虚拟解剖在新型冠状病毒肺炎法医病理学研究中的应用展望

李锐，殷坤，张凯，王韵怡，吴秋萍，唐双柏，成建定

（1.西安交通大学医学部法医学院，陕西 西安 710061；2.中山大学中山医学院法医学系，广东 广州510080）

在突发公共卫生事件中，针对不明原因疾病死亡尸体开展病理学解剖具有重要意义[1]。新型冠状病毒肺炎（corona virus disease 2019，COVID-19）作为采取甲类预防控制措施的乙类新发传染病，截至2020年4月25日，全球感染人数已逾280万例，死亡人数达19万例以上[2]。对COVID-19死者进行尸体解剖可研究其病理变化及发生机制，但烈性传染病的尸体解剖需面对巨大的挑战，其对生物安全防护解剖室、个人防护、尸体转运、家属知情同意以及法律法规的合规性等要求都远高于常规病理学及法医学尸体解剖[3-4]，这些因素严重制约了系统的尸体检验，导致目前对COVID-19死者尸体检验的病例数较少，使得病理解剖学结果难以及时地反馈和指导COVID-19临床防控、诊治的工作。

虚拟解剖（virtual autopsy，virtopsy）在传染病的尸体检验中具有独特的优势，可在不直接接触死者尸体、显著降低检查者职业暴露风险的情况下，借助医学影像学技术，研究各解剖部位的影像学特征。虚拟解剖有望在一定程度上解决传统尸体解剖面临的困境，为研究COVID-19等传染病的病变特点、病理生理机制及死亡原因提供依据，同时虚拟解剖数据可以对接临床影像数据，有助于对临床诊治进行及时反馈。

1 虚拟解剖

虚拟解剖是结合现代影像学、计算机科学、解剖学原理和技术形成的一种无创或微创的尸体检验技术，包括死后计算机断层扫描（postmortem computed tomography，PMCT）、死后磁共振（postmortem magnetic resonance，PMMR）以及衍生的死后计算机断层扫描血管造影（postmortem computed tomography angiography，PMCTA）与PMCT引导下取材等。PMCT是虚拟解剖的常用手段，对内部器官病变和骨折的诊断比较敏感，应用PMCT引导下的微创方式取材，可以开展相关的病理学、毒理学、微生物学等研究[5]。PMCTA易于检查体内大血管及冠状动脉灌注情况，PMMR对软组织的分辨率高，可较好地反映心包、胸腔血管及心肌梗死早期变化，但其耗时较长且对操作者的要求较高[6-7]。

多项研究发现，在应用虚拟解剖对死者进行死因诊断时，其准确率与传统尸体解剖相近，在某些情况下甚至优于传统尸体解剖。一项Meta分析[8]结果指出，虚拟解剖对组织出血、骨折的敏感度高；一项虚拟解剖的大样本研究[9]结果显示，与传统尸体解剖相比，结合PMCT、PMCT引导下检材和PMMR技术的微创尸体检验体系对直接死因的诊断率为97%（96/99）；INAI等[10]进行的前瞻性研究指出，PMCT对未尸检的院内死亡患者的死因诊断比临床诊断更为可靠。

尽管多项研究表明虚拟解剖是尸体检验的有效手段，但虚拟解剖在法医学实践中的应用也存在一些不足：（1）影像扫描部位及方法的差异，使不同机构间虚拟解剖影像数据的标准化建库存在一定困难；（2）既往对虚拟解剖的研究样本量较小，其实际效用（虚拟解剖影像特征的灵敏度与准确度）尚须大样本的研究进行证实；（3）死后尸体变化会对虚拟解剖结果产生影响，一项应用PMCT对525例尸体进行检查的前瞻性研究[11]发现，由于死后血液坠积、腐败等尸体现象的影响，PMCT诊断肺炎非常困难。

LAMBIN等[12]首次提出了影像组学（radiomics）的概念，即利用智能化、特征化的数据算法，将目标区域的影像数据转化为高分辨率的可发掘的特征空间数据。例如，通过构建影像组学模型，可以综合应用影像数据、临床数据对实体肿瘤进行病理学与分子生物学分型[13]，以实现对该疾病患者的精准病理分型，指导临床治疗、预判临床转归和预后。

对COVID-19进行大样本虚拟解剖影像数据采集，结合人工智能算法，有望开发出智能化的虚拟解剖诊断数据平台体系[12，14]。在此基础上，建立互联网数据共享平台，以实现便捷的影像病理学资料远程交流，有助于COVID-19与其他病原所致肺炎的鉴别诊断，指导临床快捷分诊、收治患者；同时还可以对患者病程、诊疗效果、疾病转归、近期和远期预后进行评估，进而对治疗方案及时进行反馈，使法医学虚拟解剖与临床研究接轨。上述研究目标在影像设备、操作规范的标准化、影像学专业知识等方面对法医学工作提出了挑战[15]。

2 虚拟解剖在传染病尸体检验中的应用

PMCT是虚拟解剖中最常用的手段，尤其是在评估肺部病变时。《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第五版 修正版）》[16]规定，在湖北省范围内将CT影像结果作为临床诊断COVID-19的标准之一，充分体现了CT在传染病早期诊断中的重要价值。MICHIUE等[17]应用PMCT与传统尸体解剖进行对比，建立了肺影像CT值与引起死亡的病理学改变（肺组织充气度的间接反映）间的定量关系［CT值低于-800HU：肺气肿；-800～-500 HU：正常；-500～-400 HU：肺泡内水肿；高于-400 HU：充血（或出血和水肿）所致的肺不张伴或不伴炎症细胞浸润］。此外，在PMCT引导下的微创取材可行病理学诊断，弥补了软组织成像分辨率低的缺陷[5]。

已有大量研究应用虚拟解剖技术进行传染病尸体检验。FRYER等[18]对高危感染性疾病［人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）、丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）阳性］死者进行微创检查［包括尸表检查、毒（药）物检验、PMCT］，可以在不进行传统尸体解剖的情况下对大部分死者（约2/3）的死亡原因作出诊断；SONNEMANS等[19]对86例尸体的回顾性队列研究结果显示，PMCT诊断直接死因的敏感度（69%）比传统尸体解剖的敏感度（65%）高，该研究还发现在进行PMCT检查后，肺炎被正确识别的比例为73%（11/15），而未行PMCT前此比例为67%（10/15）；JACKOWSKI等[20]对1例链球菌感染死亡的婴幼儿进行虚拟解剖（PMCT、PMMR以及PMCT引导下取材）检查，发现感染所致的肺泡通气面积大幅减少合并喉部水肿引起呼吸衰竭是该患儿的死亡原因，后续的尸体解剖验证了虚拟解剖的结果；MCLAUGHLIN等[21]应用PMCT对1例HCV阳性死者进行检查，发现其死亡原因为急性硬脑膜下出血，同时PMCT提示肺部结核感染，之后的尸体解剖验证了PMCT的发现。此外，虚拟解剖还有助于传染病疫情的报告。SOHAIL等[22]对14例狱中死亡的囚犯尸体进行PMCT检查，诊断出其中2例为结核病患者，之后进行的尸体解剖同样验证了虚拟解剖的诊断；CHATZARAKI等[23]回顾性分析了10例死者的PMCT资料，发现2例需上报的传染病病例（结核病与细菌性脑膜炎）。近年来，应用影像技术对传染病进行精准诊断也在不断探索中，CASTRO等[24]对寨卡病毒（Zika virus）相关感染致先天畸形的8名胎儿进行磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）检查，并对其中4例进行产后CT检查，试图建立寨卡病毒疾病的影像学谱。由于胸腔结构的复杂性，利用CT检查对肺部病灶进行分型、分级的技术尚需进一步的经验积累和理论探索。ORTEGA-GIL等[25]结合显微CT（microCT）与增强对比技术，对结核感染老鼠的肺部进行扫描，以提高结核病病灶的对比度，用于指导肺结核病变的分级。该研究提出的肺部CT结合增强对比技术为传染病的肺部病变分型、分级提出了新的思路。

上述研究提示，虚拟解剖是高危传染病尸体解剖的有效辅助或替代方法，相较于传统尸体解剖，虚拟解剖在传染病尸体检验中具有以下优势：（1）显著降低检验者的职业暴露，降低被感染风险；（2）减少环境污染，防止病原体传播；（3）可在死亡发生后即刻进行，最大程度减少死后变化的影响；（4）家属更容易理解和接受，在传染病流行期间可获取比传统尸体解剖更多的案例数据，利于构建大样本数据库；（5）目前已有研究团队开发出基于肺部影像特征的COVID-19人工智能筛查和辅助诊断系统[26]，死者的虚拟解剖影像数据可与其生前的相关影像学数据对接并综合分析，这也是传统尸体解剖无法取代的最大优势，将对烈性传染病的临床防治提供极大的帮助。

3 COVID-19的病理学与影像学特征

3.1 COVID-19肺组织的病理学特征

2019新型冠状病毒是COVID-19的病原体[27]，被国际病毒分类委员会命名为严重急性呼吸综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2），主要靶器官是肺。《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》[28]总结了COVID-19患者肺组织的病理改变：肺呈不同程度的实变；肺泡腔内出现浆液和纤维蛋白渗出，透明膜形成，肺泡腔内有单核细胞与巨噬细胞渗出，并且可以出现巨核细胞及病毒包涵体，部分肺泡渗出物机化，少数肺泡出现肺气肿改变；肺泡毛细血管充血及透明血栓形成，肺间质增生，部分肺间质纤维化；肺组织灶状出血、坏死，可见出血性梗死；肺内支气管黏膜上皮细胞脱落，腔内可见黏液和黏液栓形成。LUO等[29]对1例危重型COVID-19患者行肺移植，同时对切除的肺进行临床病理检验，发现双肺呈弥漫性坏死，主要病理表现为细支气管炎和肺泡炎，大面积肺间质纤维化伴不同程度的出血性肺梗死，免疫组织化学检查显示免疫细胞聚集。

研究发现，COVID-19的肺部病理特征与严重急性呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）和中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）相似，早期主要表现为肺水肿，肺泡腔内出现蛋白渗出伴巨噬细胞与多核巨细胞浸润，肺间质增厚，晚期呈现弥漫性肺泡损伤、纤维黏液样渗出伴透明膜形成，甚至出现肺组织大片坏死，导致患者出现呼吸衰竭[29-35]。肺组织病变的发病机制目前尚不明确。

3.2 COVID-19肺组织的影像学特征及与其他病原所致肺炎的鉴别

COVID-19的影像表现与病程联系紧密，早期CT影像表现为双肺多叶外周带多灶性片状磨玻璃混浊，小叶间隔增厚；随病变进展可出现实变影与铺路石征，可伴胸膜增厚；重症患者可表现为双肺弥漫分布的实变影合并磨玻璃影，可伴空气支气管征及纤维条索影；部分早期核酸检测为阴性的患者双肺CT可出现磨玻璃影，而部分确诊患者早期未见影像学改变[36-39]。

COVID-19与 SARS、MERS、流感病毒肺炎及细菌性肺炎影像的鉴别具有重要意义。SARS、MERS、流感病毒肺炎均表现为病毒性肺炎的影像特征，很难与COVID-19鉴别，但各种肺炎的影像表现仍具一定的特征性。SARS的肺部X线与CT主要表现为起源于肺底和中外带的单发片状磨玻璃影或实变影，可伴有肺纹理增强和小叶间隔增厚等肺间质改变，早期病变主要累及一侧肺组织；SARS病变进展迅速，影像表现为病灶范围扩大、数目增多、密度增高、网格影出现，少数可伴胸腔积液[40-42]。MERS的肺部CT表现为双肺胸膜下和肺底广泛的磨玻璃影，可伴实变影，部分患者出现小叶间隔增厚和胸腔积液，随访显示肺部有纤维化表现，其病变主要分布于胸膜下及肺泡周围支气管血管，分布模式与机化性肺炎（organizing pneumonia）类似[43-44]。H1N1流感肺炎的影像表现与MERS相似，主要表现为双肺磨玻璃影或实变，主要分布于胸膜下及支气管血管周围，H7N9病毒性肺炎的CT表现以实变为主，通常分布于双肺肺底，病变较H1N1流感肺炎广泛，病程进展迅速[45-49]。细菌性肺炎与COVID-19等病毒性肺炎的影像学特征有显著差异，较易鉴别。研究[50]发现，COVID-19患者CT表现主要为磨玻璃影、铺路石征与网格影等改变，而细菌性肺炎患者CT表现主要为实变影、小叶中心结节及树芽征等改变。

以上研究表明，SARS、MERS、流感病毒肺炎与COVID-19影像学改变相似，难以鉴别。即便如此，COVID-19的影像学改变仍具有一定的特征性：COVID-19早期病变累及双肺更常见，胸腔积液及空洞化等表现更为罕见；SARS和MERS疾病早期累及以单侧肺组织较常见，伴胸腔积液相对较多[38，41，51]。在其他呼吸道传染病与C0VID-19同时流行期间，特别是核酸检测通量有限与效率低下的情况下，结合大样本影像学数据与人工智能算法，有望对各种病原引起的肺炎进行快速鉴别，从而对门诊患者进行快速分诊、收治。

3.3 COVID-19肺组织病理学与影像学的联系

既往研究结果显示，病毒性肺炎的肺部影像表现与其病程紧密相关，这提示随着COVID-19的病程发展，其肺部病变与影像学改变可能存在对应关系。TIAN等[30]对两名肺部肿瘤患者行肺叶切除时，偶然发现这两名均为COVID-19患者，对切除肺组织进行病理学检查除发现肿瘤特征外，还获得了COVID-19的第1例肺组织病理学资料：肺组织散在分布纤维蛋白渗出，透明膜形成但不显著，同时可见肉芽肿和病毒包涵体；术后第2日的胸部CT除术后的影像表现外，还存在局限的斑片状磨玻璃影（早期表现）。XU等[31]对1例COVID-19患者死后立即进行CT引导下取材，首次获得COVID-19死亡患者肺、肝及心等器官的病理学结果，其中肺组织出现病毒感染的细胞改变，双侧弥漫性肺泡损伤伴纤维黏液样渗出，透明膜形成，间质以淋巴细胞为主的单核细胞浸润，可见多核细胞及不典型增大的肺泡细胞，该病例胸部X线片示两肺迅速发展的炎症浸润和弥漫性网格阴影（晚期表现）。华中科技大学刘良团队[32]开展了COVID-19死者的首例系统尸体解剖检验，获得了第1份完整的法医病理学检验结果：尸体解剖发现死者肺部病变明显，左肺大部分呈斑片状改变，切面可见大量黏稠的分泌物从肺泡内溢出，并可见纤维条索形成；相比于SARS，COVID-19的肺渗出性改变明显，实变相对较轻；该患者生前CT结果显示双肺多发斑片状磨玻璃影（对应于解剖直视下的灰白色病灶），可见空气支气管征，双下肺可见纤维条索影（对应于解剖直视下的纤维条索），影像学资料与病理学观察相符且出现相应进展。上述研究提示，COVID-19患者肺的影像学表现、病理学改变及疾病病程三者联系密切，为虚拟解剖建立COVID-19各器官影像学特征与病理学变化规律的联系提供了理论依据。

3.4 COVID-19肺外器官的病变

除肺组织病变外，COVID-19患者还存在其他器官损伤。《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》[28]指出，COVID-19患者除肺组织病变外，脾、肺门淋巴结、骨髓、心脏、肝、胆囊、肾、脑、食管、胃和肠管等也存在不同程度的病变。一项大样本（N=44672）流行病学研究[52]发现，无并发症的COVID-19患者病死率约为0.9%，而合并心血管疾病的患者病死率约为10.5%。XU等[31]的病理学研究发现，COVID-19死者肝组织存在中度微血管脂肪变性及轻度的小叶炎症性改变。HUANG等[53]对41例COVID-19患者的生化检验结果研究发现，12%的患者存在急性心肌损伤。一项对武汉138例COVID-19患者的研究[54]结果显示，7.2%的患者存在急性心肌损伤，16.7%的患者存在心律失常，3.6%的患者存在急性肾损伤，这些器官的损伤可能是由病毒的侵犯引起，但并不排除自身基础疾病进展的可能。武汉金银潭医院对99例COVID-19患者进行临床研究，11例死亡病例中有1例患者在病程中出现心力衰竭，最终死于心搏骤停，回顾其病史发现，该患者并不存在心脏疾病基础[55]。ALHOGBANI[56]曾报道1例患者因中东呼吸综合征冠状病毒（Middle East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）感染而导致病毒性心肌炎（临床诊断）。以上研究提示，冠状病毒作用的靶器官不仅是肺，心、肝、肾等器官同样可能成为病毒作用的靶器官，合并基础疾病或在COVID-19病程中并发其他器官损伤可导致患者死亡风险增加，病毒感染引起的多器官功能衰竭可能是COVID-19患者的致死原因，但器官的损伤机制仍不明确。

3.5 虚拟解剖在COVID-19研究中的应用展望

综上所述，COVID-19的病理学改变与影像学表现紧密相关，对因COVID-19死亡的患者尸体进行虚拟解剖可获取致死性的病变特征，结合临床病史及生前影像学检查结果，可动态监测该患者的疾病进程。基于大样本虚拟解剖资料构建的数据库对于其他患者的病情、疗效及预后评估可能具有重要参考价值。此外，对患者尸体进行虚拟解剖时，在家属知情同意的情况下可对肺、心、肾等重要器官进行穿刺取材，以研究各器官的组织病理学、免疫病理学、病原学等特征，从而更加全面地研究COVID-19的发病与致死机制。虚拟解剖有可能在COVID-19的病理学研究、临床救治、疫情防控中发挥独特的作用。

4 小结与展望

当前，全球面临的COVID-19疫情形势仍然严峻。全球范围内COVID-19死亡病例仍在快速增加，对重症、疑难病例的病理和死亡机制开展系统研究势在必行。法医学工作者应当将虚拟解剖广泛应用于相关死亡患者尸体的检验，积累宝贵的影像学及病理学数据，凝练并开展烈性传染病虚拟解剖领域的科学问题和基础理论研究，以期为临床实践提供参考，在面对传染性疾病暴发时，及时开展法医学虚拟解剖和尸体检验工作，发挥好法医学在公共卫生事件中的作用。

对于COVID-19死者尸体虚拟解剖工作的开展，笔者有以下几点建议供法医工作者参考：（1）在医院死亡的COVID-19患者可即刻行虚拟解剖，减少死后变化对影像的影响；（2）暴发期死亡病例较多，可在有条件的医院（或法医中心和研究所）集中开展虚拟解剖，构建虚拟解剖数据库，为深入系统地认识COVID-19等传染病的病理特征积累宝贵的病理解剖学数据；（3）对COVID-19死者尸体开展的虚拟解剖以PMCT技术为主，重点观察肺、肝、肾、心、脑、肾上腺的形态学变化，对上述器官可常规开展PMCT引导下取材和组织病理学研究，怀疑心脏性死亡时可加做PMCTA或者PMMR以进行鉴别诊断；（4）组织专家研究发布传染病虚拟解剖操作规范，促进数据的标准化；（5）与医疗单位搭建合作框架、建立互联网数据共享平台，共享虚拟解剖数据及其生前影像学资料，以便于调整临床诊治方案，开展远程诊疗和学术交流。