饥饿致死的案例，其结果支持尸检关于致死性饥饿的发现。DXA扫描显示该婴儿的骨密度低于同龄正常水平，并得到传统婴儿健康评估结果的支持。然而，在处理骨骼遗骸时，应用该方法前应考虑埋藏学改变的影响。

引言

法医人类学分析的目标依赖于实践者对骨骼作为一种具有多个结构单元和变异性的复杂组织的理解。骨骼是一种具有层级结构的复合组织，由有机成分和无机成分组成，共同构成胶原蛋白和含碳酸盐的羟基磷灰石基质^1,2,3,4。其中无机成分，即骨矿物，以纳米晶体结构排列，为有机部分提供刚度和结构支撑^1,2,5。骨矿物按重量计约占骨骼总质量的65%，其质量受遗传和环境因素的共同影响^1,2,4,6。由于骨矿物占据三维空间，因此可测量为骨矿物密度（BMD），即其质量与所占体积的函数关系⁷。骨矿物的整体密度从出生至成年期间随年龄变化而变化^8,9,10,11,12，且已被广泛应用于临床环境中作为骨质疏松症和骨折风险的评估指标^{4,13,14,15,16,17,18}。自1987年引入以来，双能X射线吸收测定法（DXA）已成为评估骨骼健康状况的常用工具，尤其是腰椎和髋部区域的扫描^11,13,19。研究表明，DXA扫描在检测BMD变化方面具有高度有效性，已被视为金标准^{13,19,20,21,22,23}。随后，世界卫生组织（WHO）制定了规范性标准，包括针对儿童和成人的腰椎（L1-L4）及髋部的t值和z值定义，因为这些区域易于进行容积测量^11,13,19,24。

法医人类学在法医病理学案件中的应用日益增多，这促使人们探索新的技术，以在各种情况下更好地评估骨骼遗骸。这些潜在技术之一是应用双能X线吸收测定法（DXA）扫描来评估骨密度（BMD），作为评估儿童因致命性饥饿和忽视所致案件中骨质量的指标^25,26、代谢性骨病的鉴定，以及在埋藏学研究中估算骨骼组分的可存留性^7,27。

根据美国卫生与公共服务部2015年发布的《儿童虐待报告》，在上报的儿童虐待案件中，75.3%属于某种形式的忽视，49个州共报告约1,670例因严重营养不良和忽视导致的死亡病例²⁸大多数遭受忽视的未成年受害者未能表现出外部身体虐待的迹象，但 生长迟缓 在所有情况下均可见^29,30. 生长迟缓 被定义为营养摄入不足，无法支持生长发育。其成因可能有多种，其中之一是因营养缺乏导致的忽视。^25,31 （参见 Ross 和 Abel）³² 关于更全面的综述，请参见相关文献）。导致儿童或婴儿死亡的故意饥饿行为较为罕见，被视为最极端形式的虐待。^25,33,34这些营养缺乏对骨骼生长具有显著影响，尤其是对儿童长骨的纵向生长，是营养不良的直接后果。³⁵骨骼生长和矿化主要依赖于维生素D和钙，补充这两种营养素与骨密度（BMD）的增加相关。^25,35,36.

即使在完成完整的尸体解剖后，识别或起诉此类案件也极为困难^31,37,38，因此必须特别注意所采用的方法。因此，在怀疑因致命性饥饿或营养不良致死的案例中，尤其是在遗骸处于高度腐败状态的情况下，需要采取多学科联合的方法²⁶。当涉及骨骼遗骸时，骨密度测定法结合其他骨骼指标（如牙齿发育情况、颅骨基底部（pars basilaris）的测量以及长骨长度）是一种有效的工具²⁶。如果不使用上述针对婴儿和青少年的骨骼指标，将无法判断低骨密度（BMD）是由先天性代谢障碍、营养不良还是埋藏学过程所导致。另一个关注点是对婴儿或青少年骨骼遗骸体型（体重和身高）的估算。大多数标准化数据集都需要身高或体重信息用于比较，因为儿童的骨骼生长依赖于体型和年龄¹²。当被评估的遗骸身份不明时，应采用相应的估算方法。对于一岁以下的婴儿，标准化DXA数据仅按年龄匹配。对于一岁以上的青少年，推荐使用Ruff³⁹或Cowgill⁴⁰方法来估算骨骼遗骸的体型，因为这些方法基于丹佛生长研究样本，涵盖1至17岁的个体^39,40。在估算年龄和体型后，置信区间会有所变化，报告中应包含与美国疾病控制与预防中心（CDC）发布的生长曲线⁴¹进行均值比较的结果，以及估算体型的置信区间。需要注意的是，在大多数情况下，青春期前的青少年骨骼遗骸无法确定其祖先来源和性别，这一点尤为重要，因为已知祖先来源和性别对成人的骨密度具有显著影响。在这种情况下，DXA方法可能不适用。对于身份已知的案例，在分析前应获取有关祖先来源、性别和体型的生物学信息。

随着参考数据的发展，儿科骨密度测量的应用日益增加^42,43，其中双能X线吸收测定法（DXA）是最广泛可用的技术⁴⁴。营养不良儿童的骨密度（BMD）水平显著低于健康儿童，且矿化程度与营养不良的严重程度相关⁴⁵。根据美国放射学会的建议，对青少年进行评估时，腰椎和髋部的DXA扫描是最合适的部位⁴⁶。在儿童整个生长期中，脊柱、全髋和全身部位的DXA测量均显示出良好的可重复性⁴⁷。然而，腰椎更受推荐，因其主要由小梁骨构成，对生长期间的代谢变化更为敏感，且已被证明比全髋评估更为精确^25,47,48。DXA扫描在儿科评估中应用普遍。但由于DXA是二维成像技术，无法捕捉真实的体积信息，其骨密度值基于骨面积计算得出¹³。这一点在儿童中尤为重要，因为儿童在年龄组内及年龄组之间的身体和骨骼大小存在较大差异¹²。目前大多数参考数据均用于与DXA测量值进行比较，但在选择参考人群时应谨慎，需确保其适用性（参见Binkovitz和Henwood¹³中列出的常用DXA参考数据库）。

扫描完成后，一个 z-评分是使用与年龄相匹配且针对特定人群的参考样本计算得出的。 Z-评分更适合用于青少年，因为 t-得分将测得的骨密度与年轻成人样本进行比较¹². A z-2至2分之间表示与实际年龄相符的正常骨密度，而低于-2分则表示与实际年龄相比骨密度偏低⁴⁹-2 到 2 范围内的两者 t- 和 z-得分表示与均值相差不超过两个标准差。显然，如果测得的骨密度（BMD）得分在其参照人群均值上下两个标准差范围内，则被视为临床正常。

法医人类学家依赖形态学变异的依据来自多个方面，其中之一是疾病过程引起的骨骼变异，包括代谢性骨病⁵⁰。在骨骼遗骸中识别特定疾病的能力建立了双重优势：1）为生物谱型提供更多信息，使其更加完善；2）判断骨折是病理性还是外力所致。代谢性骨病有多种类型^51,52,53，但对现代遗骸骨密度（BMD）测量最具相关性的疾病是骨质疏松症。当骨小梁的骨量流失速率高于皮质骨的流失速率，导致骨密度净减少时，便会发生骨质疏松症^53,54,55。骨小梁的流失与骨折风险增加相关，尤其在骨小梁含量较高的骨骼中（e.g.，髋骨）^4,55。

已有大量关于考古遗骸中骨质疏松症和骨矿物质密度的研究，采用了DXA^56,57,58,59及其他方法^60,61,62。然而，在评估考古背景下的成人骨骼是否存在骨质疏松症时，研究者往往忽视了临床诊断骨质疏松症需要以与被评估个体同时代的年轻参照样本的均值作为基准^55,63,64。在法医人类学背景下，这一问题并不突出，因为个体可与具有完善髋部和腰椎参考样本的现代人群按年龄和性别进行匹配，尽管仍需考虑成岩作用对骨矿物质密度（BMD）的影响。然而，埋藏学很可能是影响从考古样本中获得有效BMD测量结果的主要因素。这一点在法医背景下同样需要考虑，尤其是从埋藏环境中回收、且死后间隔可能超过数月的遗骸。尽管这些遗骸仍具有法医学研究价值，但在上述情况下所获得的任何BMD评分都可能存在足够的不确定性。

临床上通过双能X线吸收测定法（DXA）测量髋部或腰椎的骨密度（BMD），并将个体的BMD值与年轻成人参考样本进行比较，计算出t值评分，以此评估骨质疏松症^65,66,67,68。该参考样本可用于识别骨骼中骨质疏松症的发生。在法医学背景下，这具有两个方面的意义：1）区分老年人因受虐所致创伤性骨折与骨质疏松个体因骨脆性增加所致的骨折⁶⁹；2）作为潜在的个体识别特征⁵⁰。

骨密度长期以来一直被视为反映动物活动水平和营养状况的指标^70,71。最近人们注意到，骨密度作为骨的内在属性，会影响其在埋藏学过程中的保存能力⁷ 。分解过程的一个结果是骨骼单元（i.e.，解剖学上完整的独立骨骼单位）保存能力的差异，而骨密度可作为预测骨骼保存能力或骨强度的指标^{7,70,71,72,73,74,75}。这一点在法医学以及考古学和古生物学环境中具有重要意义，因为当仅有部分骨骼单元存在时，会影响实践者充分运用方法进行生物特征分析（如年龄、性别、身高和祖先来源）的能力。

体密度（即骨密度测量中包含孔隙空间）是此情境下的合适测量指标，因为正是骨的多孔结构影响了其对埋藏学过程的易感性⁷。目前已采用多种方法评估骨密度，包括单束光子密度测定法^27,75、计算机断层扫描^76,77,78、光密度测定法^72,79以及双能X线吸收测定法（DXA）^80,81,82。相较于其他方法，DXA扫描可能更具优势，因其相对成本较低，可进行全身扫描，并且在分析过程中可单独或整体评估各个骨骼单元。在埋藏学研究前后使用骨密度（BMD）扫描，可为不同埋藏因素和环境下骨的存留能力提供有价值的信息⁸²。

本文概述了一种获取骨骼遗骸双能X线吸收测定法（DXA）扫描图像的实验方案。该方法采用临床常规的个体体位，进行腰椎和髋部扫描，从而使操作人员能够将骨骼遗骸与相应的正常参考标准进行比较。所描述的实验方案适用于成人和青少年遗骸，相关适用限制将在后文讨论。

方案

本方案遵循北卡罗来纳州立大学关于人类研究的伦理指南。

1. 机器准备

注意：以下方案可广泛适用于任何全身、临床双能X线吸收测定法（DXA）及骨密度（BMD）扫描仪。

1. 每天在扫描任何受试者之前进行一次校准，以确保质量控制。系统软件启动后出现校准提示时，应扫描已知密度的腰椎体模，以确保骨密度扫描仪读数正确。
2. 若所使用的扫描仪软件中无质量控制功能，则需将腰椎扫描结果与该体模上记录的结果进行比较，以确保测量准确。
   注意：应将腰椎体模置于扫描床中央，并选择腰椎模式进行质量控制。
3. 根据需要进行其他测试（例如，射线均匀性测试）。每最多十次扫描后进行一次射线均匀性测试，以确保扫描仪能够检测整个扫描表面。
4. 若所使用的扫描仪在质量控制菜单中无射线均匀性测试功能，则选择全身扫描模式，以确保扫描仪能够读取整个扫描表面。
   注意：每次质量控制完成后以及开始检查前，务必对检查床进行居中校正。

2. 实施检查

1. 创建患者档案
   1. 为每位接受扫描的新个体创建新的患者档案，以保持监管链的完整性，并确保扫描数据与相应的遗骸正确关联。如果被扫描个体已确认身份，则进入步骤 2.1.2。如果个体身份未明，则在扫描前先建立生物学特征档案，以便采用最准确的数据库参考信息。
   2. 将人口统计学信息输入患者档案，若身高未知则填写估计值。确保为待检遗骸选择最合适的计算公式。
   3. 选择扫描类型。在步骤2.2中，选择腰椎前后位（Anterior-Posterior, AP）扫描；在步骤2.3中，选择左侧或右侧髋关节扫描。
2. 腰椎前后位扫描
   注意：需要第一至第四腰椎（L）。
   1. 选择 执行 检查 | 选择患者 | 选择扫描类型 | AP 腰椎 | 下一步选择一个至少与L1-L4节段大小相当的敞口容器。
      注：本研究中使用的尺寸为 48.26 厘米（长）× 26.85 厘米（宽）× 8.89 厘米（高）（即 19 英寸 × 10.57 英寸 × 3.5 英寸）。
   2. 在容器底部填充大米作为软组织替代物。
      注意：任何类型的稻米均可作为软组织替代物。
   3. 将L1-L4置于解剖位置（棘突应朝下），放入大米中，每个椎体之间间隔约0.7 cm（0.28 in.），如图所示 图1A确保上、下关节突相互连接，但椎体之间不相互接触。
   4. 将扫描台居中，并将装有样本的容器放置于扫描台上，使L1朝向扫描台顶部（头侧），L4置于交叉十字线交点上方1 cm处。垂直激光线应平分四个椎体的椎体部分。图1B).
   5. 用大米覆盖暴露的骨骼。
   6. 选择 开始扫描.
   7. 进入分析步骤（步骤 3.1），如果扫描正确（图2如果未捕获全部椎骨，则需重复扫描。
3. 左侧或右侧髋部扫描
   注意： 图3 来自左侧髋关节检查，若进行右侧髋关节检查，则体位相反。
   1. 选择 进行检查 | 选择患者 | 选择扫描类型 | 左髋（或右髋） | 下一步选择一个至少与被扫描的完整髋骨和股骨同样大小的敞口容器。
      注：本研究中使用的尺寸为 88.5 L × 41.5 W × 13.9 D cm（34.85 英寸 L × 16.35 英寸 W × 5.47 英寸 D）。
   2. 在容器底部填充大米（任何类型的大米均可作为软组织替代物）。
   3. 将髋骨置于髋臼和闭孔朝向外侧、耻骨朝向内侧的位置。使坐骨结节位于股骨头下方，与髋臼相接合图3A).
      注意：坐骨结节的位置最为重要，因为如果其向外侧延伸至股骨颈下方，将导致骨密度（BMD）估计值偏高。
   4. 将股骨的股骨头置于髋臼内，并使大转子与股骨头的连线与扫描床平行即，位于同一平面）。确保股骨干内旋，使远端髁内旋且略高于内侧髁。图3B).
   5. 将扫描台居中，然后调整扫描臂和扫描台的位置，直至激光十字线的中心正对股骨小转子下方区域，且垂直线平分股骨骨干的上半部分图3A）。一旦将遗骸放置到位，切勿移动。移动操作台可确保骨骼保持在正确的解剖位置。
   6. 用大米覆盖髋股关节剩余可见部分。
   7. 选择 开始扫描.
   8. 如果扫描正确，继续进行步骤 3.2 的分析（图4).
      注意：扫描时应确保关节的对齐，使股骨近端的中线位于同一平面内。该中线应从股骨头中心延伸至大转子稍下方。

3. 考试分析

1. 分析腰椎前后位（AP）扫描
   1. 扫描完成后，将出现“退出检查”提示框。选择 分析扫描。
      注意：若扫描操作正确，软件会将每个椎体划分为独立区域，以评估各椎体的个体参数及总体骨密度（BMD），如 图5 所示。
   2. 在 扫描分析 窗口中选择 结果。若椎体未正确分离，可选择椎体标线进行微调，或直接重新定位椎体以进行重新扫描。
   3. 在进行青少年骨密度扫描时，获取与年龄匹配及特定人群的骨密度参考值，用于计算 z-评分。
   4. 收集结果图表，以可视化受试个体相对于参考人群的分布情况。
      注意：图6 显示了一名31岁女性腰椎前后位扫描的结果。
2. 分析髋部扫描。
   1. 扫描完成后，将出现“退出检查”提示框。选择 分析扫描。
      注意：若扫描操作正确，软件将自动识别股骨颈、沃德三角区（Ward's triangle）及转子区域，如 图7 所示。
   2. 使用骨图工具，对软件未能准确识别的非股骨颈或转子区域部分进行添加或删除。若因轻微体位偏差导致识别不准确，可通过选择“颈工具”并在扫描图像上直接调整中线位置进行修正。
   3. 若上述微调无法实现 图7 所示的理想对齐效果，则需重新定位并重新扫描。
   4. 在 扫描分析 窗口中选择 结果。将成人数据与软件中提供的股骨颈、转子区及股骨间区域的参考数据进行比较。
   5. 在评估青少年时，应使用相应年龄和人群匹配的参考数据进行结果比较。
   6. 对成人使用 t-评分，因其最适合用于鉴别评估病理性状况。
      注意：图8 显示了一名31岁女性左侧髋部分析的理想扫描结果。

结果

本文提出的这种方法通常用于活体患者，其应用于遗骸个体的新颖性应予以注意。图6 和 图8 分别展示了腰椎前后位及左侧髋部扫描的结果。接受扫描的个体为一具存放在北卡罗来纳州立大学法医分析实验室的已故白人女性，年龄31岁。该个体的总骨密度（BMD）评分为0.944 g/cm²，相对于与其族裔和性别匹配的参考人群，其相应的t-评分（-0.9）。根据世界卫生组织（WHO）的分类标准，她的骨密度评分在临床上属于正常范围，未低于提示骨质疏松症或骨折风险增加的-2 t-评分阈值^8,83。所展示的结果来自三个法医学案例，其中骨密度评分被用于评估每具遗骸个体的不同病因。本文提出的方法尚未在骨骼遗骸中进行系统性评估，但结合其他方法，可在鉴定过程中为调查人员提供辅助。<...

讨论

本文展示的结果说明了骨密度（BMD）指标在法医学背景下的适用性。图6 和 图8 显示，活体个体进行临床BMD扫描时的扫描体位在骨骼遗骸上具有可重复性，但必须注意确保正确的定位。这一点在髋部检查中尤为关键，因为确定股骨颈中线需要股骨处于适当角度，若髂骨结节未正确置于髋臼-股骨关节内侧，则可能导致BMD的高估。对于案例研究1中讨论的成年男性，BMD测量值可为案件调查人员提供有关可能存在的病理状况的额外信息。若无BMD测量数据，纵向骨折可能被归因于骨质不足。这同时也表明，在鉴别可能的骨折病因方面，BMD评估相比X射线具有优势。

案例研究 2 和 3 提供了骨矿物质密度（BMD）指标在确立严重营养不良方面发挥关键作用的实例，这些指标支持了更为常用的方法。在遗骸处于高度分解阶段才被发现的情况下，识别和起诉因饥饿致死的青少年案件尤为困难^31,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
QDR Discovery 4500W 系统	Hologic	Discovery W	包含 APEX 软件的全身 DXA 扫描仪，用于扫描图像的可视化与分析。整合了由世界卫生组织（WHO）开发的 FRAX 参考数据，可提供 T 值和 Z 值。
APEX 3.2	Hologic	APEX	连接至骨密度仪（QDR Discovery 4500W 系统）的 DXA 计算机所使用的软件，用于获取骨密度（BMD）数据并分析结果。