CN113796878B - 基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用，对尸体进行能谱CT检测，获取溺亡的特征性信息。以水和碘为基物质对进行数据分析和图像重建，以描述肺组织中溺液的特征性信息为所述溺亡的特征性信息，包括肺部区域的有效原子序数或平均有效原子序数、肺组织中的溺液在有效原子序数图像中的呈现、肺组织中的溺液在重建单能量图像中的呈现、肺组织中的溺液在水、骨图中的呈现和肺组织中的溺液在基物质对分离后的水密度图像中的呈现等。本发明用于溺死鉴定，无需实施侵入性解剖，且检测速度快，安全性好，特异性强，准确性高，且易于为家属接受。
Description
技术领域
本发明涉及基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用，是一种简便、快捷、准确的针对溺亡尸体检验鉴定的法医学新方法。
背景技术
由于溺死尸体通常没有特异性表现，实际案件中需要法医鉴定人员综合尸体征象、采用传统的解剖方法，提取主要脏器后制作病理切片、显微镜下观察、通常需要40天左右出法医鉴定报告，其缺点是操作复杂，检验人员水平不同也导致结果偏差，办案单位等待结果时间长，费用高，另外，现实中也经常会出现家属难以接受尸体解剖的情况。
虚拟解剖是利用影像学技术(CT、MRI等)对尸体进行扫描、图像处理等手段，为推断死亡原因和死亡方式提供的一种非侵入性新型解剖技术。这种技术最大的优点是非侵入性、简便、快捷，并可以把整个尸体的影像数据进行分析、保存的方法。近两年来有法医在溺死案件中应用CT技术对肺部进行扫描，通过观察影像学表现，例如肺实质组织的密度、肺部的CT 值、通过3D重建与对照组比较肺脏的体积，这些技术在一定程度上为死因鉴定提供了依据，但肺部炎症、肺气肿、肺部肿瘤等其他疾病也可以表现出肺实质组织的密度、CT值以及肺脏体积大小变化，因此，这些技术均存在特异性不够强、不能定性肺组织内物质的问题，导致这些技术无法广泛推广。因此需要进行进一步的研究，找到能够快速、准确、安全且人性化的鉴定或辅助鉴定溺亡的方法，这是涉及溺亡的法医学领域的一个重要工作方向和难点。
另一方面，能谱技术已得到发展并进入实用阶段，能谱CT利用物质在不同X射线能量(光子能量)下产生不同吸收的特性，能够提供比常规CT 更多的影像信息,不仅能够获得物质密度及其分布图像，还能获得不同kV 水平的单能量图像，能够根据所得到的能谱曲线计算出病变或组织的有效原子序数。
发明内容
本发明的目的是将能谱技术，特别是能谱CT技术，应用于溺亡鉴定，形成能够快速、准确、安全且人性化的溺亡鉴定或辅助鉴定方法。
本发明的技术方案是：基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用，对尸体进行能谱CT检测，获取溺亡的特征性信息。
可以以描述肺组织中溺液的特征性信息为所述溺亡的特征性信息。
优选地，所述溺亡的特征性信息包括肺部区域的有效原子序数(像素点值或像素点分布函数)或平均有效原子序数。
优选地，所述溺亡的特征性信息包括肺组织中的溺液在有效原子序数图像中的呈现。
优选地，所述溺亡的特征性信息包括肺组织中的溺液在重建单能量图像中的呈现。
优选地，所述溺亡的特征性信息包括肺组织中的溺液在水、骨图(水- 骨骼(水)图像)中的呈现。
优选地，所述溺亡的特征性信息包括肺组织中的溺液在基物质对分离后的水密度图像中的呈现，所述基物质对中的基物质包括水。
所述肺组织中的溺液在图像中的呈现，可以是视觉图像的视觉呈现，也可以是电子图像(电子图像数据)的数据呈现或基于电子图像获得的参数呈现，或其他任意能够显示出肺组织中有无溺液的方式的呈现。
可以对上述任意一种、任意多种或全部所述溺亡的特征性信息进行单独分析或综合分析，进行是否为溺亡的判断。
必要时，还可以结合其他信息进行判断。
根据实际情况，可以以本发明公开的任意一种、任意多种或全部溺亡的特征性信息为溺亡判断的充分依据、主要依据或辅助依据。
当依据本发明的任意一种、任意多种或全部溺亡的特征性信息足以做出确定性结论时，可以仅依据本发明的相应的一种、多种或全部溺亡的特征性信息进行溺亡判断，进一步地，可以将其他信息作为该判断结论的佐证或辅助证据。
优选地，以水和碘为基物质对或者以水和钙为基物质对。
所述能谱CT检测通常应包括高能级X射线扫描和低能级X射线扫描。
所述高能级X射线的光子能量优选为140keV,所述低能级X射线的光子能量优选为70keV或80keV。
可以采用能谱CT扫描的数据/能谱分析平台(软件)进行扫描数据分析和图像重建运算。
可以通过互联网等计算机通信网络与所述分析平台交互。
本发明在死后肺部特异性影像学改变基础上，通过能谱技术得出肺组织CT值，有效原子序数图像以及溺液的水-骨基物质对水分量值和能谱曲线的变化等，能有效反映出溺死尸体肺部的特征，为溺亡诊断提供新的依据。
本发明将能谱CT技术应用于溺亡鉴定，通过对尸体的肺部能谱CT检测，能够获得具有良好特异性的溺亡特征信息，利用这些溺亡特征信息直接或与其他信息协同进行溺亡鉴定，无需实施侵入性解剖，且检测速度快，安全性好，特异性强，准确性高，且易于为家属接受。
附图说明
图1是本发明动物(兔)实验的流程图；
图2是本发明动物(兔)实验的对照组有效原子系数图；
图3是本发明动物(兔)实验的实验组有效原子系数图；
图4是本发明动物(兔)实验的对照组有效原子系数直方图；
图5是本发明动物(兔)实验的实验组有效原子系数直方图；
图6是本发明动物(兔)实验的对照组水、骨图；
图7是本发明动物(兔)实验的实验组水、骨图；
图8是本发明动物(兔)实验的实验组水、骨图水分量值对照图。
具体实施方式
本发明利用能谱技术，开发了针对溺死尸体肺部组织内溺液的定性、定量的描述，该技术既能解决传统尸检操作复杂、家属不接受等缺点，又能弥补CT检测无法准确区别溺亡肺脏与肺部疾病无法鉴别的技术难题，本发明涉及的动物实验(预实验)流程如图1所示，所用实验动物为兔。
基于目前临床上对于能谱(CT)技术的应用，实验通过建立家兔溺死模型，对溺死动物的肺部影像改变，CT值进行分析，并利用能谱技术对溺液进行定性分析，以期为操作简便、高效、准确性高和特异性强的溺亡诊断方式提供支持。
在实验动物死亡后1h内，按照《法医学虚拟解剖操作规程》(SF/Z JD0101003—2015)的要求进行CT断层扫描。所有CT扫描数据集以DICOM 格式储存。在CAMPO IMAGING软件***上进行断层图像形态学阅片；并在该软件上利用达峰分析-能谱显示功能显示实验家兔的肺部及溺液的单能量图像、有效原子序数计算、基物质对分析以及能谱曲线绘制。
采用SPSS 26.0统计软件进行数据处理和分析，数据以x±s的形式表示，多组数据的差异性分析方法采用方差分析，两两比较采用最小显著性差异法(leastsignificantdifference，LSD)进行多重比较分析。检验水准α＝0.05。
通过动物预实验获得到满意的结果(参见图2-8)，证明本发明是可行的。
溺死组肺部CT影像均表现为毛玻璃样改变，肺实质密度弥漫性均匀增高，肺野纹理增粗、增多，肺间隔增厚,对照组肺部CT影像未见明显异常。
对照组肺脏的有效原子系数相关数据为MAX＝6、MIN＝0、MEAN＝1.79、 SD＝2.24，而实验组溺死兔子肺脏的有效原子系数相关数据为MAX＝8、MIN＝6、 MEAN＝6.91、SD＝0.38，MAX、MIN、MEAN、SD分别代表目标内有效原子序数的最大值，最小值，平均值和标准差。可清晰表达肺脏中是否存在溺液，两组数据有明显差异，具有统计学意义(参见图2-3)。
实验数据对比可知溺死兔与对照组兔肺组织CT值明显不同，溺死组肺部水-骨图水分量值较对照组肺部CT值增大，差异具有统计学意义。(P＜ 0.05)(表1)。
表1.溺死组与对照组肺CT值
注：与溺死组比较，P＜0.05
为了更直接观察，将有效原子系数制作成直方图，以水的有效原子系数为参照，可以明显的观察到对照组肺组织液体远离水值，而实验组肺组织中含有溺液，所得到的有效原子系数大部分与水的有效原子系数重叠，更加验证了本发明实验结果是准确、可靠的(参见图4-5)。
在溺死组肺有效原子序数直方图中，水的基线与肺组织大部分重合，且数据表明溺死组肺组织中含水约87.8％；而对照组肺有效原子序数直方图中，水的基线与肺组织无重合，数据表明对照组肺组织中含水量少。
通过实验发现肺组织中溺液对水、骨基物质的摄取与对照组也有明显差异性，实验组的水、骨物质分离的水分量值为MAX＝912mg/cm3、 MIN＝565mg/cm3、MEAN＝749.33mg/cm3，明显高于对照组的水分量值 MAX＝684mg/cm3、MIN＝131mg/cm3、MEAN＝370.98mg/cm3，其中MAX、MIN、MEAN 分别代表水、骨物质分离的水密度的最大值、最小值和平均值(参见图6-7)。
实验表明溺死组与对照组肺组织中的溺液对水-骨基物质对的摄取具有明显差异，且溺死组的水-骨物质分离的水分量值明显高于对照组(参见图8)。溺死组肺部水-骨图水分量值较对照组肺部水-骨图水分量值增大，差异显著，具有统计学意义(P＜0.05)(表2)。
表2.溺死组与对照组水-骨图水分量值
(n＝3,mg/cm3)
注：与溺死组比较，P＜0.05
将溺死兔子的肺组织制作HE切片，确定溺死兔子肺组织符合生前溺死的肺组织病理征象。
通过对实验获得的能谱曲线图进行纵向对比，显示出溺死组肺内液体能谱曲线与对照组肺内液体能谱曲线走行反向且不交叉，说明溺死组与对照组肺内液体不同。
能谱CT扫描及数据处理依据现有技术，实验和数据分析处理主要包括：
实验组为溺死兔，溺死后持续寖泡5天，对照组为正常处死兔，处死后持续寖泡5天。
溺死组兔在溺水前经能谱CT扫描排除肺炎等肺部疾病确认健康后进行实验。
采用80keV和140keV能级的X射线对实验组和对照组的兔尸体肺部进行能谱CT扫描。
采用水-碘作为肺组织溺液的检测基物质对。同时，还采用水-钙作为基物质对进行了平行分析，得到相仿结论。
能量分析图像主要采用40-140keV单能级图像、混合能量图像、有效原子序数图像、物质密度图像和水-碘图。
依据现有技术在建立数学模型、影像组学分析等方法，通过动物实验，收集样本数据，使得肺组织中的溺液在单能量X射线源作用下呈现，基于鉴定要求，将收集的数值转化柱状图，直观分析肺组织中溺液对基物质对的摄取情况，然后进行物质密度成像及定性、定量分析，最后利用物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收值的变化，获得溺死的特征性信息。
与常规的CT图像相比,本发明的成像技术具有多参数、定性、定量分析的全新成像技术，拥有更多有价值的信息。实验及理论分析均揭示，可以利用X射线-单能量成像技术的单能量图像、有效原子序数、物质密度成像及能谱衰减曲线结合影像组学技术来发现人体内不同物质、成分，并解决了传统CT只能获得影像资料而对人体内目标物无法定性、定量的难题。
实验和数据分析和处理依据的理论基础或现有技术简要介绍如下：
基物质对的建立：人体内任何一种物质的质量衰减系数都可以用两种物质的质量衰减系数进行线性组合得到，通过prjL＝fL(imgw+imgb)、 prjH＝fH(imgw+imgb)计算得出，其中：
prjL和prjH为分别使用低kv和高kv采集到的投影数据，通常低kv使用80kv，高kv使用140kv；
imgw和imgb为被扫描物体等效的水-骨图像；
fL和fH为X射线与被扫描物体的等效水骨组合的作用函数，预先通过使用不同的imgw和imgb组合可以计算出对应的prjL和prjH值，即可以得到 prjL和prjH与imgw和imgb的查找表，即fL和fH。
在实际使用时prjL和prjH为扫描物体得到的投影值，fL和fH为预先计算值，使用prjL和prjH在fL和fH中进行查表即可以得到imgw和imgb组合。
可以采用水-碘作为肺组织溺液的检测基物质对或水-钙等其他基物质对。
②能谱分析+图像生成：其中单能量图像公式为：其中，img(E)为单能量图像，E为对应的单能量值，一般取值范围为40～140；mw(E)和mb(E)为在单能量E下水和骨的质量衰减系数。
物质对图像公式为：img1＝cw1×imgw+cb1×imgb、img1＝cw1×imgw+cb1×imgb，其中，img1和img2为目标物质对图像，可以有水骨物质对图像imgw和imgb进行线性组合得到，组合系数cw1、cb1、cw2、cb2可以将img1、img2、imgw、imgb作为已知，然后进行迭代计算得到。
有效原子序数图像公式为：其中，k＝4.4，
其中，为水的电子密度，/>Z(w)为水的等效原子序数，取7.6；cw,ph、cb,ph为水骨的光电效应系数，cw,ρ、cb,ρ为水骨的康普顿散射系数，通过下述公式迭代计算得到：
mw(E)＝cw,ph×mphoE(E)+cw,ρ×mcompt(E)
mb(E)＝cb,ph×mphoE(E)+cb,ρ×mcompt(E)
其中，mphoE(E)和mcompt(E)为光电效应和康普顿散射对应的质量衰减系数。
本发明为利用虚拟解剖技术在溺死案件的法医学鉴定中的应用，提供了一种全新的法医检验鉴定模式。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。
Claims (4)
1.一种基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用方法，其特征在于对尸体进行能谱CT检测，获取溺亡的特征性信息，所述溺亡的特征性信息包括肺部区域的有效原子序数或平均有效原子序数，利用这些溺亡特征信息直接或与其他信息协同进行溺亡鉴定。
2.如权利要求1所述的基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用方法，其特征在于以水和碘为基物质对或者以水和钙为基物质对。
3.如权利要求1所述的基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用方法，其特征在于所述能谱CT检测包括高能级X射线扫描和低能级X射线扫描，所述高能级X射线的光子能量为140keV,所述低能级X射线的光子能量为70keV或80keV。
4.如权利要求1所述的基于虚拟解剖的能谱技术在溺死案件中的应用方法，其特征在于采用能谱CT扫描的数据进行扫描数据分析和图像重建运算。
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