Радиологические методы в палеоантропологии и археологии

М.Б.Медникова
д.и.н., ведущий научный сотрудник отдела теории и методики ИА РАН

Радиология или, как привычнее звучало в ранних работах, рентгенография – недеструктивный метод изучения внутренней структуры объектов, который может быть чрезвычайно информативным инструментом комплексного биоархеологического исследования.

Пленочная рентгенография

Первое исследование скелетных останков человека рентгеновским способом состоялось вскоре после открытия излучения В.Рентгеном в 1895 г. (Brothwell et al, 1968. P. 150). С.Калин (Culin) из Пенсильванского университета еще в 1897 г. начал серию эксперментов, сразу после приобретения университетом соответствующего оборудования. В мае этого же года он совместно с Ч.Л.Леонардом рентгенографировали перуанскую мумию из Пакамака. Первая наиболее представительная серия рентгеновских изображений была получена на материале перуанских мумий и хранится ныне в университете Калифорнии в Беркли (Kroeber Archive). Сэр Флиндерс Петри также быстро оценил возможности использования рентгеновского метода в археологии, прежде всего, применительно к египетским мумиям (Petrie, Griffith 1898). В своем обширном исследовании Эллиот Смит (Elliot Smith, 1912) описал мумии египетских царей. В 1903 г. египетским радиологом доктором Хаятом была отрентгенорафирована мумия восьмого фараона 18 династии Тутмоса IV (там же. P.44).

Традиционная (пленочная) рентгенография позволяла исследовать морфологические особенности скелета (например, внутреннюю массивность трубчатых костей); исследовать наличие индикаторов физиологического стресса (т.н. линий Гарриса); проводить дифференциальную диагностику палеопатологий (Медникова, 1998).

Рентгенологические исследования человека в отечественной науке составили отдельные направления в рамках медицины и физической антропологии современного населения. На основании прижизненных изображений кисти изучались феномен биологического возраста, закономерности роста детей и, напротив, постдефинитивных процессов старения; минерализация скелета; действие физических нагрузок в разных профессиональных группах и у спортсменов. В процессе этих исследований были обнаружены адаптивные изменения скелета у обитателей экстремальных экологических ниш. Например, для аборигенов арктической зоны и высокогорья характерно увеличение пространства костного мозга, связанное с адаптацией к кислородному голоданию – гипоксии (Алексеева, Коваленко, 1980).

Замечательный пример применения классического рентгеновского метода к антропологическим материалам, происходящим из археологических раскопок, можно видеть в трудах крупнейшего отечественного клинициста и палеопатолога Дмитрия Герасимовича Рохлина.  Опытный рентгенолог, Д.Г.Рохлин широко использовал метод в книге «Болезни древних людей» (1965).

Резкость и контрастность рентгеновского изображения - главные свойства, определяющие его качество. Возникающая на пленке теневая картина была тем резче, чем ближе объект исследования располагался к пленке и чем дальше от нее находился фокус рентгеновской трубки. Даже при применении острофокусных трубок это расстояние должно не менее чем в 5 раз превышать толщу исследуемого объекта, так как иначе будет наблюдаться неправильная передача соотношения между отдельными деталями его строения. С увеличением расстояния фокус-пленка увеличивалась и экспозиция. Существенным фактором, влияющим на качество пленки была правильная проявка, которая была весьма трудоемким занятием. Поэтому произошедший в последние годы переход на цифровые технологии, отказ от стадии проявки пленок – чрезвычайно важное достижение.

Компьютерная томография

 Первый опыт применения КТ в палеоантропологии в нашей стране был произведен в 2007 г., когда в Центральном Институте Травматологии и Ортопедии (ЦИТО) на компьютерном томографе CT Aura Philips была обследована правая кость кузнеца из Пепкинского кургана абашевской археологической культуры эпохи средней бронзы. Томография – метод лучевой диагностики, связанный с послойным получением рентгеновских снимков интересующей области исследования, позволила получить аксиальные срезы толщиной от 1 мм и их реконструкции толщиной до 0,2 мм. Определение расстояний между анатомическими точками производилось в программе Centricity DICOM Viewer (version 2,2, 2004).

 
Виртуальный срез через середину диафиза правой плечевой кости кузнеца-бронзолитейщика эпохи средней бронзы.

Результаты этого исследования свидетельствуют о влиянии тяжелого физического труда на гипертрофию скелетной системы. На поперечном срезе костного диафиза наблюдается заметное утолщение стенок, достигающее чрезвычайных величин в латеральном квадранте, что можно ассоциировать с костным разрастанием в месте прикрепления дельтовидной мышцы.

Сегодня КТ и ее разновидность микротомография – компьютерная томография небольших объектов с высоким разрешением – стали рутинной процедурой в антропологических исследованиях в нашей стране и за рубежом. Компьютерная томография и микротомография позволяют антропологам и археологам - получать цифровые 3D копии уникальных объектов; недеструктивным способом изучать внутреннюю структуру; создавать базы данных послойных изображений.

 
Трехмерная реконструкция черепа эпохи средней бронзы с травмами, причиненными боевым топором
Эти изображения позволяют соотнести характер повреждений с оружием абашевской культуры (Медникова, 2019; Mednikova ey al., 2020). 

Новые возможности появляются благодаря изобретению технологий трехмерной печати. После компьютерной томографии археологических артефактов можно получить их точную или масштабную копию, напечатанную на 3D принтере. 

Компьютерная томография двойной энергии – метод, позволяющий определить химический состав объектов

Метод двухэнергетической компьютерной томографии применяется обычно в клинической практике. Недостатком обычной КТ является ограниченная возможность охарактеризовать структуру изучаемых объектов. Анализ основывается только на показателях рентгеновской плотности, оцениваемой в единицах Хаунсфилда. Двухэнергетическая КТ повышает возможности качественного и количественного рассмотрения изучаемых структур. Одновременное получение объемов данных с высокой и низкой энергией на трубке  позволяет при постобработке разделить сигналы от целого ряда веществ (например, кальция, мочевой кислоты, йода, воды, металла и др.), что помогает изучать структуру объектов и органов более полно, вплоть до генерализованного определения их химического состава. В современной клинике два рентгеновских спектра при КТ применяются, например, при диагностике коронарных заболеваний или начальных стадий острой подагры; при определении причин мочекаменной болезни. Но метод мог быть использован и для косвенной денситометрической оценки, поскольку он позволяет количественно и без разрушения объекта определить минеральный состав скелета.

В 2011 г. метод впервые в практике палеоантропологических исследований применялся для анализа разрозненных и фрагментарных ископаемых костей из пещеры Окладникова (Синицын и др., 2011). Сканированию подверглись кости глубокой древности из археологических раскопок на Алтае. Предварительно по совокупности генетических и морфологических особенностей была доказана принадлежность останков неандертальцам (Медникова, 2011). Фрагменты костей происходили из разных геологических слоев, хотя данные антропологии указывали на принадлежность останков ограниченному числу особей. Совпадение показателей минеральной насыщенности, выявленное путем сравнения уровней концентрации солей кальция и мочевой кислоты подтвердило принадлежность нескольких фрагментов одному человеку.

 
Результаты сканирования костей неандертальцев из пещеры им. Окладникова

Цифровая микрофокусная рентгенография

Особенное распространение получила специальная методика рентгеновского исследования - микрофокусная рентгенография (МР) с прямым многократным увеличением рентгеновского изображения. В 2007 году она впервые была использована при изучении палеоантропологических материалов для детального описания палеопатологий и дифференциальной диагностики заболеваний (Бужилова и др., 2008), затем показала свою эффективность в разграничении «анатомически современных» и «архаических» ископаемых людей (Медникова и др., 2013). Микрофокусная рентгенография позволила уточнить сроки обряда ритуальной ампутации мизинцев,  произведенной у женщины эпохи мезолита из раскопок грота Мурзак-Коба в подростковом возрасте (Медникова, 2018. С.82-87).

При невозможности по объективным причинам произвести исследование методом КТ микрофокусная рентгенография применялась при изучении мумий. Так, с помощью рентгенографии была изучена мумия ребенка из раскопок могильника раннего железного века Сарыг-Булун в Центральной Туве, погребенного с богатым и необычным инвентарем (луком, колчаном со стрелами, шапочкой, чеканом на деревянной рукояти) в деревянной колоде. Генетический анализ позволил установить, что погребение принадлежало девочке. Но только микрофокусная рентгенография позволила уточнить ее возраст (6-7 лет), вопреки ранним предположениям, что могила принадлежала подростку (Килуновская и др., 2001).

В древнеегипетском зале ГМИИ им. А.С. Пушкина экспонируется необычный глиняный гробик с изображенной на крышке фигурой человека в эмбриональной позе. Внутри гроба находится мумия, которая по результатам радиоуглеродного AMS датирования принадлежит к концу додинастической эпохи (IV тыс. до н.э.). Применение цифровой рентгенографии позволило определить позу мумии, характерную для додинастического периода. Анализ цифровых рентгеновских снимков показал, что это был ребенок в возрасте около 6 лет, возможно, скончавшийся от туберкулеза (Анохина и др., 2020; Медникова и др., 2021).

МР предполагает получение рентгеновских изображений различных объектов с помощью источников излучения, размер фокусного пятна которых не превышает 0,1 мм. Отличительной особенностью таких рентгеновских аппаратов является повышенная разрешающая способность и получение прямого рентгеновского увеличения объектов до 10-15 раз при сохранении резкости изображения. Этот метод создает уникальные возможности для детального рассмотрения мелких артефактов, часто встречаемых в археологических раскопках. Он значительно превосходит по качеству стандартные рентгенологические исследования. В настоящий момент серийные исследования методом МР на базе ИА РАН проводятся с использованием портативной и стационарной рентгеновских установок ПРДУ (производство компании ЭЛТЕХ-Мед, Санкт-Петербург) и сканеров для оптического считывания рентгеновской информации с электронной матрицы.

Радиологическая микроскопия

Наиболее совершенным методом, сочетающим преимущества микротомографии и недеструктивную микроскопию, начиная с 2012 г., стала радиологическая микроскопия, позволяющая изучать структурные особенности объектов с увеличением до микронов в двухмерной и трехмерной плоскости. В пилотном исследовании она была применена по отношению к уникальному объекту – фаланге кисти ископаемой девочки из раскопок в Денисовой пещере на Алтае, причем томограмма реконструировалась по 4321 проекциям, а размер вокселя составил 9,2814 мкм (Mednikova et al., 2013). Сегодня РМ позволяет изучать приспособительные особенности древнего и ископаемого населения (Mednikova, Kazansky, 2021).

 Таким образом, за 120 лет развития радиологических методов исследования достигнут колоссальный технический прогресс в изучении внутренней структуры объектов, и эти достижения в полной мере могут быть использованы в изучении археологических и палеоантропологических материалов.

Литература

Алексеева Т.И., Коваленко В.Ю.
Морфофункциональная характеристика посткраниального скелета азиатских эскимосов. // Палеоантропология Сибири. Ред. А. П. Окладников, В.П. Алексеев. М. 1980. Наука. С. 131-153.

Анохина Е.А., Малых С.Е., Потрахов Н.Н., Медникова М.Б.
Комплексное междисциплинарное исследование глиняного гроба с мумией из собрания ГМИИ имени А.С. Пушкина // Краткие сообщения Института археологии. 2020. №2. С.411-424.

Бужилова А.П., Добровольская М.В., Медникова М.Б., Потрахов Н.Н., Потрахов Е.Н., Грязнов А.Ю.
Применение микрофокусной рентгенографии при диагностике заболеваний древнего человека // Петербургский журнал электроники, №№ 2-3, 2008а. С.152-162

Килуновская М. Е., Семенов Вл. А. , Бусова В. С., Мустафин Х. Х. , Альборова И. Э., Потрахов Н. Н. , Староверов Н. Е. , Медникова М. Б.
Мумифицированное погребение ребенка из могильника Сарыг-Булун (Центральная Тува) в свете данных археологии, рентгенографии, антропологии и генетики // Уральский исторический вестник. ­– 2021. – №4 (73) – С.6-18) doi: 10.30759/1728-9718-2021-4(73)-6-18

Медникова М.Б.
Рентгенография костей человека в биоархеологических реконструкциях // Историческая экология человека. Методика биологических исследований. Изд-во Старый Сад,1998. С.182-202.

Медникова М.Б.
Посткраниальная морфология и таксономия представителей рода Homo из пещеры Окладникова на Алтае. Новосибирск: изд-во Ин-та археологии и этнографии. 2011. 127 с.

Медникова М.Б.
После Брока. Трепанации эпохи неолита из коллекции Прюньера в Музее Человека. М.: ИА РАН, Club Print. 2018. 208 c.

Медникова М.Б.
Летальные травмы головы в эпоху бронзы (новые методы изучения) // КСИА, 2019. Вып.257. С.327-338.

Медникова М.Б., Потрахов Н.Н., Бессонов В.Б.
Применение микрофокусной рентгенографии в разграничении ископаемых представителей рода Homo с архаической и современной морфологией // Биотехносфера, №4(28). 2013. С.51-55

Медникова М.Б., Потрахов Н.Н., Староверов Н.Е., Лебедев А.Т., Полякова О.В., Артаев В.Б., Орфинская О.В., Анохина Е.А.
Государственный музей изобразительных искусств им. А.С. Пушкина, Москва, Россия Мумия египетского ребенка додинастического периода из коллекции ГМИИ им. А.С. Пушкина в фокусе комплексного междисциплинарного исследования // Археологические исследования в России: новые материалы и интерпретации / Archaeological research in Russia: new data and interpretations. Всероссийская научная конференция, 11-12 марта 2021. – ИА РАН

Синицын В.Е., Медникова М.Б., Мершина Е.А., Васильева Е.С.
Опыт применения компьютерной томографии двойной энергии для изучения костных остатков неандертальцев из пещеры Окладникова на Алтае // Приложение 2 к монографии Медникова М.Б. Посткраниальная морфология и таксономия представителей рода Homo из пещеры Окладникова на Алтае. Новосибирск: изд-во ин-та археологии и этнографии. 2011. С.115-125.

Рохлин Д.Г.
Болезни древних людей (кости людей различных эпох – нормальные и патологически измененные). М.-Л.: Наука. 1965. 303 с.

Brothwell D.R., Molleson Т., Metreveli С.
Radiological aspects of normal variation in earlier skeletons: an exploratory study // The Skeletal Biology of Earlier Human Populations. Symposia of the Society for the Study of Human Biology. V.8. Ed. D.R.Brothwell. Oxford: Pergamon Press. 1968. P. 149-172.

Elliot Smith G.
The Royal mummies. Catalogue General des Antiquites Egyptiennes du Musee du Caire. 1912.

Mednikova M.B., Dobrovolskaya M.V., Viola B., Lavrenyuk A.V., Kazansky P.R., Shklover V.Y., Shunkov M.V., Derevianko A.P.
A micro computerized tomography (X-ray microscopy) of the hand of the Denisova girl // Archaeology, Ethnography and Anthropology of Eurasia. V.3. 2013. P.120-125.

Mednikova M.,  Saprykina I, Kichanov S., Kozlenko D.
The Reconstruction of a Bronze Battle Axe and  Comparison of Inflicted Damage Injuries Using Neutron Tomography, Manufacturing Modeling, and X-ray Microtomography Data // Journal of Imaging. 2020. 6, 45. P.2-9 doi:10.3390/jimaging6060045

Mednikova M.B.., Kazansky P.R.
Non-destructive 3D microscopy in the study of patterns of biological adaptation among fossil and recent Homo // Вестник Московского Университета/ Moscow University Anthropology  Bulletin, 2021, no. 1, pp. 93-108  DOI: 10.32521/2074-8132.2021.1.093-108