四川漢族大學(xué)生耳郭參數(shù)的測量分析*

徐冬冬 周 玲 雷建鋒 黃 花

（1 川北醫(yī)學(xué)院法醫(yī)學(xué)系，2 南充市第二人民醫(yī)院老年疾病科，南充 637000）

耳郭外觀具有個體差異性且終生保持相對恒定的特征，因此耳郭具有重要的個人識別潛力。同時，耳郭在性別與種族鑒定以及身高與年齡推斷方面也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。我國已報(bào)道的耳郭測量的文獻(xiàn)中有關(guān)青年大學(xué)生群體的較少。根據(jù)人體測量學(xué)方法，通過游標(biāo)卡尺直接測量四川漢族大學(xué)生群體耳郭的線性指標(biāo)，分析該群體耳郭的性別差異性及對稱性，探討與其他民族、其他種族之間的解剖形態(tài)學(xué)差異，并進(jìn)一步探索耳郭在性別推斷中的應(yīng)用價(jià)值，為耳郭整形、法醫(yī)學(xué)鑒定等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

隨機(jī)選取川北醫(yī)學(xué)院141 名（男性65 名，女性76 名）正常漢族青年大學(xué)生的耳郭，年齡為（22±1）歲。本研究研究對象均簽署了知情同意書，符合有關(guān)的醫(yī)學(xué)倫理及法律條款規(guī)定。納入標(biāo)準(zhǔn)：①耳郭輪廓清晰；②無其他疾??；③漢族人。排除標(biāo)準(zhǔn)：①存在人體生長發(fā)育異常；②耳郭先天性畸形；③耳郭創(chuàng)傷、腫瘤、手術(shù)史。

1.2 測量方法與測量點(diǎn)

根據(jù)人體測量手冊中耳郭測量的要求，以席煥久[1]的方法為參考。研究對象呈坐姿，頭部處于法蘭克福平面，周圍環(huán)境光線充足。耳郭測量點(diǎn)包括：耳上點(diǎn)、耳下點(diǎn)、耳上附著點(diǎn)、耳下附著點(diǎn)、耳后點(diǎn)和耳屏切跡最低點(diǎn)。

1.3 耳郭測量指標(biāo)

研究者使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（海寧上匠工具有限公司生產(chǎn)，精度0.01 mm）直接測量雙側(cè)共5 項(xiàng)指標(biāo)，包括容貌耳長（physiognomic ear length，PEL）：耳上點(diǎn)與耳下點(diǎn)之間的距離；容貌耳寬（physiognomic ear width，PEW）：耳前點(diǎn)與耳后點(diǎn)之間的距離；形態(tài)耳寬（morphological ear breadth，MEB）：耳上附著點(diǎn)與耳下附著點(diǎn)之間的距離；耳垂長（earlobe length，ELL）：耳屏切跡最低點(diǎn)與耳下點(diǎn)之間的距離；耳垂寬（earlobe width，ELW）：耳屏切跡最低點(diǎn)與耳下附著點(diǎn)之間連線的中點(diǎn)，經(jīng)過該中點(diǎn)的水平直線與耳郭相交部分的線段。另外，參照Ahmed 等的研究[2]分別計(jì)算耳郭指 數(shù)（auricular index，AI）：PEW/PEL×100%；耳垂指數(shù)（lobular index，LI）：ELW/ELL×100%和耳垂耳郭指數(shù)（lobule ear index，LEI）：ELL/PEL×100%。耳郭測量點(diǎn)與測量指標(biāo)見圖1。

圖1 耳郭的測量點(diǎn)與測量指標(biāo)

1.4 一致性檢驗(yàn)

本研究所有測量工作均由2 位研究人員測量完成，對每位志愿者每項(xiàng)指標(biāo)各自測量3 次取平均值，分別記錄研究人員A 和研究人員B 的測量平均值，再次取2 位研究人員的測量平均值的平均值，作為最終測量值。對所有志愿者數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）對該方法在觀察者內(nèi)和觀察者間的可重復(fù)性和一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。本研究中，觀察者間和觀察者內(nèi)的ICC 值均大于0.9，且P＜0.05，表明該測量方法在組內(nèi)和組間均具有高度的可重復(fù)性。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用IBM SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。計(jì)量資料以±s表示，男女耳郭數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，對同一個體左右耳郭測量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析應(yīng)用2 個相關(guān)樣本W(wǎng)ilconxon檢驗(yàn)，以P＜0.05 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對存在性別差異的指標(biāo)分別構(gòu)建一元及多元Fisher 判別函數(shù)。每對判別函數(shù)中，y1代表男性，y2代表女性，若|y1|＞|y2|則判定為男性，反之判定為女性。通過留一法交叉驗(yàn)證判別函數(shù)模型分類的準(zhǔn)確性。將存在性別差異的耳郭測量指標(biāo)作為輸入變量，構(gòu)建多層感知器（multilayer perceptron，MLP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。從上述男、女性耳郭樣本集中采取隨機(jī)抽樣的方法抽取70%作為訓(xùn)練集、10%作為測試集，用于模型擬合和超參數(shù)的調(diào)整；20%作為保持集，用于評估模型泛化能力。

2 結(jié)果

2.1 耳郭各測量值的比較

141 名男（女）大學(xué)生雙側(cè)容貌耳長、容貌耳寬、形態(tài)耳寬、耳垂長、耳垂寬、耳郭指數(shù)、耳垂指數(shù)和耳垂耳郭指數(shù)的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)見表1。其中，右側(cè)形態(tài)耳寬、左側(cè)形態(tài)耳寬、左側(cè)耳郭指數(shù)、左側(cè)耳垂耳郭指數(shù)、右側(cè)耳郭指數(shù)和右側(cè)耳垂耳郭指數(shù)性別差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他10 組數(shù)據(jù)均有明顯性別差異。其中，男性容貌耳長、容貌耳寬、耳垂長度和耳垂寬均大于女性；女性耳垂指數(shù)大于男性。以上結(jié)果表明，本研究耳郭樣本中存在性別二態(tài)性。10 組數(shù)據(jù)中，性別差異最大的是右側(cè)耳垂寬，其次是左側(cè)耳垂寬，性別差異最小的是耳垂指數(shù)，這表明耳垂的性別差異明顯。

表1 耳郭指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 不同群體耳郭指標(biāo)的比較

將本研究獲取的耳郭數(shù)據(jù)與已報(bào)道的部分群體的耳郭數(shù)據(jù)比較，顯示耳郭尺寸在不同群體間有較大不同（表2）。根據(jù)表2 不同族群耳郭尺寸數(shù)據(jù)的對比顯示，印度群體容貌耳長、容貌耳寬數(shù)據(jù)較大，中國不同地區(qū)漢族及與蒙古族群體間的容貌耳長、容貌耳寬數(shù)據(jù)存在一定差異。男性耳垂平均寬大于耳垂平均長是已報(bào)道中國群體的共同特征。

表2 部分群體耳郭數(shù)據(jù)比較（±s，mm）

表2 部分群體耳郭數(shù)據(jù)比較（±s，mm）

“*”為只有左側(cè)耳郭數(shù)據(jù)，“ -”為無數(shù)據(jù)

3.42 3.08 3.15 2.39寬---垂耳20.04±18.80±18.42±15.98±2.68 2.50 2.15 2.07長--垂耳15.64±16.27±19.17±16.80±性寬4.65 4.44 0.56-3.82女耳態(tài)形47.87±46.71±44.40±50.73±寬3.48 3.44 2.80-5.10 2.60-3.25-2.35耳貌容29.36±31.35±27.10±30.20±29.80±32.36±29.65±4.09長5.17 3.90 6.10 3.70 4.45 3.09耳貌容58.02±60.31±57.00±60.30±60.80±62.16±58.04±2.68 2.80---3.02 1.70寬垂耳20.64±20.90±18.29±21.45±2.69 3.11 2.41 1.85長--垂耳15.74±16.48±18.75±18.70±性寬5.24 4.83 5.80-1.94男耳態(tài)形50.60±50.58±46.60±50.93±寬3.12 2.96 2.70-5.30 2.60-3.08-1.74耳貌容28.36±34.79±28.50±31.40±31.30±33.06±32.12±長4.50 4.48 3.60 6.50 4.10 5.62 3.65耳貌容61.03±64.92±60.40±64.10±63.20±63.81±62.76±）歲齡（20-22 18-30 20-29 20-29 20-29 18-30 21-23年族族族族群族體族漢漢漢漢人漢群古蒙北川南州度川四河印貴四[3]*[4]西[7][6][5]*[8]者等峰等等等文學(xué)丹斌璐一畢連雷曉本王周鄭楊倪M(jìn)urgod 等

2.3 耳郭數(shù)據(jù)的側(cè)別比較

耳郭數(shù)據(jù)的側(cè)別差異（左側(cè)與右側(cè)差值）數(shù)據(jù)見表3。在女性樣本中，耳垂長和耳垂耳郭指數(shù)側(cè)別差異（左側(cè)與右側(cè)平均值差值）具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他6 項(xiàng)指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在男性樣本中，容貌耳長和耳垂長側(cè)別差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他6項(xiàng)指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這表明女性個體右側(cè)耳垂長和耳垂耳郭指數(shù)更大，而男性個體左側(cè)容貌耳長和耳垂長更大。

表3 耳郭測量值的兩側(cè)比較（mm）

2.4 判別分析預(yù)測性別模型

各測量指標(biāo)構(gòu)建的判別函數(shù)及判別準(zhǔn)確率見表4和表5。在一元判別函數(shù)中，經(jīng)交叉驗(yàn)證法得到的總體判別函數(shù)準(zhǔn)確率最低為56.4%；以耳垂寬建立的判別函數(shù)準(zhǔn)確率最高，左側(cè)和右側(cè)耳垂寬判別函數(shù)判別準(zhǔn)確率分別為92.2%和94.1%。在多元判別函數(shù)中，全指標(biāo)判別法經(jīng)交叉驗(yàn)證后的總體判別準(zhǔn)確率為89.1%。根據(jù)耳垂寬、耳垂長和耳垂指數(shù)建立的判別函數(shù)總體判別準(zhǔn)確率為92.1%。

表4 一元判別函數(shù)模型及交叉驗(yàn)證的判別準(zhǔn)確率

表5 多元判別函數(shù)模型及交叉驗(yàn)證的判別準(zhǔn)確率

2.5 多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測性別模型

由于耳垂具有明顯性別差異，本研究首先將性別作為因變量，側(cè)別作為因子，將耳垂長、耳垂寬和耳垂指數(shù)作為協(xié)變量，構(gòu)建MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以預(yù)測擬概率0.5（黃線）為界，女性樣本只有少量偏離的個案分類錯誤，而男性樣本分類錯誤則較多，這說明該模型對女性樣本的預(yù)測好于男性樣本（圖2A）。

圖2 MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型觀察預(yù)測圖（預(yù)測擬概率為0.5）

將性別作為因變量，側(cè)別作為因子，將容貌耳長、容貌耳寬、耳垂長、耳垂寬和耳垂指數(shù)作為協(xié)變量，構(gòu)建MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以預(yù)測擬概率0.5（黃線）為界，無論男、女性樣本，只有一些偏離的個案分類錯誤，說明基于耳郭測量多項(xiàng)指標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果特異性較好（圖2B）。此模型男性、女性ROC 預(yù)測曲線上凸明顯，其ROC 曲線下面積達(dá)到了0.99，十分接近理想曲線，說明采用該模型預(yù)測性別具有較高的敏感性和準(zhǔn)確性（圖3A）。耳郭參數(shù)的MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型各項(xiàng)測量指標(biāo)對預(yù)測性別的重要性，按重要性降序排列（圖3B）。耳垂寬是耳郭測量指標(biāo)中對性別預(yù)測影響最大的指標(biāo)，其次是耳垂長，影響最小的指標(biāo)是側(cè)別。將MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行評分向?qū)В?個模型預(yù)測準(zhǔn)確率分別為89.6%和95.1%。

圖3 MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ROC 曲線和輸入變量預(yù)測性別重要性排序

3 討論

耳是人面部特征的重要組成部分，借助人體測量學(xué)對耳郭參數(shù)進(jìn)行測量研究是普遍采用的方法，在法醫(yī)學(xué)、人類學(xué)、解剖學(xué)和整形外科等學(xué)科應(yīng)用廣泛。因此，測量方法的科學(xué)性及測量結(jié)果的可靠性將直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究所采用的人體測量方法全部參考已公開發(fā)表文獻(xiàn)中報(bào)道的方法，所有測量數(shù)據(jù)都經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，采用的測量儀器的準(zhǔn)確性也已經(jīng)過核驗(yàn)。

多項(xiàng)研究表明，性成熟個體耳郭多項(xiàng)參數(shù)存在明顯性別差異。Ahmed 等[2]通過直接測量法比較了200 例蘇丹阿拉伯個體耳郭的6 項(xiàng)線性參數(shù)，顯示除耳垂寬外，其他均存在性別差異。Murgod 等[8]基于照片測量法對印度群體耳郭參數(shù)進(jìn)行了研究，顯示容貌耳長和形態(tài)耳寬性別差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。王一丹等[3]通過數(shù)字化三維重建與測量分析正常蒙古族青年大學(xué)生耳郭參數(shù)表明，同一年齡段不同性別間容貌耳長和耳郭指數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本研究中所有耳郭測量結(jié)果顯示，除形態(tài)耳寬、耳郭指數(shù)和耳垂耳郭指數(shù)外，男性其他測量指標(biāo)的均值都大于女性，性別差異最大的是耳垂寬，表明容貌耳長、容貌耳寬、耳垂寬、耳垂長、耳垂指數(shù)5項(xiàng)指標(biāo)存在性別差異，這與以往研究提出的耳郭形態(tài)存在性二態(tài)性、在總體形態(tài)上男性耳郭略大于女性的結(jié)果基本一致[9]。為研究四川漢族大學(xué)生耳郭的對稱性，本研究對比了左、右側(cè)耳郭參數(shù)，顯示女性樣本在耳垂長、男性樣本在容貌耳長和耳垂長存在顯著不對稱性；其他大部分指標(biāo)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明該群體的耳郭整體有較好對稱性，這與以往研究基本無異。

將本研究獲取的耳郭數(shù)據(jù)與已報(bào)道群體比較顯示，耳郭尺寸在不同群體間存在不同，其原因可能與不同人群的遺傳、環(huán)境和營養(yǎng)等因素有關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致耳郭的發(fā)育在不同人群間存在一定差異。本研究中，男、女性平均容貌耳長和平均容貌耳寬分別為62.76 mm、58.04 mm、32.12 mm 和29.65 mm，與鄭連斌等[10]報(bào)道的中國西南漢族男、女性平均容貌耳長和平均容貌耳寬數(shù)據(jù)較接近。此外，本研究結(jié)果顯示男性樣本耳垂平均寬大于耳垂平均長。查閱與耳郭研究相關(guān)的文獻(xiàn)，對比不同地區(qū)的漢族及其他民族群體研究結(jié)果顯示，包括蒙古族、西北、河南、貴州、四川漢族等多個群體耳郭均存在此特征[3-7]。

判別分析是一種統(tǒng)計(jì)判別和分組技術(shù)，就一定數(shù)量樣本的一個分組變量和相應(yīng)的其他多元變量的已知信息，確定分組與其他多元變量信息所屬的樣本進(jìn)行判別分組?；诙鶞y量指標(biāo)進(jìn)行性別判別分析的研究以國外居多。2013 年，Murgod 等[8]通過耳郭照片測量法獲取容貌耳長、容貌耳寬、形態(tài)耳寬等8 項(xiàng)指標(biāo)，建立了印度人群的性別判別函數(shù)，其判定性別交叉準(zhǔn)確率為68%～71%。2015年，Ahmed 等[2]通過耳郭的6 項(xiàng)線性參數(shù)建立的蘇丹阿拉伯群體的性別判別函數(shù)其判別交叉準(zhǔn)確率為60.5%～72%，并提出在其他性別鑒別指標(biāo)缺失情況下，可以用于輔助性別判定。本研究中，基于通過直接測量法獲取的耳郭5 項(xiàng)線性指標(biāo)建立的Fisher 判別函數(shù)經(jīng)交叉驗(yàn)證總體判別準(zhǔn)確率為68.3%～94.1%，其中以耳垂寬建立的判別函數(shù)總體判別準(zhǔn)確率最高，達(dá)到90%以上。對于判別分析而言，一般誤判率低于10%或20%（判別準(zhǔn)確率高于80%或90%）才有應(yīng)用價(jià)值。因此，本研究中基于耳垂寬的判別方程應(yīng)用價(jià)值最大。不同群體判別函數(shù)判別準(zhǔn)確率的差異，表明不同群體間耳郭尺寸存在差異。因此，應(yīng)根據(jù)本地區(qū)人口學(xué)特征建立相應(yīng)判別函數(shù)用于性別判別[11]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種分布式并行計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，具有自適應(yīng)、自組織和實(shí)時學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，非常適用于對多因素復(fù)雜變量的預(yù)測。因此，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多因素聯(lián)合分析預(yù)測性別被廣泛研究。Bensoussan 等[12]借助深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用以聲音性別判定，該研究中共有278 例聲音樣本，其中訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集的比例為80%、10%和10%，該模型總體準(zhǔn)確率為92%。Hallac 等[13]通過耳郭照片訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以達(dá)到識別耳郭發(fā)育異常的目的，該研究共使用了671 張標(biāo)準(zhǔn)耳郭照片，包括457 張耳畸形患者照片和214 張耳郭發(fā)育正常照片。所有照片隨機(jī)分為訓(xùn)練（60%）、驗(yàn)證（20%）和測試（20%）數(shù)據(jù)集，研究表明該模型分類準(zhǔn)確率為94.1%。人類耳郭具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，不同區(qū)域的性別二態(tài)性表現(xiàn)不同。本研究結(jié)果顯示，耳垂寬是耳郭測量指標(biāo)中對MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型性別預(yù)測影響最大的指標(biāo)，影響最小的指標(biāo)是側(cè)別。這進(jìn)一步表明，在本研究群體中耳垂寬的性別二態(tài)性最明顯、左右側(cè)耳郭對稱性良好。同時，基于耳垂寬、耳垂長和耳垂指數(shù)建立的MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性別預(yù)測模型準(zhǔn)確率（89.6%）略低于判別函數(shù)模型（92.1%），而基于全部測量指標(biāo)MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性別預(yù)測模型準(zhǔn)確率（95.1%）高于判別函數(shù)模型（91.1%）。這表明，當(dāng)測量指標(biāo)較少時，基于MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性別判別能力低于Fisher 判別函數(shù)模型，而測量指標(biāo)較多時則相反。因此，應(yīng)盡可能多的獲取個體耳郭測量指標(biāo)以保證構(gòu)建的MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性別判別模型的準(zhǔn)確性。

本研究采用人體測量學(xué)方法獲取了耳郭對稱性和性別二態(tài)性數(shù)據(jù)，并將不同種族（或不同地區(qū)）成年個體耳郭數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，為耳郭相關(guān)研究和實(shí)踐提供了參考。綜合考慮耳郭線性測量指標(biāo)所建立的Fisher 性別判別方程與以往國外同類研究具有類似的準(zhǔn)確率，所構(gòu)建的MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性別預(yù)測模型推斷四川漢族大學(xué)生群體具有較高的可行性和準(zhǔn)確性，可作為一種備選方法用于法醫(yī)學(xué)性別推斷。本研究中使用的樣本量較小，一定程度影響了數(shù)據(jù)的規(guī)律性。同時，本研究樣本具有一定的地域和民族特異性。故擴(kuò)大樣本量及多地域、多民族的研究需進(jìn)一步探索。