法醫病理數字化新技術的發展及在鑒定實踐中的應用

陳憶九（司法部司法鑒定科學技術研究所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）

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法醫病理數字化新技術的發展及在鑒定實踐中的應用

陳憶九
（司法部司法鑒定科學技術研究所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）

摘要：尸體解剖與組織病理學檢查是法醫病理學傳統的、經典的技術手段，目前已不能完全滿足于法醫學證據科學性、客觀性等方面的需求。近年來，隨著計算機技術與醫學影像學技術的發展，產生了虛擬解剖、多剛體仿真與有限元分析等數字化新技術，為法醫病理學提供了非侵入性、直觀、高精度的檢驗方法與研究手段，基本可實現人體損傷致傷方式重建與致傷機制分析，并可以圖像及動畫的形式再現損傷過程，為訴訟活動提供科學、客觀的法庭證據。在綜合國內外相關文獻基礎之上，并結合近期的研究成果，闡述數字化新技術的發展及在法醫病理鑒定實踐中的應用。關鍵詞：數字化技術；法醫病理學；虛擬解剖；多剛體仿真；有限元方法

在涉及損傷或死亡的案件中，法醫病理學鑒定意見無疑是科學證據中的一項重要組成部分。傳統的法醫學鑒定手段主要依靠鑒定人在尸體解剖與組織病理學檢查過程中的肉眼觀察和經驗判斷，據此形成的鑒定意見的公正性和科學性屢受質疑，常會因證據瑕疵而引起當事方之或與辦案方間的矛盾、沖突。

近年來，隨著科學技術的發展，法醫病理學與醫學影像學、計算機仿真學等多學科融合形成了一系列數字化新技術，正在為法醫鑒定技術帶來革命性的突破。相比傳統的技術手段，法醫病理數字化技術具有非侵入性、可重復性、直觀性、客觀性等優勢，更有利于解決案件中的關鍵問題，并提供科學、客觀的訴訟證據，目前已經成為司法鑒定技術中的重要組成部分［1-2］。本文將立足于法醫病理數字化技術的研究成果，并結合實際案例，介紹目前發展較為成熟的虛擬解剖、多剛體仿真與有限元分析等技術，以期為法醫病理學發展提供支撐，使法醫學證據更趨科學、嚴密、公正。

1　基于現代影像學的法醫虛擬解剖技術

在刑事犯罪、民事糾紛、工傷事故等一切涉及法律、訴訟責任劃分的死亡案件中，查明死亡原因是一切工作的立足點和出發點。法醫學尸體解剖是公認明確死亡原因的根本手段與金標準。然而由于受各種客觀條件的限制，某些病變通過尸體解剖并不一定能夠獲得足夠有力的信息，并且傳統的尸體解剖屬于破壞性檢查，數個世紀以來一直受到死者家屬的抵制和反對，尤其受到一些宗教文化傳統的排斥與拒絕［3］。隨著CT、MRI等醫學影像學技術的發展，其為法醫學檢驗提供了一種非侵入性/極小侵入性的尸體檢驗途徑——即法醫虛擬解剖技術，該技術可以清楚觀察到尸體器官、骨骼的病變和損傷情況，并可保存尸體各部位的器官圖像數據，有利于后期復檢和會診，對法醫學損傷探測及死因鑒定有著極大的應用價值。

法醫虛擬解剖技術是指借助于現代醫學影像學及計算機技術，結合解剖學原理及技術要求，對尸體進行CT/MRI掃描，以非侵入性技術或微創手段獲取人體內部結構和器官組織的圖像，探測人體損傷、疾病等形態學變化，為明確死亡原因及死亡方式提供依據的一種新型“解剖”手段。CT和MRI是虛擬解剖最主要的應用技術。20世紀90年代，瑞士伯恩大學法醫研究所Thali博士等［1］首次提出虛擬解剖技術的概念并形成了理論體系，之后該技術受到了全球法醫學界高度的關注與重視，引入了多種新興掃描及成像技術，在法醫學多個領域進行了探索性研究，取得了豐富的成果。目前虛擬解剖技術包括光學三維表面掃描、3D攝影、CT掃描、MRI掃描等，充分利用新技術與多技術融合的優勢致力于死亡原因、法醫病理形態學探測、生活反應、損傷重建、再現與顯像等法醫學重點內容。瑞士、美國、日本、英國、澳大利亞等諸多國家在損傷探測、致傷方式推斷及死因鑒定方面均取得了一定的研究成果［1-2，4-6］。作為虛擬解剖技術的分支，尸體血管造影技術在法醫學和病理學中同樣得到廣泛應用。通過將對比劑灌注入尸體循環系統內，采用特定技術進行成像，可探測尸體內血管畸形、病變以及血管破裂的形態、大小、部位，用于指導尸體解剖路徑，輔助判斷死亡原因［1，6］。

虛擬解剖技術相關研究在國內起步較晚，筆者所在的司法部司法鑒定科學技術研究所（以下簡稱“司鑒所”）是國內最早開展系統性虛擬解剖研究的機構。司鑒所自2005年起即開始進行虛擬解剖、虛擬人體生物力學研究及其他數字化技術手段的探索工作，目前已完成虛擬解剖并收集尸體影像學資料共計數百例，類型涵蓋了高墜、交通事故、故意傷害（機械性損傷、機械性窒息）、燒死、溺死、電擊死和醫療糾紛等多個方面，初步建立了尸體影像學數據庫，并致力于推動國內虛擬解剖技術的發展［7-8］。此外，部分國內公安鑒定機構及醫學院校基于尸體槍彈損傷探測及解剖學教學等目的亦開展了虛擬解剖研究工作［9-11］。目前虛擬解剖技術已被應用于國內多起特（重）大交通事故及疑難復雜案件的死亡原因鑒定與人體損傷檢驗中，順利完成了死亡原因判定與致傷方式推斷，科學、準確、客觀的鑒定意見順利解決了辦案單位的需求，解答了死者家屬的疑問，并避免了社會問題與民族問題的激化。

【虛擬解剖技術實際應用的案例】：刁某于2014年某日發生道路交通事故致頭部外傷，造成額骨及蝶骨左側骨折，后于兩個月內反復左側鼻腔出血達十余次，出血量較大，常規鼻腔填塞等止血措施效果不佳，后因突發鼻腔大出血致失血性休克死亡，本案需查明刁某鼻腔出血的確切原因。本機構在尸體解剖前對死者進行虛擬解剖及尸體血管造影術，自左側頸總動脈向頭部注射對比劑后，對尸體進行頭頸部及全身MSCT掃描及三維重建。虛擬解剖結果顯示死者左頸內動脈C3段造影劑漏出，左側蝶竇內存在動脈瘤樣結構。隨后根據虛擬解剖探測到的病變定位，進行尸體解剖及組織病理學檢查，確定了蝶竇內血管病變為假性動脈瘤，與交通事故所致頭部外傷存在因果關系，死者系假性動脈瘤破裂致失血性休克死亡。本例死者血管病變位于蝶竇內，蝶竇為顱底蝶骨內部的天然腔隙，結構復雜，解剖難度大，且并非尸體解剖中的常規檢查部位。而外力破壞蝶骨暴露蝶竇易損傷毗鄰血管，對目標結構造成破壞，影響觀察。虛擬解剖技術可在不破壞人體組織的情況下，直觀、完整、多角度的對目標結構進行觀察，顯示效果與尸體解剖實際所見幾乎無異（圖1），有助于明確死亡原因，并進行責任判定。

圖1　虛擬解剖與尸體解剖結果對比

2　基于多剛體動力學的法醫學道路交通事故重建技術

伴隨著經濟的發展、交通工具種類及數量的增多，交通事故的發生率及死傷人數亦呈上升趨勢，成為影響社會發展以及人民生活的重要因素，交通事故鑒定也逐漸上升為一項法醫病理學的重點鑒定項目。交通事故現場重建是通過對交通事故進行現場勘查、人體損傷檢驗、車輛勘驗等，并結合現場監控、目擊者證詞等綜合分析以還原交通事故發生的過程。傳統的交通事故重建依賴于事故分析者的專業經驗、知識和空間想象力，事故再現過程僅停留于專家的判斷推理，對交通參與方的交通行為方式及人體致傷過程難以進行客觀、量化的還原。且由于交通事故現場證據信息存在不確定性、可移動性和信息量大等特點，用傳統數據采集方法對事故進行定量分析精確度較低，諸多事故現場提供的信息不能得到有效分析和綜合利用［11-12］。近年來，隨著計算機硬件和數值模擬技術的發展，使通過數字化重構方法進行交通事故重建在技術上成為可能。數字攝影測量技術及多剛體動力學仿真技術可對交通事故現場進行重建，并對事故中發生的碰撞、致傷過程進行數字化仿真、模擬與可視化再現，從而輔助交通傷法醫學鑒定工作的開展，提高事故鑒定的準確性、客觀性和事故責任處理的公正性、科學性。

多剛體系統動力學方法是近20年來在經典剛體力學、分析力學和計算機技術基礎上發展起來的力學分支。它以多剛體為研究對象，采用平面、柱面、橢球或超橢球剛體作為單位，剛體間由各種動態鉸鏈進行連接，并對它們進行運動學分析和動力學分析。基于多剛體動力學的交通事故重建主要是對交通事故進行碰撞軌跡分析及運動學的模擬，運用相關計算機軟件，通過對交通事故中車輛、人員等元素進行多剛體建模，進行碰撞仿真試驗，并求解仿真系統內模型的運動學響應，研究事故發生前、后車輛及人員的運行速度與軌跡，預測涉事人員與車輛在交通事故中的運動狀態［13］。

自20世紀70年代開始，美國、歐洲、日本和澳大利亞等地的研究機構利用多剛體動力學方法進行車輛碰撞試驗和乘員保護裝置的沖擊試驗，對車輛在碰撞事故中的結構變形、耐撞性以及安全性等問題展開仿真分析，揭示車內人員的損傷機制，制定損傷評價標準，并對車輛設計提出改進意見。自21世紀初期起，歐美研究機構開始利用多剛體行人和車輛模型重建真實道路交通事故，模擬汽車-行人碰撞，再現交通傷致傷過程，判斷行人姿勢、車輛的碰撞速度和制動狀態等，并分析車型、行人體形、初始姿態、車輛制動狀態等因素對碰撞后行人拋距、拋落位置及人體損傷的影響［14-7］。

國內多剛體交通事故仿真模擬研究起步較晚，有關汽車-行人碰撞事故的數字化再現研究主要在2002年以后展開，清華大學、吉林大學、湖南大學、第三軍醫大學等研究機構通過自主構建或應用商業模型，進行真實案例的汽車-行人碰撞事故再現，研究內容包括車速與人體拋距之間的關系，不同車速、不同車型結構造成車外人員損傷的特點，并結合人體損傷指標探討了車外人員防護的可能性［18-21］。

2007年司鑒所與上海交通大學合作，率先在國內利用多剛體動力學法進行多種類型的法醫學交通事故重建研究。利用MADYMO、PC-CRASH、LSDYNA等碰撞軟件，對事故中涉案的人、車、道路等建立符合實際尺寸的數字模型，結合事故現場有效參數和專家經驗，對事故發生過程進行動態再現。重建的交通事故中，涉事車輛包括汽車、摩托車、自行車等，事故類型包括車-車碰撞、車-人碰撞及單車事故等［22-3］。將研究成果應用于鑒定實踐，目前司鑒所已完成了40起不同交通事故碰撞過程的可視化再現，通過重建還原事故發生時各涉事人員所處的位置和交通狀態，對汽車內人員的駕乘關系、摩托車類兩輪車上人員的司乘關系、行人交通狀態的認定、自行車騎行狀態的認定、車輛是否碾壓人體等關鍵事實進行認定，從而幫助交警、法院等辦案單位更為準確、細膩地進行責任劃分。

【多剛體仿真技術實際應用的案例】：兩男子合騎一輛二輪摩托車在行駛過程中追尾一行駛中的小客車，致摩托車上兩人一死一傷，本案需對摩托車上兩人的駕乘關系進行鑒定。首先進行車輛勘驗及人體損傷檢驗，根據車輛損壞部位及人體損傷部位、性質初步確定摩托車上兩人與小客車的接觸部位。隨后利用多剛體動力學分析軟件，構建包括人、車、道路在內的仿真模型，進行參數設置后模擬碰撞全過程，并依據車輛、人體損傷情況及事發現場人、車位置等信息對模擬結果進行迭代修正。最終依據現場、人、車檢驗所見及多剛體仿真結果綜合分析判斷，傷者為摩托車駕駛員，死者為后座乘員（圖2）。本例摩托車上兩人一死一傷，需鑒定駕乘關系，考慮到傷者可能存在推卸責任的情況，其口供的真實性存疑，故需借助一種科學的鑒定手段，依據交通事故現場的客觀信息對碰撞過程進行還原，確定駕乘位置，劃分事故責任。運用多剛體仿真技術對交通事故在時-空-力上進行重建，從受力-變形-損傷的角度闡明交通傷致傷方式及損傷機制，所形成的證據在科學性、直觀性及說服力方面都有較大的突破。

圖2　交通事故多剛體動力學仿真結果

3　基于有限元方法的法醫損傷生物力學分析技術

人體損傷是法醫病理實踐中最常見的內容。鑒于損傷的致傷物種類繁多、機械作用力的形式各異以及人體組織結構的差別，使得人體損傷的鑒定始終是法醫學鑒定中最困難、最復雜的問題之一。傳統法醫病理學對于人體損傷的分析，主要憑肉眼觀察、尸體解剖、光學顯微鏡觀察加上經驗判斷等方法，主觀隨意性較強，對于損傷的認識多局限于損傷形態學［13］。

隨著醫學影像學技術和計算機技術的發展，法醫病理數字化新技術為探討損傷形態和碰撞損傷生物力學開辟了一條新途徑。與上述虛擬解剖、多剛體動力學仿真技術一同發展的還有有限元分析技術。該技術方法的基本思想是將需計算的幾何結構進行有限單元劃分，通過對各個單元內的場函數進行計算，計算結果通過方程組整合后用來描述整個結構的情況。人體組織器官通過三維建模和單元離散，最終形成人體有限元模型，在給定邊界條件、載荷和材料屬性后，模擬人體組織受到外力作用，經計算機計算后得到人體模型的位移、應力、應變等生物力學指標的大小、分布與變化情況，從而重建和預測可能發生的損傷部位、損傷形態及損傷程度，進行損傷鑒別與致傷方式推斷，為法醫損傷鑒定提供參考依據。

自20世紀70年代起有限元方法便被應用于人體頭部、脊柱等部位的建模與損傷生物力學研究中，研究范圍逐漸擴展至骨盆、胸廓、四肢骨關節等結構。除骨骼系統外，心血管、眼球、胃腸道、肺、肝、腎、甚至胎盤等部位均已構建了有限元模型并進行了損傷分析。目前有限元建模與分析方法在下列常見損傷的生物力學研究中已取得了一定的成果，包括頭部發生加速/減速及旋轉運動時形成的損傷，胸腹部受到外力作用時造成的體內臟器及血管的損傷，以及外界暴力作用導致的胸廓、脊柱、骨盆、四肢骨關節及附屬結構的損傷［13，24-27］。

有限元建模與人體損傷相關研究國內起步較晚，近年來才陸續有研究成果報道，主要集中在工程與材料力學領域、交通傷防范和臨床創傷研究領域。南方醫科大學、第三軍醫大學、上海交通大學等開展數字化虛擬人計劃，應用于醫學研究、臨床治療及教學，取得了相應的研究成果。湖南大學、天津科技大學等各自開展了人體生物力學模型研究計劃，用于模擬交通事故中車輛與人體不同部位的碰撞，進行數值響應分析及人體損傷致傷機制研究［28-9］。此外，基于武器損傷保護研究需要，國內相關機構在胸部有限元建模與損傷分析方面亦開展了相關研究［30-1］。但上述研究工作的關注重點與法醫學研究中注重的損傷形態、損傷機制及損傷生物力學分析等存在一定的差距。

自2009年起，司鑒所在國內率先將有限元方法應用于法醫損傷學研究，組建了自影像學數據采集至有限元建模與計算的一站式軟硬件工作平臺，并根據人體MSCT掃描數據自主構建了包括顱骨、胸廓、肝臟、骨盆、膝部、下肢及軀干部等多部位有限元模型。模型經過驗證后加載不同類型的外力載荷，模擬法醫學實踐中常見的撞擊、摔跌、碾壓等機械性損傷，采集人體結構靜態和動態響應信息，結合損傷指標，從生物力學角度對損傷形態、損傷成因進行論證與解釋。目前相關研究成果在實際案件鑒定中發揮了重要的作用，利用有限元模型對案件中可疑的致傷方式進行模擬，預測損傷發生的部位、形態，經與真實人體損傷進行比對并結合法醫學專家經驗判斷，做出傾向性與排除性意見，進行損傷鑒別，并為法庭科學舉證，已順利完成多起國內重大、疑難案件中致傷方式的認定［32-4］。

【有限元分析技術應用于鑒定實踐的案例】：老年女性王某在翻越馬路中央隔離帶后跌倒在車道上，造成膝部損傷。王某稱跌倒前曾遭小轎車撞擊，司機稱轎車未與王某發生接觸，王某系自行摔倒，雙方各執一詞。王某下肢損傷致傷方式的法醫學鑒定意見即成為本案的關鍵證據之一。由于缺乏明確的體表損傷檢驗及車輛勘驗信息，僅有事發后王某雙下肢的CT數據，采用傳統的法醫病理學鑒定手段無法明確致傷方式，案件雖經多次訴訟仍懸而未決。根據王某健側下肢CT數據構建直立位人體膝部有限元模型，設定保險杠從正外側、側后方及側前方以不同速度撞擊膝部，模擬人-車碰撞過程；構建屈曲位人體膝部有限元模型，設定小腿正前方與外側方分別以不同速度與地面接觸撞擊。依據接觸部位的應力、接觸力等響應情況分析損傷機制，預測損傷形態、范圍與程度。模擬結果顯示，保險杠于后外側及正外側直接撞擊作用下更易形成脛骨平臺及腓骨小頭的損傷，與王某實際損傷形態較為一致。脛骨前側與前外側直接摔跌形成的損傷部位與形態與王某實際損傷不一致（圖3～5）。本例在案發時間久、案件客觀信息缺乏的情況下，運用有限元建模與分析技術對下肢損傷的致傷方式進行鑒定，給出了傾向性意見，解決了由于缺乏證據多年來懸而未決案件的關鍵技術性問題，對案件審判起到了推動作用，對維護社會和諧、實現司法公正起到了促進作用。

圖3　傷者CT數據三維重建結果

圖4　屈曲位與直立位膝部有限元模型

圖5　膝部遭車輛撞擊與摔跌有限元模擬結果

4　展望

隨著現代醫學影像學及計算機技術的發展，由此催生出的法醫病理數字化新技術為人體死亡原因及損傷致傷方式的鑒定與研究開辟了一條新途徑，極大的促進了法醫學的發展。通過虛擬解剖技術，可以清楚地探測到人體損傷，并對損傷情況進行有效評價；通過多剛體動力學仿真技術，可以有效地進行道路交通事故重建，還原真實事故的發生情況與人體損傷致傷方式；通過有限元建模與分析技術，可以從生物力學角度對損傷進行動態、定量地分析，預測損傷部位，并觀察損傷的發生與發展過程。所形成的電子化證據可以圖像的形式、動態的效果展現，清晰明了、通俗易懂，便于訴訟過程中涉及的非法醫學人員進行理解，極大地提升了案件的鑒定品質。鑒于上述多種數字化技術的原理、設備及關注點存在差異，聯合應用多種數字化技術，進行優勢互補，已成為國際法醫學領域的研究熱點與發展趨勢。

目前法醫病理數字化技術仍處于發展階段，本文介紹的虛擬解剖、多剛體仿真及有限元分析等技術均存在一定缺陷與技術盲點，數字化技術尚不能完全替代傳統的法醫學鑒定與研究手段。但不容置疑的是數字化方法在法醫學鑒定與研究中的重要性將越來越突出，將數字化技術與傳統鑒定手段相結合，形成包括專家體系、數據信息體系及計算機體系的損傷分析新模式，保障法醫學鑒定及所形成的科學證據的嚴謹性、客觀性和準確性。

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（本文編輯：秦志強）

The Development and Application of New Digital Techniques in Forensic Pathology

CHEN Yi-jiu
（Shanghai Key laboratory of Forensic Medicine，Shanghai Forensic Serrice Platform，Institute of Forensic Science，Ministry of Justice，P.R. China，Shanghai 200063，China）

Abstract:The traditional methods of forensic pathology，such as autopsy and histopathological examination，sometimes can not provide completely scientific and objective forensic evidence. With the development of computer and medical imaging technology，some emerging digital techniques，such as virtopsy，multi-body dynamic simulation and finite element method，have made the body examination and research of forensic pathology to be non-invasive，easily observed and more accurate. These techniques could help to achieve human body injury re-construction and injury mechanism analysis，and represent the damage process by graphics and animation，thus providing scientific and objective forensic evidence. In this paper，the development and application of these new techniques in forensic pathology are elaborated，according to the literature and the research results of the Institute of Forensic Science，Ministry of Justice，China.

Key words:digital technology；forensic pathology；virtopsy；multi-body dynamic simulation；finite element method

中圖分類號:DF795.4

文獻標志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-2072.2016.03.011

文章編號：1671-2072-（2016）03-0064-08

收稿日期：2016-04-03

基金項目：國家自然科學基金項目（81273338，81571851）；上海市科技攻關項目（14231202500）；上海市法醫學重點實驗室資助項目（14DZ2270800）；上海市司法鑒定專業技術服務平臺資助項目（16DZ2290900）

作者簡介：陳憶九（1962—），男，研究員，博士研究生導師，主要從事法醫病理學研究。E-mail:chenyj@ssfjd.cn。