家兔溺死模型肺CT影像參數(shù)的特征性變化及3D虛擬測(cè)量

簡(jiǎn)俊祺 ，鄧德元 ，萬(wàn)雷 ，鄒冬華 ，王卓群 ，劉寧國(guó) ，陳憶九

（1.蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部法醫(yī)學(xué)系，江蘇 蘇州 215123；2.司法鑒定科學(xué)研究院 上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063；3.上海市公安局水上公安局，上海 200002）

溺死是世界各地非故意傷害死亡的第三大原因，占所有與傷害有關(guān)死亡的7%，世界各地每年溺水死亡數(shù)估計(jì)為37萬(wàn)例[1]。然而，由于溺水尸體通常沒(méi)有特異性表現(xiàn)，溺死的法醫(yī)學(xué)診斷較為困難。實(shí)際檢案中，溺死鑒定往往綜合尸體征象、組織學(xué)檢查和硅藻檢驗(yàn)等多種檢驗(yàn)結(jié)果，但上述特征并非唯一性診斷標(biāo)準(zhǔn)，故同時(shí)需要排除其他死亡原因（如疾病、損傷、中毒等）并結(jié)合案情才能作出診斷。如果出現(xiàn)尸體腐敗、組織自溶等情況，則進(jìn)一步增加法醫(yī)學(xué)鑒定的難度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)溺死的診斷指標(biāo)進(jìn)行了大量研究，如硅藻檢驗(yàn)方法改善[2-3]、電解質(zhì)濃度檢測(cè)[4-6]、水中其他微生物檢測(cè)[7]以及免疫組織化學(xué)檢測(cè)[8-9]等，但往往因環(huán)境因素、個(gè)體因素等諸多條件變化而難以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

近年來(lái)，虛擬解剖技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)鑒定工作，并體現(xiàn)了良好的價(jià)值和巨大的潛力[10-11]，同樣為溺死診斷提供了嶄新的思路和方法。國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬解剖技術(shù)在溺死診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[12-15]，主要集中于溺液在呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及循環(huán)系統(tǒng)積聚的影像學(xué)表現(xiàn)方面，但由于大多僅限于個(gè)例觀察[12-13]，所發(fā)現(xiàn)的改變?nèi)狈杀刃裕俨糠謱W(xué)者以案例分析方法嘗試對(duì)多個(gè)案例肺部虛擬解剖變化加以概括[14-15]，由于影像特征單一，個(gè)體情況參差不齊，而使影像學(xué)表現(xiàn)特異性較低。因此，本研究通過(guò)建立家兔溺死模型，在可控條件（死亡原因、死亡時(shí)間、死后環(huán)境等）的情況下，對(duì)不同死亡原因動(dòng)物肺部的虛擬解剖特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析肺部影像、CT值以及肺體積的變化，以期為溺死診斷提供可靠、特異性的診斷指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及死亡模型建立

本研究所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)司法鑒定科學(xué)研究院科學(xué)與倫理委員會(huì)批準(zhǔn)后進(jìn)行。健康成年新西蘭兔36只，體質(zhì)量1.9～2.1kg，雌雄不限，購(gòu)自上海杰思捷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司。所有實(shí)驗(yàn)兔給予腹腔注射50 mg/kg苯巴比妥鈉，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處于麻醉狀態(tài)。

36只實(shí)驗(yàn)兔隨機(jī)分為溺死組、失血性休克組和機(jī)械性窒息組，每組12只，分別構(gòu)建溺死死亡模型、失血性休克死亡模型和機(jī)械性窒息死亡模型。其中溺死組為實(shí)驗(yàn)組，失血性休克組和機(jī)械性窒息組為對(duì)照組。溺死組：將實(shí)驗(yàn)兔放入透明的塑料水箱內(nèi)（水箱大小65cm×48cm×42cm，箱內(nèi)置有河水，水位距離水箱頂部約5cm處），蓋上帶有小孔的水箱蓋約30min后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物浮于水面未見(jiàn)掙扎，依據(jù)角膜反射消失、呼吸及心臟停搏判斷其死亡。失血性休克組：切斷股動(dòng)脈失血直至實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡。機(jī)械性窒息組：用細(xì)繩縊頸直至實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡。處死后的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物存放在兔盒內(nèi)，室內(nèi)溫度控制在20℃。

1.2 主要設(shè)備及參數(shù)

Definition AS 40層螺旋CT（德國(guó)SIEMENS公司），管電壓120kV，管電流240mA，螺距0.9∶1，采集層厚2mm（Acq40×0.6mm），采集視野500mm；重建范圍為掃描范圍，層厚0.6mm，層距0.4mm，重建視野500mm。

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物死亡后1h內(nèi)，按照《法醫(yī)學(xué)虛擬解剖操作規(guī)程》（SF/Z JD0101003—2015）的要求進(jìn)行CT斷層掃描。所有CT掃描數(shù)據(jù)集以DICOM格式儲(chǔ)存。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 14.0軟件（比利時(shí)Materialise公司）進(jìn)行斷層圖像形態(tài)學(xué)閱片和3D建模。利用閾值分割等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)兔的肺部進(jìn)行3D重建（圖1）。肺部分割CT值范圍設(shè)定為-1000～0HU，人工去除肺門以上連續(xù)斷層的氣管及主支氣管區(qū)域，軟件依據(jù)各斷層間的聯(lián)系構(gòu)建新的3D模型（圖2），以減少大氣道及其內(nèi)容物對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，使測(cè)量更為精確。3D重建處理后，軟件自動(dòng)讀取出肺組織各斷層圖像中每個(gè)像素的灰度值，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)肺組織平均CT值，即可測(cè)量不同死亡原因下實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的肺部CT值，并依據(jù)重建后肺部3D模型自動(dòng)化測(cè)量肺部體積（lung volume，LV）。

圖1 肺部Mimics分割圖

圖2 肺部3D模型（紫色為氣管去除部分）

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，數(shù)據(jù)以的形式表示，多組數(shù)據(jù)的差異性分析方法采用方差分析，兩兩比較采用最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）進(jìn)行多重比較分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 不同死亡原因的肺部影像

溺死組肺部CT影像均表現(xiàn)為毛玻璃樣改變，肺實(shí)質(zhì)密度彌漫性均勻增高，肺間隔增厚。失血性休克組未見(jiàn)明顯異常，機(jī)械性窒息組少部分出現(xiàn)毛玻璃樣改變，分布較均勻，不透明程度較溺死組更輕（圖3）。

圖3 不同死亡原因肺部CT平掃

2.2 不同死亡原因的肺部CT值

各樣本肺部3D重建后，經(jīng)Mimics 14.0軟件自動(dòng)計(jì)算出全肺平均CT值（表1）。溺死組肺部CT值較失血性休克組和機(jī)械性窒息組增大（P＜0.05），失血性休克組和機(jī)械性窒息組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 不同死亡原因肺部CT值（n=12，HU）

2.3 不同死亡原因的肺部體積

各樣本肺部3D重建后，Mimics 14.0軟件自動(dòng)測(cè)量出肺部體積（表2）。溺死組肺部體積較失血性休克組和機(jī)械性窒息組增大（P＜0.05）。失血性休克組和機(jī)械性窒息組之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 不同死亡原因肺部體積（n=12，mm3）

3 討 論

溺死分為典型溺死和非典型溺死。非典型溺死也稱為干性溺死，包括水中休克和水中猝死，占溺死10%～15%，此類情況體內(nèi)極少或沒(méi)有溺液吸入[16]。典型溺死指液體機(jī)械性地阻塞呼吸道及肺泡，阻礙氣體交換，體內(nèi)缺氧，二氧化碳潴留，而發(fā)生窒息性死亡。典型溺死與其他原因?qū)е轮舷⒌牟町愔饕憩F(xiàn)為溺液侵入機(jī)體。目前，國(guó)內(nèi)外溺死虛擬解剖技術(shù)的研究方向集中于典型溺死。溺死的死后計(jì)算機(jī)斷層掃描（postmortem computed tomography，PMCT）包括鼻竇積液、上呼吸道積液，肺部毛玻璃樣改變，胃、腸膨隆，心腔及大血管內(nèi)血液稀釋等。其中肺部改變陽(yáng)性率較高，達(dá)90%左右[17-18]。

USUI等[19]將溺死后肺部影像學(xué)特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的分類，主要以帶有肺間隔增厚的毛玻璃樣改變和不明確的沿氣道分布的小葉中心結(jié)節(jié)樣改變兩大類組成。兩者的區(qū)別主要是由肺內(nèi)吸入溺液和空氣比例不同導(dǎo)致，前者較后者肺內(nèi)溺液所占比例更大。本研究中，溺死組肺部影像均表現(xiàn)為彌漫性毛玻璃樣改變，并未出現(xiàn)其他類別，可能由于實(shí)驗(yàn)中采用統(tǒng)一的動(dòng)物模型所致。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物溺水時(shí)間較長(zhǎng)，溺液大量吸入并廣泛積聚在肺泡內(nèi)，肺內(nèi)溺液所占比例較大，致使肺實(shí)質(zhì)呈均勻高密度影。由于水腫液滲透于肺間質(zhì)，形成肺間隔增厚[20]。在機(jī)械性窒息組中，少部分出現(xiàn)毛玻璃樣改變，考慮為急性肺水腫致使少量水腫液滲入肺泡形成。相對(duì)溺死而言，機(jī)械性窒息組肺泡內(nèi)液體量較少，故其不透明度不及溺死組。在臨床上，心源性肺水腫、肺部傳染性疾病、各種非傳染性肺間質(zhì)疾?。ㄈ邕^(guò)敏性肺炎、Hamman-Rich綜合征）以及彌漫性肺出血等肺部CT影像同樣可表現(xiàn)為毛玻璃樣改變[21]。因此，溺死的肺部影像學(xué)形態(tài)和某些病變存在一定程度的交叉重疊，并非其特有。通過(guò)肺部CT影像改變可初步鑒別溺死與非溺死，進(jìn)一步診斷需要依據(jù)其他的參考指標(biāo)以增大肺部變化的特異性。

法醫(yī)病理學(xué)中，水性肺氣腫是確定溺死的重要證據(jù)之一。肉眼可見(jiàn)肺體積膨大，肺表面顏色較淺，肋骨壓痕和溺死斑，切開(kāi)肺時(shí)有大量帶血色的液體流出[16]。法醫(yī)病理學(xué)家認(rèn)為，劇烈呼吸使溺液、空氣、黏液三者在氣道內(nèi)相互混合而成泡沫，又因?yàn)樵诤粑щy期和終末呼吸期時(shí)因吸氣力量大于呼氣力量，溺液吸入肺泡后不易呼出，于是形成水性肺氣腫。由此可見(jiàn)，肺體積增大和溺液吸入肺泡是水性肺氣腫的兩個(gè)重要因素。在實(shí)際檢案中，大多通過(guò)直尺測(cè)量肺的長(zhǎng)寬高以描述肺體積大小。但肺為不規(guī)則的3D結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法測(cè)量往往誤差較大。van der PLAETSEN等[18]將右側(cè)膈肌高度作為衡量肺體積大小的參考指標(biāo)。但實(shí)際上肺體積的變化促使膈肌高度的變化幅度較小且個(gè)體差異大，并不能較有效地評(píng)估肺體積的變化。本研究利用Mimics 14.0軟件進(jìn)行肺部3D建模，通過(guò)虛擬模型再現(xiàn)肺組織的原始形態(tài)，在不破壞尸體的情況下可有效完成測(cè)量。失血性休克組和機(jī)械性窒息組肺體積經(jīng)分析差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其兩者均值大致相同，約為49 000 mm3。溺死組肺部體積為（64 349.08±13 310.11）mm3，與失血性休克組和機(jī)械性窒息組相比，溺死肺部體積明顯增大。研究中尚未發(fā)現(xiàn)絕對(duì)的區(qū)分值，存在較小的重疊區(qū)域，不排除個(gè)體差異導(dǎo)致溺死組中個(gè)別肺體積小于非溺死組平均水平。但這并不影響肺體積變化作為一個(gè)有價(jià)值的診斷參考指標(biāo)。

生理狀態(tài)下，肺部CT值主要由肺實(shí)質(zhì)、小血管內(nèi)血液以及肺內(nèi)氣體決定，三者比例隨著生理活動(dòng)而變化，進(jìn)而導(dǎo)致CT值發(fā)生變化[20]。臨床上認(rèn)為，肺泡內(nèi)氣體被液體或細(xì)胞所取代可導(dǎo)致肺CT值增大[20]。同樣，溺水過(guò)程中，由于在呼吸困難期和終末呼吸期吸入大量的溺液，肺泡內(nèi)氣體不同程度被溺液所取代，液體的CT值明顯高于氣體，進(jìn)而導(dǎo)致肺部CT值增大。隨著溺液吸入的增加，肺泡內(nèi)液體比例升高，CT值增大更加明顯，有助于衡量肺水腫的嚴(yán)重程度。本研究充分利用了CT對(duì)組織有極高密度分辨力的特性，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物肺部3D重建，經(jīng)Mimics 14.0軟件自動(dòng)讀取各斷層圖像中每個(gè)像素的灰度值，進(jìn)而計(jì)算出全肺平均CT值。該方法是測(cè)量整個(gè)肺組織的CT值，并非人為選取一定肺部區(qū)域計(jì)算均值，有效減少了人為選取與操作誤差，測(cè)量更為精確。溺死組CT值為（-464.86±93.77）HU，高于失血性休克組和機(jī)械性窒息組。溺死組95%置信區(qū)間為-524.44～-405.28HU，在一定程度上能與失血性休克組和機(jī)械性窒息組有效區(qū)別。因此，通過(guò)3D虛擬測(cè)量肺部CT值和肺體積，兩項(xiàng)參考指標(biāo)均增大時(shí)可間接反映水性肺氣腫的嚴(yán)重程度?？紤]在今后研究中通過(guò)收集大量不同死亡原因的人體肺部CT值和肺體積，以建立溺死診斷肺部指標(biāo)參考范圍。

綜上所述，在死后肺部影像的基礎(chǔ)上，結(jié)合肺體積及CT值變化，可有效反映出溺死尸體肺部特異性改變，為溺死法醫(yī)學(xué)鑒定提供診斷依據(jù)。