Analysis of Morphological Variations in the Pubic Symphysis Using Three-Dimensional Statistical Shape Modeling

Abstract

The pubic symphysis is pivotal in biological and forensic anthropology, particularly in age-at-death estimation. While computational approaches have advanced accuracy, they face limitations such as the "black box," obscuring crucial morphological features for estimation. Additionally, research on sexual dimorphism in the pubic symphysis is limited, often overlooking surface variations and relying on outline analyses. To address these limitations, statistical shape modeling is employed, a method capable of analyzing complex morphological variations by generating mean models and identifying subtle shape changes. This research focuses on two primary aspects of pubic symphysis: sexual dimorphism and age-related morphological changes. Computed Tomography scans of 252 subjects from the National Forensic Service of South Korea were analyzed. Preprocessed data underwent rigid alignment and statistical shape model construction. Principal component analysis was performed to compare models, followed by MATLAB-based classification training to assess variations. Sexual dimorphism was most evident in dorsal-ventral width, influencing the outline shape beginning in the 30s and peaking in the 50s. In contrast, the 20s showed more significant differences in surface morphology rather than outline. Age-related changes were most pronounced in younger individuals, with males showing ventral margin extension and females experiencing changes likely linked to pregnancy. In older groups, changes were less significant and showed greater individual variability, particularly among females, due to menopause and pelvic muscle aging. This study provides critical insights into the morphological complexity of the pubic symphysis. Thus, these findings can serve as valuable cornerstones for advancing human identification methodologies in biological and forensic anthropology.

두덩결합면은 법의인류학을 비롯한 생물인류학 분야에서 신원미상자의 사망 당시 연령을 추정하는 데 중요한 역할을 한다. 최근 육안 기반의 연령 추정이 가지는 주관성을 개선하고자 다양한 컴퓨터 기반 분석 방법이 개발되었다. 하지만, 이 방법들은 연령 추정에 중요한 형태적 특징을 명확히 밝히지 못하는“블랙박스” 문제를 포함한 한계를 가진다. 또한, 두덩결합면의 성적 이형성은 잘 알려져 있으나, 관련 연구는 부족하며 표면 변화를 간과하고 윤곽 분석에 주로 의존하고 있다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 연구는 삼차원 통계적 형태 모델링(statistical shape modeling, SSM)을 활용하였다. SSM은 평균 모델을 생성하고, 미세한 형태 변화를 포착함으로써 한 형태 집단 내의 복잡한 형태 변이를 분석하는데 용이하다. 본 연구에서는 SSM을 활용하여 두덩결합면의 성적 이형성과 연령에 따른 형태 변화를 분석하였다. 대한민국 국립과학수사연구원에서 제공한 252명의 사후 컴퓨터 단층촬영 데이터를 활용하였으며, 데이터는 삼차원 파일 형태로 분석하였다. 전처리 된 데이터는 강체 정렬(rigid alignment) 및 통계적 형태 모델 구축을 거쳤고, 평균 모델 간의 비교, 분석을 위해 주성분 분석(principal component analysis)을 수행하였다. 이후 MATLAB을 활용해 형태 기반 분류 분석을 시행하였다. 성적 이형성은 등-배 폭에서 가장 두드러지게 나타났으며, 30대에 나타나기 시작하여 50대에 정점에 도달하였다. 반면, 20대에서는 윤곽보다 표면 형태에서 더 뚜렷한 성적이형성을 확인할 수 있었다. 연령과 관련된 변화는 젊은 연령층에서 가장 두드러졌으며, 남성은 배 쪽 모서리의 확장이 관찰되는 반면, 여성은 임신과 관련된 것으로 추정되는 형태적 변화가 나타났다. 고령층에서는 형태 변화가 두드러지지 않았으며, 특히 폐경과 골반 근육 노화로 인해 여성 개체 간 형태 차이가 더 크게 나타난 것으로 보인다. 본 연구는 이전까지 법의인류학 분야에서 잘 활용되지 않았던 SSM을 뼈대 형태 분석에 적용함으로써 두덩결합면의 복잡한 형태적 특성을 규명하는데 기여하였다. 본 연구의 결과는 법의인류학과 생물인류학 분야에서 개인 식별 방법을 발전시키는 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.