骨密度检测在野生动物司法鉴定领域的应用前景

邱云亮

（1.南京森林警察学院刑事科学技术系，江苏南京210046；2.国家林业局森林公安司法鉴定中心，江苏南京210046）

骨是脊椎动物体内特有的器官，具有运动、支持和保护功能，包括骨膜、骨质和骨髓等基本结构。其中骨质是最为坚硬且稳定的部分。骨质又可分为骨密质和骨松质两种。骨密质质地致密，抗压抗纽曲性很强，因配布于骨表面而称为骨皮质；骨松质结构疏松，配布于中间。脊椎动物的骨骼内均储藏有矿物质，主要成分为钙和磷；本文所称骨密度就是指骨骼中钙和磷的密度，全称是骨骼矿物质密度（Bone Mineral Density，BMD）[1-9]。因测量设备及手段的不同，骨密度又有线密度、面密度和体密度之分，相应的计量单位亦有三种表示方法：克/厘米（g/cm）、克/平方厘米（g/cm2）、克/立方厘米（g/cm3），均是绝对值。资料表明，骨密度是骨骼强度的一个重要指标，骨骼强度取决于骨骼的外在形态、骨组织的构造（骨小梁和骨皮质的结构）和骨密度三个因素。其中，骨密度是决定骨强度最主要的因素。经实验研究表明：骨密度可以代表60%～80%的骨强度，两者之间具有显著的相关性[1-5]。目前的研究表明，不同的动物之间骨骼内的微结构存在着差异[1，6]。据此推测，不同动物其骨矿物质含量也应该存在着不同，即它们之间的骨密度应存在着差异。野生动物和近缘物种之间虽然外在形态非常相似，它们的骨骼更是相差无几，在只有骨骼甚至只有部分残缺骨骼的情况下，能否采用测定骨密度的方法进行鉴别，进而在野生动物司法鉴定领域添加一种新的种属鉴别方法呢？本文拟通过简单介绍各种骨密度的测量方法并通过实验验证加以初步探讨。

1 骨密度检测方法的种类及概述

骨密度的检测最早是为了判断人的骨骼是否存在骨质疏松现象而创设的，主要有X线摄片法、单光子吸收测定法（Single-Photon Absorptiometry，SPA）、双光子吸收法（DualX-rayEnergy-Absorptiometry，DPA）、单能X线吸收测定法（Single Energy X-ray Absorptiometry，DEXA）、双能 X线吸收测定法（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA）、超声波测定法（Ultrasonic Testing，UTS）、定量 CT 法（Quantitative Computed Tomography，QCT）等[2-5]。

1.1 X线摄片法

在正规的骨密度仪未普及之前，X线摄片法是临床上应用最早、最为常用的骨密度检测方法。其基本原理是通过骨骼X影像的密度高低来判断骨骼的骨密度，有三种具体方法：直接观察法、测量骨皮质厚度法、X线光吸收法。直接观测法是肉眼观察X线片上的骨皮质厚度、骨小梁形态、数量、分布特点，从而判定骨密度。测量骨皮质厚度法是通过在X线片上测出骨骼外侧横径、髓腔宽度，来判断出皮质骨的减少程度[5]。X线光吸收法是利用标准体进行比对的原理。通常采用铝或象牙的等效值（1 mm厚度的铝相当于130 mg/cm的骨矿物质）来粗略计算骨骼的骨矿物质（骨矿）含量[4]。

该方法的优点是简单、易操作。特别是直接观察法非常方便快捷，相对复杂的X线光吸收法，也只需在同样的X线条件下对等效参照的标准体拍摄后进行比对即可。缺点是精准度不够，误差较大。因为只有当矿物质变化达到30%～50%时[4]，肉眼才能识别出X线片上的密度改变，另外，该方法受主观因素影响较大，在临床上只能进行粗略的定性，而难以定量。从动物司法鉴定的实际需要出发，该方法并无实质意义。

1.2 SPA与DPA

这两种测定骨密度方法的原理基本相同，利用了骨骼中骨矿物质对放射性物质具有一定的吸收性及骨组织对放射物质的吸收与骨矿含量成正比的原理，采用放射性同位素为光源测定骨骼的骨矿含量。骨骼的骨矿含量与其对放射性物质的吸收量呈正相关[2-5]。

单光子吸收测量仪在1962年由美国Cameron公司推出。其具体测定方法是通过放射源（如125I、241Am）释放出的光子（γ射线）对骨骼进行扫描，利用其单能量放射准直光束穿过肢体，记录的光束衰减变化即反映骨矿含量。测量的主要指标有：（1）骨矿含量（BMC，g/cm；也称“线密度”）表示扫描迹线 1cm 长的骨段所含骨矿物质；（2）骨横径（BW，cm）指γ射线扫描骨段的迹线长度；（3）骨密度（BD，g/cm）指单位横径的平均骨矿含量，又称面密度，避免了由于骨横径不同造成的BMC差异。根据一束射线的吸收率对骨骼的骨矿含量进行测量时，因不同的生物组织（如骨骼和肌肉）吸收放射性物质的特性不同，为了消除骨骼周围软组织的影响，使用SPA法检测骨骼时必须借助水浴或缠以水袋。导致SPA对于骨骼测量受到较大的局限，该法只能测量四肢部位骨骼，不能检测髋骨及中轴骨（脊椎骨），且无法分别测量松质骨和皮质骨的骨密度。另外，射线强度低也是其不足之处。整体上讲，测量误差较大，只能进行粗略的定量。

20世纪60年代末，在单光子吸收测量仪的基础上发明了DPA，该法依据不同能量射线穿过相同的软组织而衰减不同，采用两种释放不同能量射线的放射性核素（如 125I和 241Am，或 241Am 和 137Cs）来校正骨骼周围的软组织（如肌肉厚度、脂肪含量）造成的偏差来准确测量骨密度，在70年代又采用双能量153Gd（能量分别为44keV，100keV）作为双光子吸收测量法（DPA）的放射源[2-5]。DPA采用不同能量的双光子，相较于SPA具有很大的进步，其优点是无需借助水浴，可测定各部位的骨骼，消除了SPA只能测量四肢部位骨骼、不能检测髋骨及中轴骨（脊椎骨）的缺陷。该方法的缺点是扫描速度过慢，耗时长达30min，亦存在着放射性物质的衰变以及放射源不稳定等缺陷，测量误差也较大。

上述两种方法目前临床上均已很少使用，基本上被DEXA法所取代。单从测量的准确度来讲，该两种方法也不适合用于动物司法鉴定领域。

1.3 SEXA与DEXA

SEXA和DEXA的基本原理与SPA和DPA相似，其区别在于SEXA和DEXA以X线为放射源取代SPA的同位素放射源。为克服SPA和DPA放射性同位素衰减及其放射源相对不稳定的问题，有关专家研制出单能X线吸收测量仪，使得测量结果的准确性明显改善。20世纪80年代，由于DEXA法的出现，SEXA法已逐渐淘汰。

以目前具有代表性的DEXA为例，其原理是X光管发射的X射线经专门的过滤器过滤后，将连续能量的X射线分成高低两种能量的X线，分别测出它们穿过骨骼和软组织后的强度，然后根据骨骼和软组织对不同能量X线的吸收差异，测出骨骼的骨矿物质含量。

DEXA可测量全身任何部位的骨骼，射线剂量低，检测一个部位的放射剂量相等于一次X线摄片的1/30放射剂量，或者QCT的1%，与SPA和DPA相比，DEXA不存在放射源衰变的问题。DEXA目前已成为临床上测量骨密度的重要方法，被业内称为诊断骨质疏松的金标准。具有精度高、误差小、诊断率高等优点。其缺点是机器庞大而不易搬动，不适合大样本的骨密度测量；另外，该方法不能对骨皮质和骨松质的骨密度分别进行测量。该缺陷在动物司法鉴定领域中的应用受到了很大局限。这主要系因动物骨骼与人类骨骼之间存在着很大的不同，针对野生动物基本上是种属一类的司法鉴定，而不是判断其是否因骨钙流失而发生骨质疏松的问题。理论上，能否对骨骼的骨皮质和骨松质分别测量，是对野生动物司法鉴定的一个关键点。

1.4 UTS

超声波是一种机械波，机械波的传播需借助于传播介质才能完成。超声骨密度检测的原理是超声通过骨质时，其速度与骨中钙的含量（或骨密度）直接相关，骨钙含量高，则声速传播速度快；骨钙含量低，则传播速度减慢。因此可根据超声波的传导速度和振幅衰减程度来测算骨矿含量的多少[10，12-13]。UTS和单能光子吸收法存在着同样的问题：骨骼周围的软组织存在着干扰。20世纪90年代以来，UTS得到了快速发展，“时间极值法”的设计可直接得到超声波在骨骼中的声速值，有效的消除了软组织在骨密度测量时的影响。由于其无辐射和诊断骨折较敏感而引起广泛关注，与DEXA相关性良好。该法具有操作简便、安全无辐射、仪器体积小易搬动和价格便宜等优点，目前在临床上应用较为普遍。

该方法在骨密度测量中虽然有很大的优势，但其仍然有着一定的缺陷：其一，由于骨结构的复杂性和不均质性而产生的各种传导途径及时间的不同，会影响这种测量的准确性；其二，不能分别测量皮质骨和松质骨的骨密度，不能分辨出密质骨的厚度对骨密度的影响。上述两缺陷也使其在动物司法鉴定领域的运用受到了制约。

1.5 QCT

QCT是由美国加州大学旧金山分校放射科Genant和Cann医师于1982年提出的利用临床CT机进行骨密度（BMD）测量的方法[1]。该方法利用临床CT机的X线衰减原理，通过CT扫描得到扫描图像的CT值，然后将其转换成羟基磷灰石[Ca10（PO4）6（OH）2]的等效密度，据此测算出骨骼的骨密度。

与其他骨密度测量方法相比，QCT具有很多优越性；其测量的是真正的体积骨密度，不受骨骼大小及形态的影响[11]；能够分别测量皮质骨和松质骨的骨密度，不受骨骼退行性变的影响，可任意选择“感兴趣区（region of interest，ROI）”①在骨密度检测方面，感兴趣区域（ROI）是从骨骼中选择的一个区域，这个区域是骨密度检测分析所关注的重点。，可以应用 3D 几何测量参数。尽管有很多优势，但因其辐射量较大，在临床上并没有得到广泛应用，目前主要被应用于科研工作。

近年来，随着多排螺旋CT（MSCT）扫描技术的进步，CT已从单排探测器轴扫CT发展到320排探测器640层的螺旋CT，数秒内即可采集到大范围的CT体积数据。QCT技术所用的体模也从液体体模发展成目前的固体体模，分析软件也由只能单层轴位图像的分析发展成对体积数据进行的三维分析，且扫描骨骼不受部位限制。除进行骨密度的测量外，还可以进行骨骼扫描断面的骨质成分分析，该功能从某种角度来讲，其重要性甚至超过了骨密度测量的意义。

因QCT骨密度测量是在CT断面图像的基础上进行的，能任意选择“感兴趣区”，即其能精确地选择特定部位的骨骼测量其骨矿密度，能有效避免骨骼之间以及同一骨骼不同骨层之间的重叠，所以其测量出的骨密度系体积骨密度。所测数据不受测量部位的影响，不受骨骼大小的影响，甚至不受动脉钙化和椎体退变的影响，QCT还可以把皮质骨和松质骨区分开，分别测出皮质骨和松质骨的骨矿密度，这是其最大的优势。另外，QCT的一次扫描不但可以得到骨骼的骨密度数据，还能同时得到骨结构的解剖图像，可以观察骨小梁等微观结构[11，17]。不同动物骨骼的微结构是存在着差异的，这也可以作为对骨骼种属进行鉴别的一个依据。QCT是一种真正的三维测量体积骨密度的方法[19]，不但可用于脊柱等骨密度测量，还可对骨骼扫描断面图像体质成分进行分析，在野生动物司法鉴定及相关领域的具体运用方面可作进一步的研究和探讨，应用前景是比较广阔的。

2 在动物司法鉴定领域的应用前景

2.1 可行性分析

各种骨密度检测方法及相关仪器设备的出现，最初只是为了及早发现和诊断人类骨质疏松症（Osteoporosis；OP）以及对已经发生OP人群的骨质疏松程度进行评估，以此作为采用相应治疗措施的根据。因此，关于对人的骨密度和骨质疏松的研究文献很多，对于动物骨密度的研究，除了关于饲料对家禽骨密度影响的文献外鲜有报道。临床及科研上针对人类而设计的骨密度测量仪器能否运用于动物司法鉴定领域呢？对此采用DEXA进行了验证，以藏羚羊骨骼标本与内蒙古地区散养的小尾寒羊及河南东部、安徽北部圈养山羊的四肢骨骼骨干中段的骨皮质厚度进行对比后发现，藏羚羊四肢相同部位骨骼的骨皮质厚度明显薄于后两者，且干骺端亦明显没有后两者发达。以后肢的胫骨为例，测量了8只小尾寒羊（8～12月龄）的胫骨，其骨干中段的骨皮质（前侧、后侧、内侧、外侧四个部位）平均厚度为3.4 mm；采用同样的测量方法，5只藏羚羊胫骨骨干中段的骨皮质厚度为2.1 mm；小尾寒羊胫骨干骺端的周径明显大于藏羚羊胫骨干骺端的周径。从测量结果来看，上述动物骨皮质厚度存在着明显的差异。

骨皮质厚度会影响到骨密度数据吗？如前文所述，除QCT外，其余测定方法所获得的的数据基本上都是骨骼的面密度。笔者认为，面密度应与骨皮质的厚度有一定的关系，笔者试通过实际测量加以验证分析：将小尾寒羊的两个胫骨骨片重叠与单个骨片分别使用双能X线骨密度仪进行测量后的数据相比较，重叠后的骨片骨密度数据将近单独骨片的一倍。从本文介绍的几种面密度的测量方法可知，面密度的计算原理本质上就是骨矿物在平面上的投影量。据此可知，面密度数据的大小应与被测量部位骨骼的骨皮质厚度正相关，即骨质的厚度是影响骨密度的一个重要因素。目前，除QCT外的现有骨密度检测方法基本上都没有考虑骨皮质厚度。若不考虑上述因素，在对动物骨骼进行骨骼面密度检测时，因不同种属动物（包括野生动物）相同部位的骨皮质厚度存在差异，以此获得的不同种属动物的骨密度（骨骼的面密度）将没有可比性，测量数据亦不能满足司法鉴定需要。

“面密度”与“体密度”的测量方法及原理有着很大的不同，目前QCT所测的骨密度系“体密度”，且QCT能够分别测量皮质骨与松质骨骨密度，可消除骨质（不管是骨皮质或是骨松质）本身厚度的影响[16-19，21]，因此理论上能够满足动物骨密度检测的需要。笔者认为，在对动物骨密度进行检测时，应首选QCT检测法。

2.2 关于骨密度数据库

有文献[20]报道，专门以野生动物为研究对象的法医，必须熟知数量超过3万种的各类物种，而人类法医的研究对象只有一种。这充分体现了动物司法鉴定对象种类繁多的特点。仅就骨密度的测量而言，动物和人具有很大的不同，人类个体之间的相似程度很高，可以很方便的统一检测方法和制定统一的比对标准，如本文“可行性分析”中所述，各种骨密度检测方法及其仪器设备是为了及早发现和诊断人类骨质疏松症而设计的，只需判定正常和病态两种情况即可。而在动物司法鉴定领域，主要是为了判别动物的种属，动物的种属有很多，其骨骼的形态更是千差万别，无法统一比对标准。在此情况下，就会导致很多适合人类的检测方法无法应用到动物司法鉴定领域，这是骨密度检测方法在动物司法鉴定领域应用不利的一面，但又恰因不同种属动物骨密度存在着较大的差异，反过来在判别种属时又成了最有利的一面。同人类骨密度检测原理大致相似，只要掌握不同动物骨密度的正常数据范围，就可以将其和其它种属的动物区别开来。这就是要建立标准化的数据库（即不同种属动物骨密度正常值的数据库），数据库建立的前提是要进行大量的数据调查，通过组合分析和统计处理后才能获得。但动物的种类繁多，分布广，建立数据库目前尚具有一定的难度。笔者建议，可以先行对少数重点保护的脊椎类野生动物进行研究，在各方面条件较为成熟时扩大脊椎类动物种属的范围。

2.3 优势及发展趋势

骨密度检测法有很多自身优势，具体表现为：（1）能做到无损检测。目前无损检测是每个行业都必不可少的重要手段。骨密度检测法属于无损检测方法之一，可以对送检样本不进行任何处理即行检测，特别是对活体动物在判定其是否为野生动物或豢养的野生动物时，更能发挥出其无可比拟的优势。（2）检测速度快。可用于大样本检测，这能满足涉及到较大数量动物司法鉴定的需要。（3）精度高、重复性好。目前常用的骨密度检测仪器，如 DEXA、UTS、QCT，测量精度均较高。以UTS为例，当骨骼中的骨矿含量有0.2%～0.4%变动时即能测出其变化，重复检测误差小，具有良好的可重复性[12-13]。（4）还有其他伴随测量项可利用。以CT技术为础的骨密度测量仪器可观察骨小梁等微观结构，以及对骨质进行成分分析，可作为对动物种属进行鉴别的一个新的手段加以运用，骨质成分的分析结果，甚至还能对被检动物所摄取的食物以及生长环境进行推断。

随着网络技术的发展，动物数据库的建立，新型信息平台管理系统的研发，在网络基础上的各种远程控制技术的不断出现，动物司法鉴定实现远程鉴定成为可能，微型化、自动化、智能化、网络化应是包括骨密度检测技术在内的科学技术发展的重要方向。

3 结语

无论在动物司法鉴定领域还是其他领域，手段方法多元化都是必然的趋势。不同学科之间的方法借鉴或引入是每一个学科均要重视的问题。本文所述的骨密度测量技术在动物司法鉴定领域的应用，就是不同领域学科之间的交叉、借鉴结果，不仅仅临床上骨密度检测技术，其它领域或学科的研究成果同样可借鉴到动物司法鉴定领域。以当前野生动物司法鉴定为例，鉴定所采用的技术手段仍显匮乏、滞后，所能鉴定的项目相对较少。无论是动物活体、完整的尸体或是动物制品主要还是依靠形态学的观察方法。目前的状况更需要业内人士和其他学科的学者多进行学术上的交流，动物司法鉴定手段和技术才会得以长足的发展。

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