家兔溺死模型肺CT影像參數的特征性變化及3D虛擬測量

簡俊祺 ，鄧德元 ，萬雷 ，鄒冬華 ，王卓群 ，劉寧國 ，陳憶九

（1.蘇州大學醫學部法醫學系，江蘇 蘇州 215123；2.司法鑒定科學研究院 上海市法醫學重點實驗室 上海市司法鑒定專業技術服務平臺，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，占所有與傷害有關死亡的7%，世界各地每年溺水死亡數估計為37萬例[1]。然而，由于溺水尸體通常沒有特異性表現，溺死的法醫學診斷較為困難。實際檢案中，溺死鑒定往往綜合尸體征象、組織學檢查和硅藻檢驗等多種檢驗結果，但上述特征并非唯一性診斷標準，故同時需要排除其他死亡原因（如疾病、損傷、中毒等）并結合案情才能作出診斷。如果出現尸體腐敗、組織自溶等情況，則進一步增加法醫學鑒定的難度。國內外學者曾對溺死的診斷指標進行了大量研究，如硅藻檢驗方法改善[2-3]、電解質濃度檢測[4-6]、水中其他微生物檢測[7]以及免疫組織化學檢測[8-9]等，但往往因環境因素、個體因素等諸多條件變化而難以在實踐中推廣應用。

近年來，虛擬解剖技術越來越多地應用于法醫學鑒定工作，并體現了良好的價值和巨大的潛力[10-11]，同樣為溺死診斷提供了嶄新的思路和方法。國內外對虛擬解剖技術在溺死診斷中的應用進行了大量研究[12-15]，主要集中于溺液在呼吸系統、消化系統以及循環系統積聚的影像學表現方面，但由于大多僅限于個例觀察[12-13]，所發現的改變缺乏可比性，少部分學者以案例分析方法嘗試對多個案例肺部虛擬解剖變化加以概括[14-15]，由于影像特征單一，個體情況參差不齊，而使影像學表現特異性較低。因此，本研究通過建立家兔溺死模型，在可控條件（死亡原因、死亡時間、死后環境等）的情況下，對不同死亡原因動物肺部的虛擬解剖特征參數進行系統研究，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。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及死亡模型建立

本研究所有動物實驗經司法鑒定科學研究院科學與倫理委員會批準后進行。健康成年新西蘭兔36只，體質量1.9～2.1kg，雌雄不限，購自上海杰思捷實驗動物有限公司。所有實驗兔給予腹腔注射50 mg/kg苯巴比妥鈉，在整個實驗過程中處于麻醉狀態。

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

1.2 主要設備及參數

Definition AS 40層螺旋CT（德國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 數據采集與分析

在實驗動物死亡后1h內，按照《法醫學虛擬解剖操作規程》（SF/Z JD0101003—2015）的要求進行CT斷層掃描。所有CT掃描數據集以DICOM格式儲存。將數據導入Mimics 14.0軟件（比利時Materialise公司）進行斷層圖像形態學閱片和3D建模。利用閾值分割等方法對實驗兔的肺部進行3D重建（圖1）。肺部分割CT值范圍設定為-1000～0HU，人工去除肺門以上連續斷層的氣管及主支氣管區域，軟件依據各斷層間的聯系構建新的3D模型（圖2），以減少大氣道及其內容物對測量產生的影響，使測量更為精確。3D重建處理后，軟件自動讀取出肺組織各斷層圖像中每個像素的灰度值，進而計算出整個肺組織平均CT值，即可測量不同死亡原因下實驗動物的肺部CT值，并依據重建后肺部3D模型自動化測量肺部體積（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統計軟件進行數據處理和分析，數據以的形式表示，多組數據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）進行多重比較分析。檢驗水準α=0.05。

2 結 果

2.1 不同死亡原因的肺部影像

溺死組肺部CT影像均表現為毛玻璃樣改變，肺實質密度彌漫性均勻增高，肺間隔增厚。失血性休克組未見明顯異常，機械性窒息組少部分出現毛玻璃樣改變，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Mimics 14.0軟件自動計算出全肺平均CT值（表1）。溺死組肺部CT值較失血性休克組和機械性窒息組增大（P＜0.05），失血性休克組和機械性窒息組之間的差異無統計學意義（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軟件自動測量出肺部體積（表2）。溺死組肺部體積較失血性休克組和機械性窒息組增大（P＜0.05）。失血性休克組和機械性窒息組之間的差異無統計學意義（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%，此類情況體內極少或沒有溺液吸入[16]。典型溺死指液體機械性地阻塞呼吸道及肺泡，阻礙氣體交換，體內缺氧，二氧化碳潴留，而發生窒息性死亡。典型溺死與其他原因導致窒息的差異主要表現為溺液侵入機體。目前，國內外溺死虛擬解剖技術的研究方向集中于典型溺死。溺死的死后計算機斷層掃描（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，心腔及大血管內血液稀釋等。其中肺部改變陽性率較高，達90%左右[17-18]。

USUI等[19]將溺死后肺部影像學特征進行了較為詳細的分類，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節樣改變兩大類組成。兩者的區別主要是由肺內吸入溺液和空氣比例不同導致，前者較后者肺內溺液所占比例更大。本研究中，溺死組肺部影像均表現為彌漫性毛玻璃樣改變，并未出現其他類別，可能由于實驗中采用統一的動物模型所致。實驗過程中，實驗動物溺水時間較長，溺液大量吸入并廣泛積聚在肺泡內，肺內溺液所占比例較大，致使肺實質呈均勻高密度影。由于水腫液滲透于肺間質，形成肺間隔增厚[20]。在機械性窒息組中，少部分出現毛玻璃樣改變，考慮為急性肺水腫致使少量水腫液滲入肺泡形成。相對溺死而言，機械性窒息組肺泡內液體量較少，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疾病（如過敏性肺炎、Hamman-Rich綜合征）以及彌漫性肺出血等肺部CT影像同樣可表現為毛玻璃樣改變[21]。因此，溺死的肺部影像學形態和某些病變存在一定程度的交叉重疊，并非其特有。通過肺部CT影像改變可初步鑒別溺死與非溺死，進一步診斷需要依據其他的參考指標以增大肺部變化的特異性。

法醫病理學中，水性肺氣腫是確定溺死的重要證據之一。肉眼可見肺體積膨大，肺表面顏色較淺，肋骨壓痕和溺死斑，切開肺時有大量帶血色的液體流出[16]。法醫病理學家認為，劇烈呼吸使溺液、空氣、黏液三者在氣道內相互混合而成泡沫，又因為在呼吸困難期和終末呼吸期時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，肺體積增大和溺液吸入肺泡是水性肺氣腫的兩個重要因素。在實際檢案中，大多通過直尺測量肺的長寬高以描述肺體積大小。但肺為不規則的3D結構，傳統方法測量往往誤差較大。van der PLAETSEN等[18]將右側膈肌高度作為衡量肺體積大小的參考指標。但實際上肺體積的變化促使膈肌高度的變化幅度較小且個體差異大，并不能較有效地評估肺體積的變化。本研究利用Mimics 14.0軟件進行肺部3D建模，通過虛擬模型再現肺組織的原始形態，在不破壞尸體的情況下可有效完成測量。失血性休克組和機械性窒息組肺體積經分析差異無統計學意義，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械性窒息組相比，溺死肺部體積明顯增大。研究中尚未發現絕對的區分值，存在較小的重疊區域，不排除個體差異導致溺死組中個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有價值的診斷參考指標。

生理狀態下，肺部CT值主要由肺實質、小血管內血液以及肺內氣體決定，三者比例隨著生理活動而變化，進而導致CT值發生變化[20]。臨床上認為，肺泡內氣體被液體或細胞所取代可導致肺CT值增大[20]。同樣，溺水過程中，由于在呼吸困難期和終末呼吸期吸入大量的溺液，肺泡內氣體不同程度被溺液所取代，液體的CT值明顯高于氣體，進而導致肺部CT值增大。隨著溺液吸入的增加，肺泡內液體比例升高，CT值增大更加明顯，有助于衡量肺水腫的嚴重程度。本研究充分利用了CT對組織有極高密度分辨力的特性，通過對實驗動物肺部3D重建，經Mimics 14.0軟件自動讀取各斷層圖像中每個像素的灰度值，進而計算出全肺平均CT值。該方法是測量整個肺組織的CT值，并非人為選取一定肺部區域計算均值，有效減少了人為選取與操作誤差，測量更為精確。溺死組CT值為（-464.86±93.77）HU，高于失血性休克組和機械性窒息組。溺死組95%置信區間為-524.44～-405.28HU，在一定程度上能與失血性休克組和機械性窒息組有效區別。因此，通過3D虛擬測量肺部CT值和肺體積，兩項參考指標均增大時可間接反映水性肺氣腫的嚴重程度。考慮在今后研究中通過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參考范圍。

綜上所述，在死后肺部影像的基礎上，結合肺體積及CT值變化，可有效反映出溺死尸體肺部特異性改變，為溺死法醫學鑒定提供診斷依據。