锥形束CT在法医学中的应用与展望
王坚1, 张家鑫2, 吕途1
1.公安部物证鉴定中心,北京 100038
2.中国刑事警察学院,沈阳 110035

作者简介:王坚(1963—),男,云南玉溪人,学士,副主任法医师,研究方向为法医学、命案现场分析与重建。E-mail:wangjian@cifs.gov.cn

摘要

锥形束CT是口腔颌面医学领域中具有划时代意义的三维成像设备,相对于传统螺旋CT,其具有成像分辨率高、扫描速度快、辐射剂量小、设备体积小等优点,现已被引入到法医学的科研之中。在个体识别方面,通过锥形束CT获得人体组织、器官的三维影像,可进行年龄推断、性别推断、额窦形态比对、牙齿形态比对、颅骨面貌复原等;在损伤分析方面,锥形束CT可对咬痕形态、骨折形态、枪弹伤及锐器伤进行三维重建及分析。CT技术现已成为法医学常规检查手段,而锥形束CT在头面部硬组织的三维成像中又有独特优势,其在法医学科研与实践中的价值尚未完全开发,并有可能进一步推动法齿学的深入发展。本文综述了锥形束CT在法医学中的应用,展望了其研究前景,以期为相关实践提供参考。

关键词: 法医学; 锥形束CT; 个体识别; 损伤分析
中图分类号:DF795.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2016)04-0309-04 doi: 10.16467/j.1008-3650.2016.04.013
Application and Prospect of CBCT in Forensic Medicine
WANG Jian1, ZHANG Jiaxin2, LÜ Tu1
1. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
2. National Police University of China, Shenyang 110035, China
Abstract

Cone beam computed tomography was a precise 3D imaging device designed for oral-maxillo-facial medicine. It permitted multiplane reconstructions, including coronal, sagittal and axial planes, definitely capable of improving the diagnosis and treatment of oral medicine. Compared with the traditional multi-slice computed tomography, cone beam computed tomography has the advantages of high image resolution, rapid scan, low radiation and small size. In forensic personal identification, 3D images of human tissues and organs acquired by cone beam computed tomography were valuable. Individual differences of the teeth were observed through cone beam computed tomography scanning, as well as the age related changes of dental pulp cavity. Mandibular canal images obtained by cone beam computed tomography could distinguish sexual dimorphism. Besides, the 3D reconstructions of the frontal sinus and craniofacial tissues supply a new method in anthropometry and facial reconstruction. In trauma analysis, cone beam computed tomography was an improved tool for the evaluation of bite marks, gunshot injuries, causes of fractures and stab wounds. Cone beam computed tomography could identify structural damages of hard tissues and detect the precise location of a projectile in the body. Virtual autopsy based on computed tomography has become a routine technology in the forensic practice of certain kinds of death. Cone beam computed tomography could supply higher quality images of the maxillofacial hard tissues. Progress in the research of cone beam computed tomography may improve the development of forensic odontology. In this article, some papers published in recent years were reviewed to show the present applications of cone beam computed tomography in forensic medicine, with purpose to provide new ideas for related research and practice.

Keyword: forensic medicine; cone beam computed tomography; individual identification; trauma analysis

近年来, 医学影像技术的进步推动了法医学的发展。建立在计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)设备基础上的虚拟解剖技术在法医学领域的应用日趋成熟。

为获取口腔颌面部三维影像而设计的锥形束CT(Cone Beam Computed Tomography, CBCT)又带来了法医学的革新[1]。相对于传统螺旋CT, CBCT具有成像分辨率高、扫描速度快、辐射剂量低、设备体积小等优势。其在个体识别[2, 3, 4]、损伤分析[5, 6]等法医学相关领域存在迫切现实需求[7, 8]和广阔应用前景。

1 CBCT在个体识别中的应用
1.1 年龄推断

影像学方法推断牙齿年龄是目前常用的人体生物学年龄推断方法。Demirjian等[9]提出将左侧下颌恒牙的牙冠及牙根的发育过程的X线片表现划分为8个等级并予以量化赋分, 建立了年龄与牙齿成熟度对应表。Yang等[10]将CBCT技术最早应用于牙龄推断, 他采用CBCT技术对年龄在23~70岁之间的19名志愿者牙齿进行扫描, 从中选取28颗单根牙(15颗中切牙, 12颗尖牙和1颗前磨牙, 无龋坏)进行三维重建, 分别对牙髓腔和牙体体积进行测量。研究表明牙髓腔体积和牙体体积的比值与年龄存在相关性, 并推导出牙髓腔体积和牙体体积的比值与年龄的回归方程。

Star等[11]采用CBCT技术对111名年龄在10 ~ 65岁之间的比利时病人牙齿进行扫描, 测量单根牙的牙髓腔体积和牙体体积。该研究表明牙髓腔体积和牙体体积比值随年龄变化的规律与性别无相关性, 同时在单根牙中, 中切牙牙髓腔体积和牙体体积的比值与年龄相关性最高, 其次是前磨牙和尖牙。但是该结果建立在64颗中切牙、32颗前磨牙以及15颗尖牙的测量之上, 样本数量不均匀。Babshet等[12]采用CBCT技术扫描印度人单根牙, 并测量牙髓腔体积和牙体体积。研究发现侧切牙牙髓腔体积和牙体体积的比值与年龄相关性最高, 第一前磨牙次之。该结果与Star等的研究不一致。

1.2 性别推断

国内张继宗等[13]首次提出了根据中国人下颌骨判定性别的方法。但是通过下颌神经管进行性别判定国内尚未见报道。

国外Gamba等[14]采用CBCT对160名年龄在18~60岁之间的巴西人(男76人, 女84人)的下颌骨进行观测, 以找出不同性别个体的下颌神经管在CBCT影像中的差异。在所获得的CBCT影像中测量颏孔到下颌支前缘距离、颏孔到下颌支后缘距离、下颌神经管上壁到下颌骨牙槽嵴距离、下颌神经管底部到下颌骨牙槽嵴距离、下颌神经管到下颌舌侧牙槽嵴距离、下颌神经管到下颌颊侧牙槽嵴距离、颏孔到下颌骨牙槽嵴顶部距离、颏孔到下颌基部距离等8项指标。采用单因素方差分析对上述八项指标性别间差异进行统计学分析, 得出除下颌神经管到下颌颊侧牙槽嵴距离这一指标外, 其余7项指标的性别差异显著(P< 0.05)。Shahnaz等[15]采用CBCT对30名志愿者双侧上颌窦进行观察分析。结果表明男性双侧上颌窦的高度、宽度以及深度三项指标均大于女性, 同时推导出了各指标的性别判定方程。

1.3 额窦形态比对

人体的额窦通常在2~3岁时出现, 青春期发育增快, 20岁左右形态成熟。此后除了受衰老和某些疾病影响外, 额窦形状基本保持稳定, 因此额窦可以作为个体识别的观测指标[16]。国内外均有使用医学影像设备对额窦进行个体识别的报道[17, 18]。Beaini等[19]采用CBCT对额窦进行扫描, 并使用三维立体模型直接叠加法, 对不同操作人员、设备、时间收集的CBCT图像进行比对, 发现CBCT技术能够代替传统影像学方法对额窦进行同一认定。Cossellu等[20]采用CBCT对150名年龄在15~78岁之间志愿者(男91人, 女59人)额窦进行观测, 建立三维立体坐标轴, 测量X、Y、Z轴上额窦最大长度(Xm, 、Ym、 Zm)以及额窦总体积(Vt)、额窦总表面积(St)5项指标, 并进行相关统计学分析。该研究同样支持额窦的CBCT影像可用于个体识别。

1.4 颅骨面貌复原

Hwang等[21]使用CBCT对20名志愿者面部进行扫描和三维重建, 并选取面部的31个位点分别测量软组织厚度。通过对比测量结果得出, 31个位点中只有5个位点的测量数值差异较大。

由此作者认为CBCT技术在面部软组织厚度测量方面具有较高的可信度和可重复性, CBCT可用于颅骨面貌复原。此外, Lee等[22]采用CBCT对60名志愿者面部进行扫描和重建, 分析了鼻部软组织和骨组织厚度关系。

2 CBCT在损伤分析中的应用
2.1 咬痕

CBCT应用于咬痕分析能够直接扫描嫌疑人牙列, 并进行三维重建, 结合3D打印技术生成牙模, 用于比对。

Marques等[23]使用CBCT技术对食品载体上的咬痕进行比对, 并对其有效性进行分析。研究表明CBCT技术可用于食品载体咬痕的比对。

吴砚等[24]运用传统牙模制作法和CBCT三维重建两种方法, 对在猪皮载体上的咬痕进行比对, 研究CBCT技术在咬痕比对中的应用性能。结果显示CBCT技术与常规方法相比, 在咬痕比对方面具有较高的特异性和灵敏性, 是咬痕比对的有效工具。

2.2 枪弹伤

传统放射技术能够显现枪弹伤受害者体内遗留的弹头, 但常受到弹头伪影和周围金属人工假体的影响。Stuehmer等[25]分别比较了CBCT与多层螺旋CT(Multi-slice computed tomography, MDCT)在检验3名头部气枪伤病人损伤方面的效果。

研究表明, 相对于MDCT, CBCT影像能够更好的避免伪影的干扰, 从而对残留在头部的气枪弹头精确定位。See等[26]比较了CBCT与MDCT在检验枪弹伤方面的效果。研究表明, CBCT影像受金属人工假体的影响更小, 其在观察弹头变形及弹头临近位置的骨折形态时更清晰。但MDCT对周围软组织的损伤细节呈现能力更强。研究者认为CBCT技术可用于法医学实践中枪弹伤的检验。

2.3 骨折

CBCT技术目前主要应用于口腔颌面部检验, 在骨骼损伤检验方面应用较少。在临床医学和法医学中, 对于骨骼损伤无创检验基本上依靠CT片以及X光片。Smet等[27]研究了231名新近发生轻微骨折和关节损伤的病人, 分别观察了其CBCT影像和CR影像。两名观察者使用CBCT在轻微骨折和关节损伤发现率上较CR分别提高35 %和37 %, 在复合性骨折发现率上分别提高236 %和185 %。

研究表明, CBCT影像与CR影像相比, 不仅能够清晰地显示病人轻微的骨折和关节损伤, 而且能够更加精确地发现复合性骨折损伤。Ramdhian-Wihlm等[28]分别比较了CBCT与MDCT在检验腕关节韧带和软骨损伤方面的效果, 并与尸检情况进行分析比较。研究表明, CBCT影像在辐射量明显低于MDCT情况下, 能够准确客观的显示韧带和软骨损伤。

在法医学实际工作中, 判断骨折新旧度关系到对损伤的正确认识。Cappella等[29]研究了13具尸体上的骨折(3例新鲜骨折, 10例陈旧骨折)情况, 分别观察了其CBCT影像和DR影像。研究表明CBCT影像与DR影像相比, 不仅能够清晰的呈现出骨痂细微结构, 而且能够在不同截面上对骨痂进行观察, 更加有利于判断骨折新旧程度。

2.4 锐器伤

Gaudio等[30]分别制作了骨皮质和骨松质的单刃和双刃锐器刺伤模型, 并采用CBCT进行影像学检验。研究发现, CBCT能够清晰地呈现骨松质上的锐器损伤, 而骨皮质的效果较差, 这可能与骨皮质较致密有一定的关系。此外, CBCT能够区分骨松质上创口大于3mm的单、双刃锐器刺创。

3 展望

法医学的创新发展与新的医学设备的应用常常联系紧密。CBCT作为传统CT的改进设备, 在成像清晰度、辐射剂量、操作性、性价比方面具有综合优势。其在口腔颌面领域的应用已经获得成功, 在法医学领域也有广阔的应用前景。

在法医人类学方面:建立在CBCT设备基础上的牙髓腔三维影像推断年龄方法尚处于初步探索阶段, 对于牙位选择、测量指标、牙齿分段方法等内容有待深入研究。该方法有望解决高龄段人体和焚烧、毁损严重尸骨的年龄推断难题, 将是今后的研究热点。此外, 利用牙齿的三维影像特点进行个体识别同样具有重要的研究价值, 牙齿识别作为个体识别的传统优势技术, 加上三维影像设备的应用, 必将在群体性死亡案事件的个体识别中发挥重要作用。科研人员在额窦形态比对、性别推断及颅骨面貌复原等方向, 已经利用CBCT技术, 获取了新的观察指标或操作方法。相信配合实际应用的调整、完善, 以上方法将为相关检案提供支持。

在法医损伤学方面:CBCT已被应用于咬痕分析、枪弹伤分析、骨折分析、锐器伤分析等方面的科研之中, 下一步, 如何在实践中开展相关方向的鉴定, 将是研究重点。这不仅需要进一步完善对设备性能的开发和检测稳定性的提高, 而且需要大量实际办案经验的总结。

CBCT的使用及维护费用高于普通X线片和DR片, 作为法医学领域的研究设备, 不可能广泛配备到一线法医实战单位。因此, 充分利用三甲医院口腔科及口腔专科医院的资源优势是未来开展相关科研和实践的关键。该领域协同创新机制的建立及“ 互联网+” 模式的开发同样值得充分的科研关注。

The authors have declared that no competing interests exist.

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