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Title: Unwarping heated bones : a quantitative analysis of heat-induced skeletal deformations using 3D geometric morphometrics
Authors: Coelho, João Pedro Valente de Oliveira 
Orientador: Cunha, Eugénia
Gonçalves, David
Keywords: Ossos queimados; Retrodeformação; Arqueamento; Encolhimento; Análise da forma
Issue Date: 2015
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: Restos humanos queimados representam um desafio interpretativo para os bioantropólogos. No caso do esqueleto, devido às extensas e caóticas transformações que os ossos e os dentes sofrem por transferência de calor, os métodos para estimativa do perfil biológico, caso aplicáveis, tendem a ser enviesados. Têm havido esforços em prol dos avanços metodológicos, particularmente em estimativa do sexo, contudo muito permanece por fazer. O encolhimento e o arqueamento ósseos induzidos pelo calor são dos principais impedimentos ao uso dos métodos osteométricos tradicionais. Estes dois fenómenos observáveis foram aqui reinterpretados como sendo modificações de tamanho e forma, respectivamente. Apesar desta intuição parecer simplista, permite uma reformulação teórica do problema presente. Visto que a análise quantitativa e comparativa do tamanho e da forma em entidades anatómicas são questões que foram resolvidas pela Síntese Morfométrica. Considerando as vantagens da abordagem acima referida, é notável não terem sido encontradas referências na literatura de restos esqueléticos queimados utilizando por base os métodos da morfometria geométrica. Portanto, este estudo preliminar é o primeiro do seu género e já apresenta ter algum potencial para a criação de modelos preditivos com relevância para as ciências forense. Demonstrou-se que o combinar da morfometria geométrica com métodos computacionais de aprendizagem automatizada traduz-se numa abordagem muito promissora para a análise da forma em material osteológico termicamente alterado. Ao aplicar um Logistic Model Trees em componentes principais das coordenadas de Procrustes, obteve-se um modelo capaz de prever a temperatura máxima da queima do osso com uma exatidão de 82%. Utilizou-se técnicas de regressão multivariada dentro do contexto comparativo de uma ANOVA de Procrustes, o que pode vir a ter algum potencial para regredir a forma a partir de um pequeno conjunto de variáveis. Contudo, cautela é indispensável com os resultados obtidos: o tamanho da amostra ainda é reduzido e é necessário realizar validação dos resultados com outra amostra similar.
Human burnt remains are a tremendous challenge for bioanthropologists. In the case of skeletons, due to the extensive and chaotic transformations bones and teeth undergo throughout heat-transfer, methods for estimating the biological profile are biased if applicable. Many attempts have been successful in improving techniques, mainly in accessing sex, although there is still much room for improvement. Two particularly problematic heat-induced changes that undermine trust in traditional osteometric methods are skeletal shrinking and warping. In the present framework these two observable occurrences have been reinterpreted as size and shape changes, respectively. Despite seeming a quite simple intuition, it allows theoretical reformulation of the problem at hand. Bearing in mind that quantitative estimation, interpretation and comparison of size and shape in anatomical entities are issues that have already been solved by the Geometric Morphometrics Synthesis. Given the advantage of current statistical shape analysis approaches outlined in the previous paragraph, it is quite remarkable that no previous instances of researching burnt remains from such perspective were found in the literature. Therefore, this preliminary study is the first of its kind and it already showed some potential for the creation of predictive models relevant for the forensic sciences. It was demonstrated that combining Geometric Morphometrics and Machine Learning is a very promising route for shape analysis of heat-altered osteological material. By applying Logistic Model Trees on the Relative Warps of Procrustes Shape coordinates, the maximum temperature at which a bone was burnt was predicted with an overall accuracy of 82%. Multivariate regression in the context of Procrustes ANOVA also shows promise to regress bone shape by using only a few variables. However, caution should be taken with the provided results: sample size is quite small, and a comprehensive validation is yet to be done.
Description: COELHO, João Pedro Valente de Oliveira - Unwarping heated bones : a quantitative analysis of heat-induced skeletal deformations using 3D geometric morphometrics. Coimbra : [s.n.], 2015. Dissertação de Mestrado em Evolução e Biologia Humanas.
URI: http://hdl.handle.net/10316/33311
Rights: openAccess
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