Vergleich und Evaluation verschiedener Analysemethoden des Epiphysenfugenverschlusses zur Altersbestimmung auf der Basis von Knie-MRT Daten

Abstract

Die Feststellung des Alters bei Personen ohne zuverlässig dokumentiertes Geburtsdatum steht momentan im Fokus der forensischen Forschung. Ein zentrales Problem sind die zum Teil veralteten und uneinheitlichen zugrundeliegenden Daten (Greulich und Pyle, 1959). Aktuell wird zudem zunehmend an röntgenfreien Methoden zur Altersbestimmung geforscht, wobei die Knochen des Knies in den Fokus gerückt sind (Dedouit et al., 2012; Jopp et al., 2010; Krämer et al., 2014b; Saint-Martin et al., 2014). Hierbei werden für jeden Probanden Stadien des Wachstumsfugenverschlusses auf der Grundlage von Knie-MRT Daten festgelegt und somit soll auf einer größeren Datengrundlage ein Alter, bzw. eine Alterspanne zugeordnet werden. Das Ziel der Arbeit beinhaltet den Vergleich zweier bestehenden Methoden (Jopp, Dedouit) sowie die Erstellung einer neuen Einteilung des Epiphysenfugenverschlusses an einem einheitlichen Kollektiv. Zunächst erfolgte die Evaluation der bestehenden Methoden zur Differenzierung des Wachstumsfugenverschlusses. Aus diesen ersten Ergebnissen konnte nachfolgend unter Beachtung der Probleme der Analysen sowie auf der Basis der anatomischen und physiologischen Besonderheiten des Epiphysenfugeverschlusses der Epiguide konzipiert werden. Der Vergleich der Methoden (Jopp, Dedouit, Epiguide) erfolgte über die Erstellung einer InterObserver Reliabilität, der visuellen Auswertung der Stadien des Wachstumsfugenverschlusses und dessen Anwendbarkeit zur Altersbestimmung, sowie der Verwendung einer Support-Vector Maschine zur Bestimmung des Alters anhand einer Trennungsebene. Die Inter-Oberserver Reliabilität überprüft die einheitliche Zuordnung der Stadien durch verschiedene Untersucher. Die Ergebnisse zeigen den höchsten Wert für die Methode nach Jopp, gefolgt vom Epiguide und einen eher niedrigeren Wert für die Methode nach Dedouit. Anzumerken ist hierbei, dass eine höhere Anzahl von Stadien (Jopp: 3; Dedouit: 5; Epiguide: 6) gezwungenermaßen eine niedrigere Inter-OberserverReliabilität ergibt. In Zusammenschau der Ergebnisse ist der Epiguide in dieser Hinsicht hervorzuheben. Die Analyse der Stadienverteilung der zugrundeliegenden Population ermöglicht die Feststellung von Grenzstadien, nach denen ein Proband eine gewisse Altersgrenze nicht über- oder unterschreitet. Diese Grenzstadien konnten für alle drei Methoden festgestellt werden und er-möglichen somit die Altersbestimmung einer Person. Es muss jedoch bedacht werden, dass definitiv größere und gegebenenfalls den verschiedenen Ethnien zugeordnete Kollektive zur Überprüfung nötig sind (Gohlke und Woelfle, 2009; Mora et al., 2001; Onteli und Barlow, 1996). Die Auswertung der Ergebnisse der Support-Vector Maschine, welche zu den lernbasierten Klassifikationsverfahren gehört, ergab für die Methoden nach Jopp und Dedouit eine Genau-igkeit von 86% und für den Epiguide eine Genauigkeit von 80%. Dieser Vergleich an einem einheitlichen Kollektiv gibt erstmals Aufschluss über die Genauigkeit und Anwendbarkeit der Verwendung des Wachstumsfugenverschlusses als Mittel zur Altersbestimmung. Im Allgemeinen wird deutlich, dass die Varianz der Stadieneinteilung groß und damit die exakte Zuordnung und das zugrundeliegende Kollektiv von immenser Bedeutung ist. Die genauere Abbildung des physiologischen Wachstumsfugenverschlusses stellt den Vorteil des Epiguides dar. Somit ist auch auf Grund der Bedeutung einer Altersbestimmung für den Probanden der neu entwickelte Epiguide und die bestehende Stadieneinteilung nach Jopp in den Fokus zu rücken. Es ist festzuhalten, dass für alle drei Methoden Grenzstadien bestimmt werden konnten, was eine erste Möglichkeit zur Altersbestimmung darstellt.

The determination of the age of people without a reliably documented date of birth is of current interest in forensic research. A central problem is the outdated and uneven distributed underlying data (Greulich and Pyle, 1959). Research is recently focussing on x-ray free methods, in which the bones of the knee are examined (Dedouit et al., 2012; Jopp et al., 2010; Krämer et al., 2014b; Saint-Martin et al., 2014). In these studies, Jopp and Dedouit determined stages of the closure of the growth plate for each person. Based on an underlying bigger data collective an age or an age range can be determined for each individual. The aim of this study is to compare two existing methods of differentiating the closing process of the epiphysis (Jopp, Dedouit) and to develop a new classification. After first analysis of the existing methods, the Epiguide was conducted taking existing problems into account and focussing on the anatomy and on the physiology of the bones and the closure of the growth plate. The comparison of the methods (Jopp, Dedouit, Epiguide) was obtained by creating an Inter-Observer Reliability, the visual analysis of the closure of the growth plate and its applicability to determine the age of a person, as well as the utilisation of a support-vector machine to obtain an age estimate. This comparison is based on an evenly distributed homogenous population. The inter-observer reliability reviews the consistent assignment of the stages by different observers. The results show the highest value for Jopp’s method, followed by the Epiguide and a rather low value for Dedouit’s method. Nevertheless, it must be taken to consideration, that a higher number of stages (Jopp: 3, Dedouit: 5, Epiguide 6) necessarily leads to a lower inter-observer reliability. The analysis of the results of the support-vector machine, which is a learning-based classification system, shows an accuracy of 86% for Jopp’s and Dedouit’s methods and an accuracy of 80% for the Epiguide. The visual analysis shows the applicability in the process of age determination. Determining stages in which no person is older or younger than a specific age can be shown for all three methods and thus be used to assign an age to a person. It has to be taken into consideration that it is essential to base these important decisions on a bigger and homogenous underlying data collective (Gohlke and Woelfle, 2009; Mora et al., 2001; Onteli and Barlow, 1996). In conclusion, this comparison on an evenly distributed and homogenous data-collective shows the accuracy and applicability of using the MRI-based stages on the growth plate of the knee to determine an age of a person. The new classification, the Epiguide, was conducted and showed promising results. It can be shown, that the variance of the stage assignment is large and the exact and correct classification is of importance. The exact display of the physiological closure of the growth plate is an advantage of the Epiguide, hereby the classification into the six stages is comparatively easy. In conclusion the Epiguide and the classification of Jopp are to be considered as the most applicable and to be focused on. The usage of stages in which a person is allocated a specific age or age range can be seen for all three methods, which highlights the possibility of using this classification for age determination.