家兔溺死模型肺CT影像参数的特征性变化及3D虚拟测量

简俊祺 ，邓德元 ，万雷 ，邹冬华 ，王卓群 ，刘宁国 ，陈忆九

（1.苏州大学医学部法医学系，江苏 苏州 215123；2.司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台，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伤害死亡的第三大原因，占所有与伤害有关死亡的7%，世界各地每年溺水死亡数估计为37万例[1]。然而，由于溺水尸体通常没有特异性表现，溺死的法医学诊断较为困难。实际检案中，溺死鉴定往往综合尸体征象、组织学检查和硅藻检验等多种检验结果，但上述特征并非唯一性诊断标准，故同时需要排除其他死亡原因（如疾病、损伤、中毒等）并结合案情才能作出诊断。如果出现尸体腐败、组织自溶等情况，则进一步增加法医学鉴定的难度。国内外学者曾对溺死的诊断指标进行了大量研究，如硅藻检验方法改善[2-3]、电解质浓度检测[4-6]、水中其他微生物检测[7]以及免疫组织化学检测[8-9]等，但往往因环境因素、个体因素等诸多条件变化而难以在实践中推广应用。

近年来，虚拟解剖技术越来越多地应用于法医学鉴定工作，并体现了良好的价值和巨大的潜力[10-11]，同样为溺死诊断提供了崭新的思路和方法。国内外对虚拟解剖技术在溺死诊断中的应用进行了大量研究[12-15]，主要集中于溺液在呼吸系统、消化系统以及循环系统积聚的影像学表现方面，但由于大多仅限于个例观察[12-13]，所发现的改变缺乏可比性，少部分学者以案例分析方法尝试对多个案例肺部虚拟解剖变化加以概括[14-15]，由于影像特征单一，个体情况参差不齐，而使影像学表现特异性较低。因此，本研究通过建立家兔溺死模型，在可控条件（死亡原因、死亡时间、死后环境等）的情况下，对不同死亡原因动物肺部的虚拟解剖特征参数进行系统研究，分析肺部影像、CT值以及肺体积的变化，以期为溺死诊断提供可靠、特异性的诊断指标。

1 材料与方法

1.1 实验动物及死亡模型建立

本研究所有动物实验经司法鉴定科学研究院科学与伦理委员会批准后进行。健康成年新西兰兔36只，体质量1.9～2.1kg，雌雄不限，购自上海杰思捷实验动物有限公司。所有实验兔给予腹腔注射50 mg/kg苯巴比妥钠，在整个实验过程中处于麻醉状态。

36只实验兔随机分为溺死组、失血性休克组和机械性窒息组，每组12只，分别构建溺死死亡模型、失血性休克死亡模型和机械性窒息死亡模型。其中溺死组为实验组，失血性休克组和机械性窒息组为对照组。溺死组：将实验兔放入透明的塑料水箱内（水箱大小65cm×48cm×42cm，箱内置有河水，水位距离水箱顶部约5cm处），盖上带有小孔的水箱盖约30min后，实验动物浮于水面未见挣扎，依据角膜反射消失、呼吸及心脏停搏判断其死亡。失血性休克组：切断股动脉失血直至实验动物死亡。机械性窒息组：用细绳缢颈直至实验动物死亡。处死后的实验动物存放在兔盒内，室内温度控制在20℃。

1.2 主要设备及参数

Definition AS 40层螺旋CT（德国SIEMENS公司），管电压120kV，管电流240mA，螺距0.9∶1，采集层厚2mm（Acq40×0.6mm），采集视野500mm；重建范围为扫描范围，层厚0.6mm，层距0.4mm，重建视野500mm。

1.3 数据采集与分析

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。将数据导入Mimics 14.0软件（比利时Materialise公司）进行断层图像形态学阅片和3D建模。利用阈值分割等方法对实验兔的肺部进行3D重建（图1）。肺部分割CT值范围设定为-1000～0HU，人工去除肺门以上连续断层的气管及主支气管区域，软件依据各断层间的联系构建新的3D模型（图2），以减少大气道及其内容物对测量产生的影响，使测量更为精确。3D重建处理后，软件自动读取出肺组织各断层图像中每个像素的灰度值，进而计算出整个肺组织平均CT值，即可测量不同死亡原因下实验动物的肺部CT值，并依据重建后肺部3D模型自动化测量肺部体积（lung volume，LV）。

图1 肺部Mimics分割图

图2 肺部3D模型（紫色为气管去除部分）

采用SPSS 22.0统计软件进行数据处理和分析，数据以的形式表示，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（least significant difference，LSD）进行多重比较分析。检验水准α=0.05。

2 结 果

2.1 不同死亡原因的肺部影像

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，肺间隔增厚。失血性休克组未见明显异常，机械性窒息组少部分出现毛玻璃样改变，分布较均匀，不透明程度较溺死组更轻（图3）。

图3 不同死亡原因肺部CT平扫

2.2 不同死亡原因的肺部CT值

各样本肺部3D重建后，经Mimics 14.0软件自动计算出全肺平均CT值（表1）。溺死组肺部CT值较失血性休克组和机械性窒息组增大（P＜0.05），失血性休克组和机械性窒息组之间的差异无统计学意义（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体积

各样本肺部3D重建后，Mimics 14.0软件自动测量出肺部体积（表2）。溺死组肺部体积较失血性休克组和机械性窒息组增大（P＜0.05）。失血性休克组和机械性窒息组之间的差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 不同死亡原因肺部体积（n=12，mm3）

3 讨 论

溺死分为典型溺死和非典型溺死。非典型溺死也称为干性溺死，包括水中休克和水中猝死，占溺死10%～15%，此类情况体内极少或没有溺液吸入[16]。典型溺死指液体机械性地阻塞呼吸道及肺泡，阻碍气体交换，体内缺氧，二氧化碳潴留，而发生窒息性死亡。典型溺死与其他原因导致窒息的差异主要表现为溺液侵入机体。目前，国内外溺死虚拟解剖技术的研究方向集中于典型溺死。溺死的死后计算机断层扫描（postmortem computed tomography，PMCT）包括鼻窦积液、上呼吸道积液，肺部毛玻璃样改变，胃、肠膨隆，心腔及大血管内血液稀释等。其中肺部改变阳性率较高，达90%左右[17-18]。

USUI等[19]将溺死后肺部影像学特征进行了较为详细的分类，主要以带有肺间隔增厚的毛玻璃样改变和不明确的沿气道分布的小叶中心结节样改变两大类组成。两者的区别主要是由肺内吸入溺液和空气比例不同导致，前者较后者肺内溺液所占比例更大。本研究中，溺死组肺部影像均表现为弥漫性毛玻璃样改变，并未出现其他类别，可能由于实验中采用统一的动物模型所致。实验过程中，实验动物溺水时间较长，溺液大量吸入并广泛积聚在肺泡内，肺内溺液所占比例较大，致使肺实质呈均匀高密度影。由于水肿液渗透于肺间质，形成肺间隔增厚[20]。在机械性窒息组中，少部分出现毛玻璃样改变，考虑为急性肺水肿致使少量水肿液渗入肺泡形成。相对溺死而言，机械性窒息组肺泡内液体量较少，故其不透明度不及溺死组。在临床上，心源性肺水肿、肺部传染性疾病、各种非传染性肺间质疾病（如过敏性肺炎、Hamman-Rich综合征）以及弥漫性肺出血等肺部CT影像同样可表现为毛玻璃样改变[21]。因此，溺死的肺部影像学形态和某些病变存在一定程度的交叉重叠，并非其特有。通过肺部CT影像改变可初步鉴别溺死与非溺死，进一步诊断需要依据其他的参考指标以增大肺部变化的特异性。

法医病理学中，水性肺气肿是确定溺死的重要证据之一。肉眼可见肺体积膨大，肺表面颜色较浅，肋骨压痕和溺死斑，切开肺时有大量带血色的液体流出[16]。法医病理学家认为，剧烈呼吸使溺液、空气、黏液三者在气道内相互混合而成泡沫，又因为在呼吸困难期和终末呼吸期时因吸气力量大于呼气力量，溺液吸入肺泡后不易呼出，于是形成水性肺气肿。由此可见，肺体积增大和溺液吸入肺泡是水性肺气肿的两个重要因素。在实际检案中，大多通过直尺测量肺的长宽高以描述肺体积大小。但肺为不规则的3D结构，传统方法测量往往误差较大。van der PLAETSEN等[18]将右侧膈肌高度作为衡量肺体积大小的参考指标。但实际上肺体积的变化促使膈肌高度的变化幅度较小且个体差异大，并不能较有效地评估肺体积的变化。本研究利用Mimics 14.0软件进行肺部3D建模，通过虚拟模型再现肺组织的原始形态，在不破坏尸体的情况下可有效完成测量。失血性休克组和机械性窒息组肺体积经分析差异无统计学意义，其两者均值大致相同，约为49 000 mm3。溺死组肺部体积为（64 349.08±13 310.11）mm3，与失血性休克组和机械性窒息组相比，溺死肺部体积明显增大。研究中尚未发现绝对的区分值，存在较小的重叠区域，不排除个体差异导致溺死组中个别肺体积小于非溺死组平均水平。但这并不影响肺体积变化作为一个有价值的诊断参考指标。

生理状态下，肺部CT值主要由肺实质、小血管内血液以及肺内气体决定，三者比例随着生理活动而变化，进而导致CT值发生变化[20]。临床上认为，肺泡内气体被液体或细胞所取代可导致肺CT值增大[20]。同样，溺水过程中，由于在呼吸困难期和终末呼吸期吸入大量的溺液，肺泡内气体不同程度被溺液所取代，液体的CT值明显高于气体，进而导致肺部CT值增大。随着溺液吸入的增加，肺泡内液体比例升高，CT值增大更加明显，有助于衡量肺水肿的严重程度。本研究充分利用了CT对组织有极高密度分辨力的特性，通过对实验动物肺部3D重建，经Mimics 14.0软件自动读取各断层图像中每个像素的灰度值，进而计算出全肺平均CT值。该方法是测量整个肺组织的CT值，并非人为选取一定肺部区域计算均值，有效减少了人为选取与操作误差，测量更为精确。溺死组CT值为（-464.86±93.77）HU，高于失血性休克组和机械性窒息组。溺死组95%置信区间为-524.44～-405.28HU，在一定程度上能与失血性休克组和机械性窒息组有效区别。因此，通过3D虚拟测量肺部CT值和肺体积，两项参考指标均增大时可间接反映水性肺气肿的严重程度。考虑在今后研究中通过收集大量不同死亡原因的人体肺部CT值和肺体积，以建立溺死诊断肺部指标参考范围。

综上所述，在死后肺部影像的基础上，结合肺体积及CT值变化，可有效反映出溺死尸体肺部特异性改变，为溺死法医学鉴定提供诊断依据。