Technical Note: SegMed, a 3D Slicer module for standardized post mortem CT segmentation of lower-limb long-bone diaphyses

In der stillen, risikoreichen Welt der Forensik, in der die Toten durch die Spuren sprechen, die sie hinterlassen, hilft ein neues Werkzeug Experten dabei, deutlicher zuzuhören. Seit Jahrzehnten verlassen sich Ermittler auf die postmortale Computertomographie, oder PMCT, was im Wesentlichen ein spezialisierter 3D-Röntgen-Scan ist, der nach dem Tod durchgeführt wird. Diese Technologie ermöglicht es Pathologen, in einen Körper zu blicken, ohne ihn aufzuschneiden, um Brüche, verborgene Objekte oder die subtilen Veränderungen zu dokumentieren, die während der Verwesung eines Körpers auftreten. Das Umwandeln dieser massiven, komplexen 3D-Bilder in präzise, vergleichbare Zahlen war jedoch bisher ein langsamer und unordentlicher Prozess. Jedes Mal, wenn ein Experte das Innere eines Beinknochens oder das umgebende Gewebe messen möchte, muss er die Grenzen oft manuell von Hand nachzeichnen – eine Aufgabe, die von Person zu Person variiert und viel Zeit in Anspruch nimmt. Diese Inkonsistenz macht es schwierig, einen Fall mit einem anderen zu vergleichen oder große, zuverlässige Datenbanken darüber aufzubauen, wie diese Veränderungen im Laufe der Zeit aussehen.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam einen neuen digitalen Assistenten namens SegMed entwickelt. Stellen Sie sich SegMed als ein spezialisiertes Software-Plugin vor, das in einem populären medizinischen Bildgebungsprogramm namens 3D Slicer lebt. Anstatt den menschlichen Experten zu ersetzen, fungiert SegMed als ein unermüdlicher, perfekt konsistenter Partner, der die repetitive Mathematik und das Nachzeichnen übernimmt, während der Experte die anfängliche Anleitung und die abschließende Überprüfung bereitstellt. Das Werkzeug wurde speziell für die Röhrenknochen der unteren Extremitäten entwickelt, wie etwa den Oberschenkelknochen und den Schienbein. Durch die Automatisierung der Extraktion dieser Knochen und der Messung ihres Inhalts ermöglicht SegMed es Forschern, standardisierte Daten zu generieren, die über verschiedene Fälle, verschiedene Scanner und verschiedene Labore hinweg vergleichbar sind. Es sagt dem Computer nicht, welche Schlussfolgerung über eine Todesursache zu ziehen ist; vielmehr stellt es sicher, dass die Rohmessungen, die zur Erreichung dieser Schlussfolgerungen verwendet werden, so genau und einheitlich wie möglich sind.

Der Prozess beginnt, wenn ein forensischer Experte einen Scan eines Körpers öffnet und den spezifischen Knochen auswählt, den er untersuchen möchte. Der Experte setzt einen einzelnen digitalen Marker auf die harte äußere Schale des Knochens, die sogenannte Kortikalis (Cortex). Von diesem einen Punkt aus übernimmt die Software das Kommando. Sie nutzt eine mathematische Methode, um die Längsachse des Knochens zu finden, und richtet ihn im Computergedächtnis effektiv gerade, sodass er perfekt aufrecht steht, unabhängig davon, wie der Körper im Scanner positioniert war. Sobald der Knochen ausgerichtet ist, schneidet die Software automatisch den mittleren Abschnitt, die Diaphyse, unter Verwendung vordefinierter Regeln darüber aus, wo der Knochen natürlich beginnt und endet. Dies stellt sicher, dass jede Messung am exakt gleichen Teil des Knochens vorgenommen wird, wodurch das Rätselraten eliminiert wird, das oft entsteht, wenn Menschen versuchen, diese Grenzen mit bloßem Auge zu definieren.

Sobald der Knochen isoliert und ausgerichtet ist, betrachtet die Software den Inhalt innerhalb der hohlen Mitte. Bei einem lebenden Menschen ist dieser Raum mit Mark gefüllt, aber in einem verstorbenen Körper ändern sich die Inhalte. Die Software sortiert diese Inhalte basierend auf ihrer Dichte in Gruppen ein. Sie kann zwischen Bereichen unterscheiden, die wie Gas aussehen (was auf eine Verwesung hindeuten könnte), Bereichen, die wie Fett aussehen, Bereichen, die wie Flüssigkeit aussehen, und Bereichen, die eine Mischung aus Materialien oder Trümmern sind. Dies geschieht durch das Auslesen der Hounsfield-Einheiten, einer Standardskala, die misst, wie stark ein Material Röntgenstrahlen blockiert. Die Software zählt die Anzahl der winzigen 3D-Pixel, oder Voxel, die in die jeweilige Kategorie fallen, und berechnet exakt, wie viel Platz jedes Materialtyp einnimmt. Sie misst auch das Weichteilgewebe, das den Knochen außen umschließt, und erstellt so ein vollständiges Bild des Knochens und seiner unmittelbaren Umgebung.

Die Stärke dieses Werkzeugs liegt in seiner Fähigkeit, eine strukturierte, digitale Aufzeichnung dieser Befunde zu erstellen. Anstatt dass ein Forscher Zahlen auf ein Blatt Papier schreibt oder eine ungeordnete Sammlung von Bildern speichert, generiert SegMed automatisch eine saubere Datentabelle. Diese Tabelle enthält das Gesamtvolumen der Knochenhöhle, das Gasvolumen im Inneren, das Flüssigkeitsvolumen sowie den jeweiligen Anteil im Verhältnis zum Ganzen. Es erstellt sogar eine Karte, oder Maske, die genau zeigt, welche Pixel welcher Kategorie zugeordnet wurden, sodass ein anderer Experte das Bild prüfen und die Arbeit verifizieren kann. Die Software hält sich strikt an ihre Regeln; sie erlaubt beispielsweise nicht, dass ein einzelner Pixel gleichzeitig als Gas und als Flüssigkeit gezählt wird, was sicherstellt, dass die Endergebnisse mathematisch konsistent sind. Diese Präzision ist entscheidend für den Aufbau einer Datenbank, in der ein Fall zuverlässig mit einem anderen verglichen werden kann, was Wissenschaftlern hilft, die Muster der Verwesung und der Knochenveränderungen im Laufe der Zeit zu verstehen.

Die Schöpfer von SegMed sind sich jedoch sehr bewusst darüber, was das Werkzeug ist und was es nicht ist. Es ist ein Messgerät, kein diagnostisches Orakel. Die Kategorien, die es verwendet, wie etwa „gasähnlich“ oder „flüssigkeitsähnlich“, sind Beschreibungen dessen, wie das Material im Scan aussieht, und keine definitiven Bezeichnungen dafür, was das Material in einem biologischen Sinne tatsächlich ist. Ein Pixel, der wie Flüssigkeit aussieht, könnte Blut, Wasser oder eine Mischung aus beidem sein, und die Software behauptet nicht, den Unterschied zu kennen. Das Werkzeug erfordert zudem menschliche Aufsicht. Ein Experte muss den ersten Marker setzen, die Knochenausrichtung überprüfen und die Endergebnisse kontrollieren, um sicherzustellen, dass die Software nicht durch gebrochene Knochen, überlappende Gliedmaßen oder eine schlechte Bildqualität verwirrt wurde. Die Software ist derzeit auf den Oberschenkelknochen und das Schienbein beschränkt, und obwohl sie einige vorläufige Funktionen für den kleineren Wadenknochen (Fibula) besitzt, sind diese noch nicht vollständig getestet oder für den Gebrauch empfohlen.

Das ultimative Ziel dieser Arbeit ist es, eine neue Ebene der Zuverlässigkeit in die forensische Bildgebungsforschung zu bringen. Durch die Standardisierung der Art und Weise, wie diese Messungen vorgenommen werden, hilft das Werkzeug dabei, die Variabilität zu reduzieren, die dadurch entsteht, dass verschiedene Menschen die Arbeit auf unterschiedliche Weise ausführen. Dies ermöglicht es Forschern, größere Fragen darüber zu stellen, wie sich Körper nach dem Tod verändern, zu testen, ob bestimmte Muster über Populationen hinweg konsistent sind, und Datensätze aufzubauen, die robust genug sind, um wissenschaftliche Schlussfolgerungen zu stützen. SegMed löst das Rätsel eines Todes nicht von selbst, aber es liefert die klaren, konsistenten und reproduzierbaren Daten, die Experten benötigen, um diese Rätsel mit größerer Zuversicht zu lösen. Es stellt einen Wandel von der rein manuellen Beobachtung hin zu einem hybriden Ansatz dar, bei dem menschliche Expertise kraftvolle, standardisierte Berechnungen leitet, um sicherzustellen, dass die Geschichte, die die Knochen erzählen, so genau ist, wie es die Wissenschaft erlaubt.