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

In de stille, risicovolle wereld van de forensische wetenschap, waar de doden spreken door het bewijs dat zij achterlaten, helpt een nieuw instrument experts om duidelijker te luisteren. Decennialang hebben onderzoekers vertrouwd op post-mortem computertomografie, of PMCT, wat in essentie een gespecialiseerde 3D X-ray scan is die na de dood wordt gemaakt. Deze technologie stelt pathologen in staat om in een lichaam te kijken zonder het open te snijden, waarbij ze gebroken botten, verborgen objecten of de subtiele veranderingen die optreden tijdens de ontbinding van een lichaam documenteren. Het omzetten van deze enorme, complexe 3D-beelden naar preciele, vergelijkbare getallen is echter een traag en rommelig proces geweest. Telkens wanneer een expert de binnenkant van een dijbeen of het weefsel eromheen wil meten, moet hij vaak handmatig de grenzen traceren, een taak die van persoon tot persoon varieert en veel tijd kost. Deze inconsistentie maakt het moeilijk om één geval met een ander te vergelijken of om grote, betrouwbare databases op te bouwen van hoe deze veranderingen in de loop van de tijd verlopen.

Om dit probleem op te lossen, heeft een team van onderzoekers een nieuwe digitale assistent ontwikkeld genaamd SegMed. Denk aan een gespecialiseerde softwareplugin die leeft binnen een populair medisch beeldprogramma genaamd 3D Slicer. In plaats van de menselijke expert te vervangen, fungeert SegMed als een onvermoeibare, perfect consistente partner die de repetitieve wiskunde en het traceren afhandelt, terwijl de expert de initiële begeleiding en de uiteindelijke controle verzorgt. Het instrument is specifiek ontworpen voor de lange botten van het onderbeen, zoals het dijbeen en het scheenbeen. Door de extractie van deze botten en de meting van wat zich erin bevindt te automatiseren, stelt SegMed onderzoekers in staat om gestandaardiseerde gegevens te genereren die vergeleken kunnen worden tussen verschillende gevallen, verschillende scanners en verschillende laboratoria. Het vertelt de computer niet wat de conclusie moet zijn over een doodsoorzaak; het zorgt er eerder voor dat de ruwe metingen die worden gebruikt om tot die conclusies te komen, zo nauwkeurig en uniform mogelijk zijn.

Het proces begint wanneer een forensisch expert een scan van een lichaam opent en het specifieke bot selecteert dat hij wil bestudelen. De expert plaatst een enkele digitale marker op de harde buitenkant van het bot, bekend als de cortex. Vanaf dit enkele punt neemt de software het over. Het gebruikt een wiskundige methode om de lange as van het bot te vinden, waardoor het in het geheugen van de computer effectief wordt rechtgetrokken zodat het perfect rechtop staat, ongeacht hoe het lichaam in de scanner gepositioneerd was. Zodra het bot is uitgelijnd, snijdt de software automatisch het middelste gedeelte uit, de diafyse genoemd, gebruikmakend van vooraf ingestelde regels over waar het bot van nature begint en eindigt. Dit zorgt ervoor dat elke meting wordt uitgevoerd op exact hetzelfde deel van het bot, waardoor de giswerkzaamheden die vaak ontstaan wanneer mensen deze grenzen met het blote oog definiëren, worden geëlimineerd.

Zodra het bot is geïsoleerd en uitgelijnd, kijkt de software naar de inhoud binnenin de holte. Bij een levend persoon is deze ruimte gevuld met merg, maar in een lichaam dat is overleden, veranderen de inhouden. De software sorteert deze inhoud in verschillende groepen op basis van hoe dicht ze lijken te zijn in de scan. Het kan onderscheid maken tussen gebieden die lijken op gas, wat op ontbinding kan wijzen, gebieden die lijken op vet, gebieden die lijken op vloeistof, en gebieden die een mengeling van materialen of puin zijn. Dit doet het door de Hounsfield-eenheden te lezen, een standaard schaal die meet hoeveel materiaal de röntgenstraling blokkeert. De software telt het aantal kleine 3D-pixels, of voxels, dat in elke categorie valt en berekent precies hoeveel ruimte elk type materiaal inneemt. Het meet ook het zachte weefsel dat rond de buitenkant van het bot zit, waardoor een compleet beeld van het bot en zijn directe omgeving ontstaat.

De kracht van dit instrument ligt in het vermogen om een gestructureerd, digitaal verslag van deze bevindingen te produceren. In plaats van dat een onderzoeker getallen op een papiertje opschrijft of een rommelige verzameling afbeeldingen opslaat, genereert SegMed automatisch een schone tabel met gegevens. Deze tabel bevat het totale volume van de botholte, het volume van het gas erin, het volume van de vloeistof en het aandeel van elk relatief aan het geheel. Het maakt zelfs een kaart, of masker, aan die laat zien welke pixels aan welke categorie zijn toegewezen, zodat een andere expert het beeld kan bekijken en het werk kan verifiëren. De software is strikt in haar regels; het zal bijvoorbeeld niet toestaan dat een enkele pixel tegelijkertijd als gas en als vloeistof wordt geteld, wat garandeert dat de uiteindelijke cijfers wiskundig consistent zijn. Dit niveau van precisie is cruciaal voor het opbouwen van een database waarin één geval betrouwbaar vergeleken kan worden met een ander, wat wetenschappers helpt patronen van ontbinding en botveranderingen in de loop van de tijd te begrijpen.

De makers van SegMed zijn echter zeer duidelijk over wat het instrument wel en niet is. Het is een meetinstrument, geen diagnostische orakel. De categorieën die het gebruikt, zoals "gasachtig" of "vloeistofachtig", zijn beschrijvingen van hoe het materiaal er op een scan uitziet, en geen definitieve labels van wat het materiaal in biologische zin daadwerkelijk is. Een pixel die op vloeistof lijkt, kan bloed, water of een mengsel van beide zijn, en de software beweert niet het verschil te weten. Het instrument vereist ook menselijk toezicht. Een expert moet de initiële marker plaatsen, de uitlijning van het bot controleren en de definitieve resultaten beoordelen om er zeker van te zijn dat de software niet is in de war gebracht door gebroken botten, overlappende ledematen of een slechte beeldkwaliteit. De software is momenteel beperkt tot het dijbeen en het scheenbeen, en hoewel het enkele voorlopige functies heeft voor het kleinere kuitbeen, zijn deze nog niet volledig getest of aanbevolen voor gebruik.

Het uiteindelijke doel van dit werk is om een nieuw niveau van betrouwbaarheid te brengen naar forensisch beeldvormingsonderzoek. Door de manier waarop deze metingen worden uitgevoerd te standaardiseren, helpt het instrument de variabiliteit weg te nemen die voortkomt uit verschillende mensen die het werk op verschillende manieren uitvoeren. Dit stelt onderzoekers in staat om grotere vragen te stellen over hoe lichamen veranderen na de dood, om te testen of bepaalde patronen consistent zijn over verschillende populaties, en om datasets op te bouwen die robuust genoeg zijn om wetenschappelijke conclusies te ondersteunen. SegMed lost het mysterie van een doodsoorzaak niet uit zichzelf op, maar het biedt de heldere, consistente en reproduceerbare gegevens die experts nodig hebben om die mysteries met meer vertrouwen op te lossen. Het vertegenwoordigt een verschuiving van louter handmatige observatie naar een hybride aanpak waarbij menselijke expertise krachtige, gestandaardiseerde berekeningen stuurt, waardoor wordt gewaarborgd dat het verhaal dat de botten vertellen zo nauwkeurig is als de wetenschap toelaat.