Using X-ray computed tomography analysis tools to compare the skeletal element morphology of fossil and modern frog (Anura) species
Plain Language Abstract
Computed tomography (CT) analysis software has predominantly been developed for medical and industrial use. Thus far there have not been detailed reports in the palaeontological literature of CT analysis tools being used for visual 3D comparisons between different taxa/species in order to assess and quantify micro-anatomical differences (for example, cortical wall thickness, growth rings and micro-structures). This paper presents the methodology for the general morphological comparison and analysis of fossil and modern microfaunal bones, using modern and fossil frog femora (frog upper-leg bones) as an example. Industrial X-ray computed tomography analysis functions are applied to the analysis, and specifically, the comparison, of bone morphologies and bone cortex-thickness of differentially sized frog taxa. This methodology (using industrial analysis functions) is shown to be useful for viewing qualitative as well as quantitative differences. Single bones as well as complete frog specimens were scanned and, in the case of the latter, femora were virtually extracted (segmented) for the purposes of comparison with other specimens. The techniques described in this paper may be used for the effective identification and quantification of morphological differences between fossil and extant taxa.
Resumen en Español
El uso de herramientas de análisis de tomografía computarizada de rayos X para comparar la morfología de los elementos esqueléticos de especies fósiles y actuales de rana (Anura)
El software de análisis de tomografía computarizada (TC) se ha desarrollado principalmente para uso médico e industrial. Hasta el momento no ha habido informes detallados en la literatura paleontológica sobre herramientas de análisis de TC que utilicen funciones de análisis automático para las comparaciones visuales 3D entre diferentes taxones/especies, con el fin de evaluar y cuantificar las diferencias. En este trabajo se presenta la metodología para la comparación morfológica general y el análisis de huesos fósiles y actuales; en el presente caso se han utilizado como objetos de estudio los fémures de rana. Se aplican al análisis las funciones de análisis de tomografía computarizada de rayos X industriales, y, específicamente, la comparación de las morfologías de hueso y de diferencias micro-anatómicas (por ejemplo, el espesor de la pared cortical) de taxones de rana que difieren en el tamaño. En contraste con el análisis histórico tradicional, este método hace uso de un mayor detalle de los datos de toda la superficie en forma de un sistema CAD (Diseño Asistido por Ordenador) de salida conjunto de datos de la exploración microCT. Se demuestra que la aplicación de estas funciones de análisis industriales es útil para la visualización de diferencias cualitativas, así como cuantitativas. Las diferencias se resaltan mediante comparaciones reales/nominales 3D, y el espesor de la pared cortical se compara mediante la función de análisis de espesor de la pared aplicada a ambas muestras lado a lado. Se exploraron huesos individuales de rana y ranas completas y, en este último caso, los fémures fueron extraídos virtualmente (segmentados) con el propósito de compararlos con otros especímenes. Estas técnicas se pueden usar para la identificación y cuantificación efectiva de las diferencias morfológicas entre fósiles y taxones actuales.
Palabras clave: tomografía de rayos X; morfología ósea; anatomía; tomografía computarizada; Anura; rana
Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)
Résumé en Français
Comparaison de la morphologie des éléments squelettiques d'espèces de grenouilles (Anura) actuelles et fossiles par tomodensitométrie
Les logiciels d'analyse par tomodensitométrie (TDM) ont été principalement développés pour des utilisations médicales et industrielles. Jusqu'à présent, la littérature paléontologique était dépourvue de rapport détaillé sur les outils d'analyse TDM utilisant des fonctions d'analyses automatiques pour effectuer des comparaisons visuelles 3D entre taxons, et ainsi estimer et quantifier leurs différences. Cet article présente la méthodologie pour effectuer des comparaisons morphologiques générales et des analyses des os actuels et fossiles. Le cas présenté ici illustre des fémurs de grenouilles. Les fonctions d'analyse par tomodensitométrie industrielle sont appliquées à l'analyse, et plus précisément, à la comparaison des morphologies osseuses et des différences de micro-anatomie (e.g., l'épaisseur de la paroi corticale) de taxons de grenouilles de tailles variées. Contrairement aux analyses traditionnelles de points-repères (« landmarks »), cette méthode tire avantage de la plus haute précision de la totalité des données de surface sous la forme d'un jeu de données DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) obtenu à l'aide du scan microTDM. La mise en pratique de ces fonctions d'analyses industrielles s'est prouvée utile pour visualiser les différences qualitatives ainsi que les différences quantitatives. Les différences sont soulignées en utilisant des comparaisons 3D réelles/nominales, et l'épaisseur de la paroi est comparée en utilisant la fonction d'analyse d'épaisseur de paroi appliquée aux deux échantillons côte à côte. Des os isolés de grenouilles, ainsi que des spécimens complets, ont été scannés et, pour ces derniers, les fémurs ont été extraits (segmentés) virtuellement dans le but de les comparer avec d'autres spécimens. Ces techniques peuvent être utilisées pour identifier et quantifier de manière efficace les différences morphologiques entre taxons actuels et fossiles.
Mots-clés : tomodensitométrie ; morphologie osseuse ; anatomie ; scan TDM ; Anura ; grenouilles
Translator: Antoine Souron
Deutsche Zusammenfassung
Anwendung von Röntgen-Computertomographie-Analysewerkzeugen zum Vergleich der Skelettmorphologie von fossilen und modernen Froscharten (Anura)
Computertomographie (CT)-Analysesoftware wurde in erster Linie für den medizinischen und industriellen Gebrauch entwickelt. Bis jetzt gibt es in der paläontologischen Literatur noch keine detaillierten Berichte über CT-Analysewerkzeuge, die automatische Analysefunktionen für visuellen 3D-Vergleich zwischen verschiedenen Taxa/Arten benutzen um Unterschiede zu bewerten und zu quantifizieren. Diese Arbeit präsentiert die Methode für einen generellen morphologischen Vergleich und eine Analyse von fossilen und modernen Knochen – in diesem Fall befinden sich die Frosch-Femora in Schaukästen. Bei der Analyse wurden industrielle Röntgencomputertomographie-Analysefunktionen angewendet und speziell der Vergleich von Knochenmorphologien und mikroanatomischen Unterschieden (z.B. Stärke des kortikalen Walls) der unterschiedlich großen Froschtaxa. Im Gegensatz zur traditionellen Landmark-Analyse nutzt diese Methode die detailgenaueren Vollflächendaten eines CAD-Datensets aus dem Mikro-CT Scan. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung dieser industriellen Analysefunktionen zur Einsicht von qualitativen als auch quantitativen Unterschieden nützlich ist. Unterschiede werden mit 3D nominalen/tatsächlichen Vergleichen hervorgehoben und die Wallstärke wird mit der Wallstärken-Analysefunktion verglichen, die nebeneinander für beide Proben angewendet wird. Es wurden einzelne Knochen als auch komplette Frösche eingescannt, bei letzteren wurden die Femora virtuell entnommen (segmentiert), um sie mit anderen Stücken zu vergleichen. Diese Techniken können bei der effektiven Identifikation und Quantifizierung von morphologischen Unterschieden zwischen fossilen und heutigen Taxa angewendet werden.
Schlüsselwörter: Röntgentomographie; Knochenmorphologie; Anatomie; CT-Scan; Anura; Frosch
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
