형태측정학

Morphometrics
멸종조류인 공자르니치과의 속 크기(신장 1.75m).A. Changchengornis.완모식표본으로 [1]봐공자대략 [2]같은 크기의 여러 표본에 근거합니다.츄우시우소니스완모식 IVPP V11977에 [3][4]근거합니다.
늪지거북의 등껍질 길이를 측정합니다.

형태측정학(morphometrics, 그리스어 μοοοοοοοοα metria, "형상" 및 -μοοοα metria, "측정"에서)은[5] 크기와 형태를 포함하는 개념인 형태의 정량적 분석을 말한다.형태측정 분석은 일반적으로 유기체에 대해 수행되며, 화석 기록, 형태에 대한 돌연변이의 영향, 형태의 발달 변화, 생태적 요소와 형태 사이의 공분산, 그리고 형상의 양적-유전자적 매개변수를 추정하는데 유용하다.형태측정학은 진화적 중요성의 특성을 정량화하기 위해 사용될 수 있으며, 형상의 변화를 감지함으로써 그들의 존재 발생, 기능 또는 진화적 관계의 무엇인가를 추론할 수 있다.형태측정학의 주요 목적은 형상에 영향을 미치는 요인에 대한 가설을 통계적으로 검정하는 것입니다.

더 넓은 의미에서 "모형측정학"은 [6][7]뇌와 같은 기관의 특정 영역을 정확하게 찾고 다른 사물의 모양을 묘사하는 데에도 사용된다.

폼

조류 표준 측정

형태에 대한 세 가지 일반적인 접근법은 일반적으로 구별된다. 전통적인 형태측정학, 랜드마크 기반 형태측정학, 윤곽 기반 형태측정학이다.

"기존" 형태 측정법

기존의 형태측정학에서는 길이, 폭, 질량, 각도, 비율 [8]및 면적을 분석합니다.일반적으로 기존의 형태계 데이터는 크기를 측정하는 것입니다.많은 크기 측정값을 사용하는 단점은 대부분 높은 상관 관계가 있다는 것입니다. 그 결과, 많은 측정값에도 불구하고 독립적인 변수가 거의 없습니다.예를 들어, 경골 길이는 대퇴골 길이, 상완골 길이 및 척골 길이에 따라 달라질 수 있으며 머리 측정에도 영향을 미칩니다.성장 연구와 같이 절대 크기 또는 상대 크기가 특히 관심 있는 경우에는 기존의 형태소 데이터가 유용하다.이러한 데이터는 기능적 형태학 연구에서 신체 질량 및 사지 단면적, 길이와 같이 크기 측정이 이론적으로 중요한 경우에도 유용하다.하지만, 이러한 측정에는 한 가지 중요한 한계가 있습니다. 그것은 유기체 전체의 형태 변화의 공간적 분포에 대한 정보를 거의 포함하지 않습니다.또한 특정 오염물질이 개인에게 영향을 미치는 정도를 판단할 때도 유용합니다.이러한 지수에는 간체질 지수, 선체질 지수 및 조건 요인이 포함된다(shakumbila, 2014).

랜드마크 기반 기하학적 형태학

상세 정보:기하학적 데이터 분석 및 통계적 형상 분석
형태계 분석용 랜드마크를 가진 오니마크리스 딱정벌레

랜드마크 기반 기하학적 형태측정학에서는 데이터가 랜드마크의 좌표이기 때문에 기존 형태측정학에서 누락된 공간 정보가 데이터에 포함된다. 즉, 분석의 모든 개인에게 거의 상동성이 있는 이산 해부학적 위치(즉, 연구의 각 표본에서 "같은" 점으로 간주될 수 있다).예를 들어, 두 개의 특정한 봉합이 교차하는 곳은 곤충의 날개나 잎, 또는 정맥과 혈관이 통과하는 작은 구멍인 공(foramina)의 정맥 사이의 교차점과 같은 랜드마크입니다.랜드마크 기반 연구는 전통적으로 2D 데이터를 분석했지만, 3D 영상 기술의 가용성이 높아지면서 [9]치아와 같은 작은 구조물에서도 3D 분석이 더욱 실현 가능해졌습니다.화석이나 쉽게 손상된 표본을 다룰 때 형상에 대한 포괄적인 설명을 제공할 수 있는 충분한 랜드마크를 찾는 것은 어려울 수 있습니다.이는 누락된 랜드마크의 좌표를 추정할 수 있지만 모든 랜드마크가 모든 표본에 존재해야 하기 때문이다.각 개인의 데이터는 랜드마크 구성으로 구성됩니다.

랜드마크에는 [10]세 가지 범주가 있습니다.유형 1 랜드마크는 국소적으로 정의된다. 즉, 해당 지점에 가까운 구조 측면에서 정의된다. 예를 들어, 세 개의 봉합사 사이의 교차점 또는 곤충 날개의 정맥 사이의 교차점은 국소적으로 정의되고 모든 면에서 조직에 둘러싸여 있다.반면 유형 3 랜드마크는 랜드마크에서 멀리 떨어진 점으로 정의되며, 종종 다른 점으로부터 "가장 멀리" 떨어진 점으로 정의됩니다.유형 2 랜드마크는 중간이며, 이 범주에는 팁 구조 또는 국소 최소 및 곡률 최대값과 같은 점이 포함됩니다.로컬 기능의 관점에서 정의되지만 모든 면에서 둘러싸인 것은 아닙니다.랜드마크 외에도 곡선을 따라 위치가 임의적이지만 2차원 또는 3차원의[11] [12]곡률에 대한 정보를 제공하는 세미랜드마크도 있습니다.

프로크러스트 기반 기하학적 형태학

Procrustes 중첩

형상 분석은 모양에 관한 정보가 아닌 정보를 제거하는 것으로 시작됩니다.정의상 형상은 변환, 스케일링 또는 [13]회전에 의해 변경되지 않습니다.따라서 형상을 비교하기 위해 형상 정보가 아닌 정보는 랜드마크의 좌표에서 제거됩니다.이 세 가지 작업을 수행하는 방법은 여러 가지가 있습니다.한 가지 방법은 두 점의 좌표를 기준선의 양 끝인 (0,0)과 (0,1)에 고정하는 것입니다.1단계에서는 형상이 같은 위치로 변환되고(같은 2개의 좌표가 이들 값에 고정됨), 형상이 스케일링되고(단위 기준 길이로), 형상이 [10]회전한다.대안으로 선호되는 방법은 Procrustes 중첩이다.이 방법은 도형의 중심을 (0,0)로 변환한다. 중심 x 좌표는 랜드마크의 x 좌표의 평균이고 중심 y 좌표는 y 좌표의 평균이다.모양은 각 랜드마크에서 중심까지의 거리 합계의 제곱근인 단위 중심 크기로 축척됩니다.구성은 구성과 참조(일반적으로 평균 모양) 사이의 편차를 최소화하기 위해 회전됩니다.세미 랜드마크의 경우 곡선을 따라 위치 변동도 제거됩니다.형상공간은 곡선형이기 때문에 형상공간에 접하는 공간에 형상을 투영하여 분석이 이루어집니다.탄젠트 공간 내에서 다변량 분산 분석 및 다변량 회귀 분석과 같은 일반적인 다변량 통계 방법을 사용하여 형상에 대한 통계 가설을 검정할 수 있습니다.

프로크러스트 기반 분석에는 몇 가지 한계가 있다.하나는 Procrustes 중첩이 최적의 회전을 찾기 위해 최소 제곱 기준을 사용한다는 것이다. 따라서 단일 랜드마크에 국소화된 변동은 여러 곳에 걸쳐 지워진다.이것을 '피노키오 효과'라고 한다.다른 하나는 중첩 자체가 랜드마크에 [14][15]공변화 패턴을 부과할 수 있다는 것이다.또한 "가장 큰 두개골 폭"과 같은 고전적인 측정을 포함하여 랜드마크와 세미랜드마크에 의해 포착될 수 없는 정보는 분석할 수 없습니다.또한 랜드마크 데이터 분석에 대한 대안적 접근법에 동기를 부여하는 Procrustes 기반 방법에 대한 비판도 있다.

유클리드 거리 행렬 분석

미분 동형 측정법

미분형상법은[16] 미분형상에 기초한 미터법 구조와의 형태 및 형태 비교에 초점을 맞추고 있으며 [17]컴퓨터 해부학 분야의 중심이다.90년대에 도입된 Differonomous Registration은 현재 [18]ANTS,[19] DARTEL,[20] DEMONS,[21] LDMM,[22] Stationary를 중심으로 구성된 기존 코드 베이스를 가진 중요한 플레이어입니다.LDMM은[23] 희박한 특징과 조밀한 이미지를 기반으로 좌표계 간의 대응관계를 구축하기 위해 적극적으로 사용되는 계산 코드의 예시이다.복셀 기반 형태측정법(VBM)은 이러한 많은 원칙을 기반으로 구축된 중요한 기술입니다.에서는 미분동형 흐름에 기초한 방법을 사용합니다. 예를 들어, 변형은 주변 공간의 미분동형일 수 있으며, 그 결과 형상 [24]비교를 위한 LDMM(Large Deformation Differonomative Metric Mapping) 프레임워크가 생성됩니다.그러한 변형에는 압축 불가능한 오일러 흐름의 메트릭을 일반화하는 [25]계산 해부학의 올바른 불변 메트릭이 있지만 흐름의 평활성을 보장하는 소볼레브 표준을 포함하기 위해 이제 메트릭이 미분 동형 [26]흐름의 해밀턴 제어와 관련하여 정의되었다.

개요 분석

일부 치아의 개략적 분석에 대해 수행한 주성분 분석 결과.

윤곽 분석은 모양을 분석하는 또 다른 접근법입니다.윤곽 분석을 구별하는 것은 수학적 함수의 계수가 윤곽을 따라 샘플링된 점에 적합하다는 것입니다.개요를 수량화하는 방법에는 여러 가지가 있습니다."다항식 [27]곡선에 대한 적합" 및 주성분 정량[28] 분석과 같은 오래된 기법은 손으로 또는 컴퓨터로 추적한 윤곽을 사용하는 에이겐셰이프 [29]분석과 타원 푸리에 분석(EFA)[30]이라는 두 가지 주요 현대적 접근법으로 대체되었다.전자는 도형의 윤곽 주위에 동일한 간격으로 사전 설정된 수의 반andmark를 장착하고, 반andmark에서 반andmark까지의 각 단계의 편차를 기록하며, 해당 단계의 각도가 단순한 [31]원일 때 어떤 각도가 되는지를 기록합니다.후자는 윤곽선을 [32]도형을 모방하는 데 필요한 최소 타원 수의 합으로 정의합니다.

두 방법 모두 약점이 있다. 가장 위험하고 쉽게 극복할 수 있는 것은 [33]아웃라인의 소음에 대한 민감성이다.마찬가지로 어느 쪽도 상동점을 비교하지 않으며, 글로벌 변화는 항상 국지적 변동보다 더 큰 비중을 부여한다(생물학적 영향이 있을 수 있음).Eigenshape 분석을 위해서는 각 표본에 대해 동등한 시작점을 설정해야 하며, 이는 오류의 원인이 될 수 있다. EFA는 모든 변수가 [33]독립적이지 않다는 점에서 중복성을 겪기도 한다.한편, 중심을 정의하지 않고도 복잡한 곡선에 적용할 수 있으므로 위치, 크기 및 회전 효과를 훨씬 [33]쉽게 제거할 수 있습니다.윤곽 형태 측정법의 인식된 단점은 상동 기원의 점을 비교하지 않고, 내부 변화가 아닌 윤곽을 고려하도록 스스로를 제한함으로써 복잡한 형태를 지나치게 단순화한다는 것입니다.또, 일련의 타원에 의해 윤곽이 근사하게 되어 있기 때문에, 뾰족한 모양에 [34]대한 대처가 곤란합니다.

아웃라인 기반 방법에 대한 한 가지 비판은 호몰로지를 무시하는 것입니다.이 무시의 유명한 예는 견갑골과 [35]감자칩을 비교하는 아웃라인 기반 방법의 능력입니다.이러한 비교는 데이터가 생물학적으로 동질적인 점으로 제한된다면 가능하지 않을 것이다.그러한 비판에 반대하는 주장은 형태측정학에 대한 획기적인 접근방식을 호몰로지 데이터가 없는 상태에서 생물학적 가설을 테스트하는 데 사용할 수 있는 경우, 동일한 [36]유형의 연구를 가능하게 하기 위한 개요 기반 접근방식에 결함이 있는 것은 부적절하다는 것이다.

데이터 분석

다변량 통계 방법을 사용하여 형상에 영향을 미치는 요인에 대한 통계 가설을 검정하고 효과를 시각화할 수 있습니다.데이터의 변동 패턴을 시각화하려면 데이터를 이해할 수 있는(저차원) 형태로 줄여야 합니다.주성분 분석(PCA)은 변동을 요약하는 데 일반적으로 사용되는 도구입니다.간단히 말해, 이 기술은 전체 변동의 대부분을 몇 가지 차원으로 투영합니다.예에 대해서는, 오른쪽의 그림을 참조해 주세요.PCA 그림의 각 축은 형상 변수의 공분산 행렬의 고유 벡터입니다.첫 번째 축은 표본의 최대 변동을 설명하며, 추가 축은 표본이 변화하는 추가 방법을 나타냅니다.이 형태공간에서 샘플의 군집화 패턴은 유사성과 형상의 차이를 나타내며, 이는 계통학적 관계를 반영할 수 있다.다변량 통계 방법을 사용하여 변동 패턴을 탐색할 수 있을 뿐만 아니라 형태에 영향을 미치는 요인에 대한 통계 가설을 검정하고 그 효과를 시각화할 수 있습니다. 단, 분산-공분산 행렬의 반전이 필요하지 않은 경우에는 PCA가 이러한 목적을 위해 필요하지 않습니다.

랜드마크 데이터를 사용하면 모집단 평균 간의 차이 또는 모집단 평균으로부터의 개인 편차를 두 가지 이상의 방법으로 시각화할 수 있습니다.하나는 랜드마크의 벡터를 묘사하여 랜드마크의 크기와 방향을 다른 것과 비교하여 나타냅니다.두 번째는 랜드마크의 좌표 변화 데이터에서 랜드마크 간 변화를 모델링하는 보간 기능인 박판 스플라인을 통한 차이를 나타낸다.이 함수는 변형된 그리드처럼 보입니다. 상대적으로 길어진 영역은 늘어나는 것처럼 보이고, 상대적으로 짧은 영역은 압축된 것처럼 보입니다.

생태학 및 진화생물학

1917년 D'Arcy Thompson은 많은 다른 종들의 모양들도 이와 같은 방식으로 연관될 수 있다고 제안했다.포탄과 뿔의 경우 그는 꽤 정확한 분석을 했다.그러나 그는 물고기와 두개골의 다양한 그림을 그리기도 했으며 [37]좌표의 변형과 관련이 있다고 주장했다.

모양 분석은 생태학, 진화 생물학에서 shape,[45][46][47]의 개체뿐만 아니라 발달 안정, 배관과 모듈 방식의 발전 기원의 진화를 공부하기 위해 shape[41][42][43][44]과 진화 발생 생물학에서 plasticity,[38][39][40]진화적 변화 연구하는 데 활용된다.[48][49][50][51][52]생태학 및 진화생물학에서의 형태 분석의 다른 많은 응용 프로그램들은 소개문에서 찾을 수 있다.Zelditch, ML; Swiderski, DL; Sheets, HD (2012). Geometric Morphometrics for Biologists: A Primer. London: Elsevier: Academic Press.

신경 영상 촬영

주요 기사: 뇌 형태 측정

신경영상학에서 가장 일반적인 변종은 복셀 기반 형태측정학, 변형 기반 형태측정학,[clarification needed] 그리고 뇌의 표면 기반 형태측정학이다.

골조직측정법

뼈의 조직모형측정법은 뼈 생검 검체를 획득하고 실험실에서 뼈 검체를 가공하여 뼈의 다른 구성요소가 차지하는 비례 부피와 표면의 추정치를 얻는 것을 포함한다.첫째, 고농축 에탄올과 아세톤으로 된 욕조에 의해 뼈가 분해된다.그리고 나서 현미경으로 [53]가시화/분석될 수 있도록 뼈를 내장하고 염색합니다.골생검 트레핀을 [54]사용하여 골생검을 얻을 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

그리스어에서 ^1: 형상 또는 형태를 의미하는 "모형"과 측정인 "미터론"

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참고 문헌

외부 링크

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