描轴向 图2鲤鱼墩遗址骨骼CT扫描样本 图3标本03sLM7左、右侧股骨的osri 的三维重建图 软件三维重建结果 Fig. 2 The 3D reconstruction by Ct scanning Fig. 3 The 3D reconstruction of 03SL M7 Femora by OsiriX for the Liyudun specimen (pQCT图设置: Window level为513, Window Width为1148 为长骨骨干的垂直切面。提取了肱骨35%位置和50%位置以及股骨和胫骨50%位置的外 围定量计算机断层扫描图像( peripheral Quantitative Computed Tomography,pQCT)(图 3)。应用 ImageJ软件(htt/ rsbweb. nih. gov/ij// download html)及其骨骼力学参数分析插 件 Bone plugin(htp/ bone. org/)进行相关骨骼生物力学参数的提取 2.3CSG参数的定量 骨骼生物力学参数中主要的参数为“截面几何( cross-sectional geometric,CSG)参数”, 包括骨干横截面总面积(TA)、横向截面惯性矩(l)、纵向截面惯性矩(l)、最大截 面惯性矩(Jx)、最小截面惯性矩(l)和极惯性矩(J)(图4) TA能反映骨干所受的压缩或拉伸力量,用以衡量骨骼粗壮程度以及拉伸强度,与 骨骼的抗压和抗拉应力密切相关。J和l分别用以衡量骨干某一位置内外向和前后 向的弯曲载荷,J和l则分别用以衡量最大和最小的弯曲载荷。J则反映了骨干抗扭 转载荷以及二次平均弯曲载荷的能力,它能够反应长骨骨干整体的机械载荷强度邸 J=lm+lm。/,和la/lm也分别反映了骨干前后向一内外向的弯曲强度和最大一最小弯 曲强度,而且二者具有明显的相关性聞。换句话说,二者所反映出来的骨骼抗弯曲载荷 的能力是较为一致的,而且Ja/mn较/更能有效地消除骨干横截面影像在量化时所产 生的定向误差,因此本文仅采用lm/m来进行相关分析。∥和lm/m也能够反映 出骨干截面的形态,比值越大,说明骨干截面形态越接近椭圆形;比值越接近1,越表明 骨干截面越趋向圆形
• 6 • 人 类 学 学 报 35 卷 为长骨骨干的垂直切面。提取了肱骨 35% 位置和 50% 位置以及股骨和胫骨 50% 位置的外 围定量计算机断层扫描图像（peripheral Quantitative Computed Tomography，pQCT）（图 3）。应用 ImageJ 软件（http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html）及其骨骼力学参数分析插 件 BoneJ plugin（http://bonej.org/）[42] 进行相关骨骼生物力学参数的提取。 2.3 CSG 参数的定量 骨骼生物力学参数中主要的参数为“截面几何（cross-sectional geometric, CSG）参数”， 包括骨干横截面总面积（TA）、横向截面惯性矩（Iy）、纵向截面惯性矩（Ix）、最大截 面惯性矩（Imax）、最小截面惯性矩（Imin）和极惯性矩（J）（图 4）。 TA 能反映骨干所受的压缩或拉伸力量，用以衡量骨骼粗壮程度以及拉伸强度，与 骨骼的抗压和抗拉应力密切相关 [43-44]。Iy 和 Ix 分别用以衡量骨干某一位置内外向和前后 向的弯曲载荷，Imax 和 Imin 则分别用以衡量最大和最小的弯曲载荷。J 则反映了骨干抗扭 转载荷以及二次平均弯曲载荷的能力，它能够反应长骨骨干整体的机械载荷强度 [45-46]， J=Imax+Imin。Ix/Iy 和 Imax/Imin 也分别反映了骨干前后向－内外向的弯曲强度和最大－最小弯 曲强度，而且二者具有明显的相关性 [41]。换句话说，二者所反映出来的骨骼抗弯曲载荷 的能力是较为一致的，而且 Imax/Imin 较 Ix/Iy 更能有效地消除骨干横截面影像在量化时所产 生的定向误差 [47-48]，因此本文仅采用 Imax/Imin 来进行相关分析。Ix/Iy 和 Imax/Imin 也能够反映 出骨干截面的形态，比值越大，说明骨干截面形态越接近椭圆形；比值越接近 1，越表明 骨干截面越趋向圆形。 图 2 鲤鱼墩遗址骨骼 CT 扫描样本 的三维重建图 Fig.2 The 3D reconstruction by CT scanning for the Liyudun specimens 图 3 标本 03SL M7 左、右侧股骨的 OsiriX 软件三维重建结果 Fig.3 The 3D reconstruction of 03SL M7 Femora by OsiriX （pQCT 图设置：Window Level 为 513, Window Width 为 1148
李法军:鲤鱼墩遗址史前人类行为模式的骨骼生物力学分析 因为材料所限,本文只集中于该人群左 右侧对称性、性别间差异以及其行为模式的探 前 讨。为了了解这些个体的行为模式与现有资料 类型的拟合程度,本文还对其进行了“相对胫 骨硬度”( Relative tibial rigidity)的比较。“相 对胫骨硬度”可以被用来估计上、下肢粗壮度 分布的差异,较高的比值反映了较高的胫骨粗 壮度或较低的肱骨粗壮度。因个体间体重和身 高差异较大,该比值还避免了因身体大小差异 而需进行标准化时产生的难题。 相对胫骨硬度”的计算方法如下:应用 后 原始胫骨和肱骨中段极惯性矩计算。若两侧 骨干均可测,则胫骨相对极惯性矩可应用方图4主要截面几何参数示例(03SLM7左侧 程〖左胫骨廾右胫骨J2(左肱骨J右肱 股骨50%位置截面上面观) 骨J)2]计算获得;若仅一侧可用,则应用单 Fig 4 The main sectional geometric 侧进行计算(胫骨J肱骨J) parameters( the 50% upper view of the cross- sectional area of 03SL M7 left femur) 2.4cSG参数的标准化 以往研究指出,个体大小体重差异会对骨骼力学分析产生直接影响。为了消除这种 影响,应当对TA、Ja、lm和J进行标准化处理。较好的标准化参照值是体重和肢骨最 大长。体重可由股骨头垂直径或者髋骨最大宽估算。由于鲤鱼墩人骨未能保存较好 的髋骨,因此本文应用股骨头垂直径来进行体重估算,具体公式如下 a.体重(公斤)=2239×股骨头垂直径-3995 b.体重(公斤)=2.268×股骨头垂直径-365; 表2对比组基本信息 ab. 2 The basic information of control groups 对比组 Control例数样本 Specimen 骨骼样本 group n 南方古猿 股骨 能人 5 KNM-ER1481,1808, BOU VP2/5-, BOU VP1963%北京人1号两股骨 1OH62 直立人 尼安德特人 La Ferrassie I, La chaise, La Chapelle I',Fond- de- Foret-, Neanderthal肱骨,股骨 336. Spy 2636). Shanidar 5 晚期智人(化石)39 Skhul4,-s,7, Qafzeh8,9y-, Paviland1sCro- Magnon432,4323,肱骨,股骨 illendorfs6l Grotte des Enfants 46l Dolni Vestonici 13. 14. 166 Gough's Cave 3F H, Neussing I l, Obercassel 1-), Romanelli 1 L, Romito 3-L Veyrier 16, Wadi Hafa2,3,24,26,31,37, Jebel sahaba21,29,38,39,40,42, Afalou2,13,25 27,28EWad10259.10260.10263 全新世人类99江苏高资全新世智人TW101,TW1-024,石器时代晚期南非人16人*;原史安肱骨,股骨 达曼岛人15人;陕西南北朝时期个体1人;剑桥大学当代职业游泳运动员胫骨 15人*,职业长跑运动员15人,职业曲棍球运动员15人,对照组20人 黑猩猩 1现代样本 股骨 ★为本文原始数据
4 期 李法军：鲤鱼墩遗址史前人类行为模式的骨骼生物力学分析 • 7 • 以往研究指出，个体大小体重差异会对骨骼力学分析产生直接影响。为了消除这种 影响，应当对 TA、Imax、Imin 和 J 进行标准化处理。较好的标准化参照值是体重和肢骨最 大长 [43, 45]。体重可由股骨头垂直径或者髋骨最大宽估算。由于鲤鱼墩人骨未能保存较好 的髋骨，因此本文应用股骨头垂直径来进行体重估算 [49]，具体公式如下： a. 体重（公斤）=2.239× 股骨头垂直径 -39.9[50] ； b. 体重（公斤）=2.268× 股骨头垂直径 -36.5[51] ； 图 4 主要截面几何参数示例（03SL M7 左侧 股骨 50% 位置截面上面观） Fig. 4 The main sectional geometric parameters (the 50% upper view of the crosssectional area of 03SL M7 left femur) 表 2 对比组基本信息 Tab.2 The basic information of control groups 对比组 Control group 例数 （n） 样本 Specimen 骨骼样本 Bone 南方古猿 1 AL333-61[56]. 股骨 能人 1 OH 62[56]. 股骨 直立人 5 KNM-ER 1481, 1808[56]; BOU VP 2/15[56]; BOU VP 19/63[56]; 北京人 1 号 [56] 股骨 尼安德特人 9 La Ferrassie 1[46,56]; La Chaise[56]; La Chapelle 1[46,56]; Fond-de-Forêt[46]; Neanderthal 1[56]; Tabun 1[46], 3[46,56]; Spy 2[46,56]; Shanidar 5[56] 肱骨 , 股骨 , 胫骨 晚期智人（化石） 39 Skhūl 4[46], 5[46,56], 7[56]; Qafzeh 8, 9[46,56]; Paviland 1[46,56]; Cro-Magnon 4322, 4323[56]; Willendorf[56]; Grotte des Enfants 4[46]; Dolni Vestonici 13, 14, 16[46]; Gough’s Cave 1[46]; Neussing 1[46]; Obercassel 1[46]; Romanelli 1[46]; Romito 3[46]; Veyrier 1[46]; Wadi Halfa 2, 3, 24, 26, 31, 37[46]; Jebel Sahaba 21, 29, 38, 39, 40, 42[46]; Afalou 2, 13, 25, 27, 28[46]; El Wad 10259, 10260, 10263[46] 肱骨 , 股骨 , 胫骨 全新世人类 99 江苏高资全新世智人 TW1-01, TW1-02[44]; 石器时代晚期南非人 16 人＊ ; 原史安 达曼岛人 15 人＊ ; 陕西南北朝时期个体 1 人＊ ; 剑桥大学当代职业游泳运动员 15 人＊ , 职业长跑运动员 15 人＊ , 职业曲棍球运动员 15 人＊ , 对照组 20 人＊ 肱骨 , 股骨 , 胫骨 黑猩猩 1 现代样本 [56] 股骨 ＊ 为本文原始数据。 因为材料所限，本文只集中于该人群左 右侧对称性、性别间差异以及其行为模式的探 讨。为了了解这些个体的行为模式与现有资料 类型的拟合程度，本文还对其进行了 “ 相对胫 骨硬度”（Relative tibial rigidity）的比较[46]。“相 对胫骨硬度 ” 可以被用来估计上、下肢粗壮度 分布的差异，较高的比值反映了较高的胫骨粗 壮度或较低的肱骨粗壮度。因个体间体重和身 高差异较大，该比值还避免了因身体大小差异 而需进行标准化时产生的难题。 “ 相对胫骨硬度 ” 的计算方法如下：应用 原始胫骨和肱骨中段极惯性矩计算。若两侧 骨干均可测，则胫骨相对极惯性矩可应用方 程 [( 左胫骨 J+ 右胫骨 J)/2]/[( 左肱骨 J+ 右肱 骨 J)/2] 计算获得；若仅一侧可用，则应用单 侧进行计算 ( 胫骨 J/ 肱骨 J)。 2.4 CSG 参数的标准化
c.体重(公斤)=2.741×股骨头垂直径-549(男性公式);体重(公斤)=2426×股 骨头垂直径-35.1(女性公式)。 根据 Nikita等的相关研究,应用公式c计算所得的体重值应再乘以10%,然后用原 始值减去该乘积,所得值为最后的体重估计值。某个体的最终体重应为上述三种方法所得 数值的均值倒。 骨骼力学参数的具体标准化处理方法如下:TA标准化=TA体重:Im、Jm或J标准 化=各个参数/体重x肢骨最大长2)。 2.5长骨横截面形态比较和非对称性分析 对鲤鱼墩遗址个体以及其他不同进化阶段人类的股骨中部(50%)横截面形态进行比 较,以便考察他们在股骨中部横截面形态上的差异。因为本文重点考察的是骨骼生物力学 参数的差异,因此未对骨干“前后径/内外径”等比率进行比较和分析。本次研究也仅限 于对股骨中部总横截面形态的考察,没有进一步对内部的密质骨区横截面形态和髓腔横截 面形态进行比较。 应用“方向非对称性百分比”( Percentage directional asymmetries,%DA)来评估个体 左右侧上、下肢骨对称性和发育差异。具体公式为:%DA=(右侧值一左侧值(左右侧 均值)×100。若%DA为正值,表明某个体的右侧发育优势,反之为左侧发育优势际3 2.6对比组信息和统计学分析方法 本文所使用的对比组数据,除注明出处者外,均为原始数据,具体信息见表2。鉴于不 同群体样本量的差异、对比内容不同以及可获取的骨骼生物力学参数的不同,根据对比需要, 本文分别引用之。应用最小二乘回归法,获得全新世人群骨骼生物力学参数的相关一元回归 方程。对所获的一元回归方程中的斜率进行比较,以便考察这些人群相关参数分布趋势的差 异。统计学软件为 IBM SPSS" Statistics for Mac21.0版本和 Microsoft Excel for Mac2011 结果 本文获取的5个个体骨骼生物力学参数和%DA值的结果详见表3-6。鲤鱼墩遗址人 类长骨中部(50%)总横截面形态见图5,不同进化阶段人类股骨中部(50%)总横截面 形态见图6。 3.1鲤鱼墩遗址个体间的比较 3.1.1骨骼生物力学参数的比较 表3显示的是鲤鱼墩遗址个体肱骨生物力学基本信息。在可比较的两例个体中,女 性03SLM7左侧肱骨35%位置的横截面总面积稍大于男性03SLM6的,其左侧肱骨50% 位置的横截面总面积稍小于03SLM6的。03SLM7左侧肱骨35%位置的最大和最小截面 惯性矩均稍大于03SLM6的,而其左侧肱骨50%位置的最大和最小截面惯性矩稍大于或 等于03SLM6的。03SLM7左侧肱骨35%位置和50%位置的极惯性矩都稍大于03SLM6 的。总体而言,女性03SLM7在上述骨骼生物力学参数值上稍大于男性03SLM6的
• 8 • 人 类 学 学 报 35 卷 c. 体重（公斤）=2.741× 股骨头垂直径 -54.9（男性公式）；体重（公斤）=2.426× 股 骨头垂直径 -35.1（女性公式）[52]。 根据 Nikita 等的相关研究，应用公式 c 计算所得的体重值应再乘以 10%，然后用原 始值减去该乘积，所得值为最后的体重估计值。某个体的最终体重应为上述三种方法所得 数值的均值 [53]。 骨骼力学参数的具体标准化处理方法如下：TA 标准化 =TA/ 体重；Imax、Imin 或 J 标准 化 = 各个参数 /( 体重 × 肢骨最大长 2 ) [43]。 2.5 长骨横截面形态比较和非对称性分析 对鲤鱼墩遗址个体以及其他不同进化阶段人类的股骨中部（50%）横截面形态进行比 较，以便考察他们在股骨中部横截面形态上的差异。因为本文重点考察的是骨骼生物力学 参数的差异，因此未对骨干 “ 前后径／内外径 ” 等比率进行比较和分析。本次研究也仅限 于对股骨中部总横截面形态的考察，没有进一步对内部的密质骨区横截面形态和髓腔横截 面形态进行比较。 应用 “ 方向非对称性百分比 ”（Percentage directional asymmetries, %DA）来评估个体 左右侧上、下肢骨对称性和发育差异。具体公式为：%DA= ( 右侧值－左侧值 )/( 左右侧 均值 )×100。若 % DA 为正值，表明某个体的右侧发育优势，反之为左侧发育优势 [54-55]。 2.6 对比组信息和统计学分析方法 本文所使用的对比组数据，除注明出处者外，均为原始数据，具体信息见表 2。鉴于不 同群体样本量的差异、对比内容不同以及可获取的骨骼生物力学参数的不同，根据对比需要， 本文分别引用之。应用最小二乘回归法，获得全新世人群骨骼生物力学参数的相关一元回归 方程。对所获的一元回归方程中的斜率进行比较，以便考察这些人群相关参数分布趋势的差 异。统计学软件为 IBM® SPSS® Statistics for Mac 21.0 版本和 Microsoft® Excel® for Mac 2011。 3 结 果 本文获取的 5 个个体骨骼生物力学参数和 %DA 值的结果详见表 3-6。鲤鱼墩遗址人 类长骨中部（50%）总横截面形态见图 5，不同进化阶段人类股骨中部（50%）总横截面 形态见图 6。 3.1 鲤鱼墩遗址个体间的比较 3.1.1 骨骼生物力学参数的比较 表 3 显示的是鲤鱼墩遗址个体肱骨生物力学基本信息。在可比较的两例个体中，女 性 03SL M7 左侧肱骨 35% 位置的横截面总面积稍大于男性 03SL M6 的，其左侧肱骨 50% 位置的横截面总面积稍小于 03SL M6 的。03SL M7 左侧肱骨 35% 位置的最大和最小截面 惯性矩均稍大于 03SL M6 的，而其左侧肱骨 50% 位置的最大和最小截面惯性矩稍大于或 等于 03SL M6 的。03SL M7 左侧肱骨 35% 位置和 50% 位置的极惯性矩都稍大于 03SL M6 的。总体而言，女性 03SL M7 在上述骨骼生物力学参数值上稍大于男性 03SL M6 的