Инновации в судебной медицине: надежность, достоверность, эффективность (научный обзор).

Аннотация

Ключевые слова

Введение

Развитие любой науки обусловлено потребностями общественно-экономической практики. Механизмы продвижения науки кроются внутри ее самой, и они заключаются как в парадигмальных преобразованиях революционного характера, так и во взаимной интеграции смежных научных дисциплин, когда предмет одной научной отрасли начинает исследоваться приемами другой [1]. Судебная медицина представляет собой систему научных знаний о закономерностях возникновения, выявления, исследования и экспертной оценки медико-биологических фактов, служащих источником доказательств при проведении расследования. Поэтому применительно к судебной медицине мотиваторами ее развития являются социально значимые преобразования, которые влекут за собой новые требования в правовом поле на уровне государства. На современном этапе своего развития судебная медицина как научная специальность является отраслью медицины, бурно развивающейся за счет привлечения достижений смежных естественно-научных дисциплин и информационных технологий. Условия развития нашего общества обозначают новый вектор развития судебно-медицинских научных исследований, актуализируя приоритетность узконаправленных исследований в соответствии со значимостью возникающих проблем и запросов судебно-медицинской и следственной практики.

Основы судебно-медицинской службы в нашей страны были заложены Петром I: артикул 154 «Воинского устава» предписывал производить судебно-медицинские исследования со вскрытием мертвых тел в случаях травматической смерти, а статьи 108 и 111 «Морского Устава» от 1720 года – приглашать врачей для участия в судебных делах «о смертном убийстве». Среди основоположников систематического преподавания этой дисциплины в нашей стране по праву числится кафедра судебной медицины Сеченовского Университета, празднующая в этом году свой 220-летний юбилей. За многолетнюю историю своего существования кафедра внесла большой вклад в формирование научных основ отечественной судебно-медицинской экспертизы и традиций ее преподавания, дав начало множеству научных школ и направлений, и до сих пор продолжает быть авторитетным учебным и научно-исследовательским центром. [1]. Проводимые исследования отличает высокий методический уровень, системный и комплексный подход, использование современных методов исследования биологических наук, включающий: морфологические (гистохимические, иммуногистохимические, ультраструктурные и морфометрические); высокотехнологичные (лучевые, судебно-химические и спектральные: хромато-масс-спектрометрия, газо-жидкостная хроматография, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) и рамановская спектроскопия; метод конечных элементов, молекулярно-генетические и телемедицинские методы, технологии 3D-сканирования и искусственного интеллекта) и специальные методы (цифровые методы идентификации личности, краниофациальная идентификация, гематотрасологический метод, математическое и трехмерное программное моделирование повреждений, травмирующего предмета и механизма травмы).

Передовые традиции, зародившиеся на кафедре более чем 200 лет назад, получили свое дальнейшее развитие в исследованиях Ю.И. Пиголкина и его учеников [2]. К основным научным направлениям относятся судебно-медицинская травматология, танатология, токсикология и медико-криминалистическая идентификация личности.

Судебно-медицинская идентификация личности

Современная геополитическая обстановка (экономическая нестабильность, провоцирующая активные миграционные процессы и сопряженный с этим рост криминогенных инцидентов; локальные вооруженные конфликты, террористические акты, стихийные бедствия) приводит к гибели людей, их обезличиванию и закономерно повышает потребность в проведении судебно-медицинской экспертизы по отождествлению личности. В случаях чрезвычайных ситуаций (ЧС) с массовой гибелью людей объектами судебно-медицинской экспертизы часто становятся расчлененные, сильно деформированные, обгоревшие трупы. Использование в таких случаях молекулярно-генетических методов позволяет однозначно устанавливать личность неопознанного лица и определять принадлежность органов и тканей конкретному человеку. Разработана методология и ряд теоретических аспектов судебно-медицинского генетического исследования, оптимизирована комплексная программа применения молекулярно-генетических и компьютерных методов анализа для идентификации личности при чрезвычайных ситуациях с массовыми человеческими жертвами [3].

В связи с тем, что иногда биологические объекты могут быть непригодны для генетического исследования (деградация образцов под воздействием факторов внешней среды: температуры, влажности, длительности хранения образцов, недостаточного количества ДНК в исследуемом материале и контаминации выделенного раствора ДНК) разработан широкий комплекс инновационных методов и методик медико-криминалистической идентификации личности.

Одним из наиболее часто применяемых способов идентификации личности является метод фотосовмещения и его вариант – краниофациальная диагностика [4, 5]. Разработан количественный подход к компьютерному анализу сходства объектов краниофациальной экспертизы по оценке определенных физиономических и краниологических размеров, основанный на базах данных идентичных и смешанных пар. Данный метод можно использовать не только при сравнении в традиционном режиме «череп-фотопортрет», но и для контроля точности пластических и графических реконструкций лица по черепу, а также при сравнении фотографий, принадлежащих разным лицам (режим «фото-фото») для установления общих признаках внешности в родственных группах, для отнесения черепа (или реконструкции лица) ребенка к известной родительской паре по их фотопортретам, для определения возрастной устойчивости признаков внешности и т.п. Метод краниофациальной экспертизы применялся для анализа черепов из массового захоронения семьи Николая II в рамках комиссионной экспертизы в отношении их судьбы [6].

Разработаны моделирующие технологии идентификации личности по наружному уху, внешний облик которого неповторим [7]. Предложен метод создания трехмерных моделей ушной раковины на основе цифровых фотографий, выполненных с одного фокусного расстояния и с различных ракурсов, с последующей обработкой их в специализированных программах (к примеру, Agisoft Photoscan и Context Capture). Также разработана методика создания и сравнения высококачественных 3D-моделей лица и черепа (с помощью компьютерных программ Autodesk 3ds Max и Agisoft Photoscan) [8].

Процесс идентификации личности является сложной многоуровневой экспертной процедурой, композиционное решение и эффективность конечного результата которого зависят от целого ряда факторов. Основными являются информационная значимость представленных идентифицируемых объектов и возможность их полноценного исследования. В большинстве случаев формирование биологического профиля неопознанного лица является базовым этапом, без реализации которого невозможно дальнейшее идентификационное исследование. В судебно-медицинской идентификации личности выделяют четыре основных атрибута биологической идентичности: пол, возраст, рост (телосложение) и этническая принадлежность человека. Возраст является одним из наиболее важных диагностических признаков, формирующих биологический профиль, и зачастую имеет решающее значение для достижения положительного результата идентификации личности. При всем своем многообразии, ни один из существующих методов судебно-медицинского установления возраста не обладает достаточной точностью и надежностью, не в состоянии адекватно улавливать и учитывать все нюансы биологических изменений, происходящих при старении, вследствие чего они формируют недостаточно объективные результирующие оценки. Широкие возрастные интервалы и высокая доля ошибок при установлении возраста «крайних» возрастных групп также являются особой проблемой в экспертной практике. В течение жизни под влиянием целого ряда экзогенных и эндогенных факторов динамика возрастных изменений меняется, увеличивается вариативность дегенеративных изменений, что увеличивает разрыв между биологическим и хронологическим возрастом. Влияние данных факторов на показатели, например, костного возраста, в конечном итоге непредсказуемо. Это снижает точность существующих методик и увеличивает погрешность при установлении возраста у лиц зрелого и пожилого возраста. Используемые ранее методические подходы для идентификации в современных условиях потребовали переосмысления и модернизации. В этой связи, а также в рамках реализации государственной программы по цифровизация экономики, для решения задачи диагностики возраста идентифицируемого объекта были использованы технологии Data Analysis для всестороннего исследования данных, выявления предварительно неизвестных, практически полезных и доступных интерпретации знаний, шаблонов, закономерностей, отражающих фрагменты многоаспектных взаимоотношений на примере решения задачи судебно-медицинской оценки возраста (установления целевой возрастной группы) [9, 10].

На основании многолетних плодотворных исследований в области судебно-медицинской идентификации личности Пиголкин Ю.И. создал новое научное направление – установление биологического возраста человека с использованием методов количественной возрастной морфологии и искусственного интеллекта. Ученый предложил принципиально новый комплекс гистоморфометрических, денситометрических и планиметрических параметров развития человеческого организма [11, 12]. Была изучена динамика возрастных показателей и в отношении ряда других тканей и органов. На ортопантомограммах выявлены изменения размерных характеристик 3-го моляра в зависимости от возраста [13, 14, 15]. С помощью метода масс-селективной газовой хроматографии установлен количественный состав аминокислот в дентине зуба в разные возрастные периоды [16]. С помощью гистоморфометрических методов изучены количественные характеристики возрастных изменений кожи (соотношения коллагеновых и эластических волокон, показателя толщины сосочкового и сетчатого слоя дермы, значения экспрессии маркеров Ki67, р53 и bcl-2 в базальном слое эпидермиса), хрящей гортани, ребер, большеберцовой кости (площади костной, хрящевой и жировой ткани, количества трабекул, остеоцитов и т.д.), которые показали наличие достаточно высокой корреляционной связи с возрастом [11, 12]. С использованием лучевых методов и компьютерных технологий изучены планиметрические признаки возраста на примере кисти; проанализированы метрические характеристики и дискретные неметрические признаки старения кисти и установлены общие закономерности инволюции, описаны признаки возрастных изменений и степень из выраженности [11]. Изучен элементный состав костей области основания черепа с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС), рентгеноспектрального микроанализа и порошковой рентгеновской дифракции. Установлено, что с возрастом в костном веществе фиксируется статистически значимое снижение концентрации ионов Ca2+ и увеличение концентрации ионов Mg2+ и Na+. Разработана методика оценки формульного количества катионов Mg2+ в качестве дополнительного критерия определения возраста по известным тенденциям декальцинации и изменению плотности и кристалличности минерального костного вещества [17]. Гистохимическими, иммуногистохимическими, ультраструктурными и биохимическими методами были изучены возрастные изменения адренергической, холинергической и чувствительной иннервации сосудов, а также гранулоциты и капилляры головного и спинного мозга. На основе полученных количественных и полуколичественных данных сформирован датасет, который был проанализирован с использованием современных методов машинного обучения (SVM, SGD, K-Neighbors, RF, МНС). Выполнена оценка информационной значимости и ранжирование признаков объединенной базы, выделены группы связанных между собой признаков и в конечном итоге оптимизировано признаковое пространство. Был сформирован список наиболее влиятельных категорий признаков, который использовался для построения итоговой модели. Согласно данным матрицы ошибок и ROC-кривых точность оценки возраста составляет не менее 80% [9, 10, 12].

Предложенная концепция цифровой судебно-медицинской диагностики возраста, экспериментальные результаты, позволившие выявить общие закономерности и показать некоторые отличия возрастной адаптации соединительной, хрящевой, нервной и костной тканей (в виде гетерохронии, гетеротопии, гетерогенности, гетерокинетичности и гетерокатефтентности) и сформулированные выводы являются значительными достижениями в изучении возрастной морфологии и механизмов старения [9, 10, 11, 12]. Внедрение разработанного программно-аппаратного комплекса в экспертную практику повышает эффективность идентификации личности и определяет направление дальнейших исследований с помощью совершенствования методов возрастной морфологии, цифровых технологий и разработки концепта технологической базы для регистрации идентификационных биологических признаков. Применение интеллектуальных методов обработки информации позволило путем адресного использования цифровых технологий выполнить интеграцию и кооперирование массива разнородной и сложно структурированной информации, характеризующей происходящие с возрастом изменения изученных тканей и органов. На основании выполненных научных исследований предложен обобщенный алгоритм для решения задачи расчета биологического возраста, разработана структурно-функциональная организация программно-аппаратного комплекса и web-приложение для его реализации, научно обоснована теория цифровой судебно-медицинской диагностики возраста [9, 10, 11, 12]. Внедрение данной инновационной разработки в практическую судебную медицину, несомненно, будет способствовать достижению прорывных результатов. Использование в работе принципиально новой наукоемкой цифровой технологии соответствует ключевым приоритетам Стратегии научно-технологического развития РФ. Разработан алгоритм оценки возраста по данным КТ коленного сустава с использованием нейросетевых технологий и компьютерного зрения [18, 19]. Для получения более интерпретируемых, прозрачных сетевых решений реализован инновационный комплексный подход: одновременное применение искусственных нейронных сетей, компьютерного зрения и четко формализованных математических процедур вычисления свойств эпифизарной пластины [18]. На основании проведенного исследования КТ-сканограмм черепа в сагиттальной проекции изучены возрастные изменения спинки турецкого седла, Блюменбахового ската, лобных и клиновидных пазух и сустава Крювелье. С помощью компьютерных программ Gradient и PjaPro выявлены признаки возрастной инволюции, получен положительный опыт применения системы глубокого обучения с помощью сверточной сети, которая автоматически выделяет нужную область на снимке (область соединения позвонков), классифицирует образец и дает предположение о возрасте неизвестного [20]. Для решения задачи определения возраста применялась полностью сверточная нейронная сеть Efficientnet-b2, для которой обучение производилось в два этапа: выделение интересующей области (проявляющей общую тенденцию старения) и решение задачи регрессии. Для оценки точности и эффективности решаемой задачи классификации нейронными сетями использовалась визуализация.

Результаты научных исследований, посвященных проблеме идентификации личности, использовались при проведении ряда сложных и ответственных экспертиз, в том числе в проведении экспертизы, связанной с исследованием и перезахоронением останков российского императора Николая II и членов его семьи, а также для идентификации личности военнослужащих, погибших в ходе локального вооруженного конфликта в Чеченской Республике, что свидетельствует о большой практической значимости проведённых исследований.

Реалии сегодняшнего времени потребовали кардинальных решений по оптимизации производства судебно-медицинских экспертиз. Был разработан и научно обоснован комплекс организационно-методических мероприятий и современных IT-технологий, который включает регистрацию погибших в условиях ЧС, военных конфликтов с использованием модульного программного обеспечения, написанного на языке Object Pascal; этот комплекс может быть интегрирован с технологиями телемедицины, 3D-сканирования, лучевыми методами (КТ) и методами машинного обучения. Создана методика использования мобильных устройств и технологий искусственных нейронных сетей (ИНС) при идентификации личности в условиях ЧС с многочисленными человеческими жертвами, внедрение которой оказало неоценимую помощь экспертам в условиях массового поступления погибших, повышая производительность идентификации личности. Обоснована возможность применения телемедицинских технологий в судебно-медицинской практике, позволяющих экспертам оперативно передавать полученные данные в ведущие экспертные центры и хранить данные в электронном виде неограниченное время.

Судебно-медицинская травматология

Изучены огнестрельные переломы плоских костей и механизмы их формирования; установлено, что в основе формирования перелома лежит сложное напряженно-деформированное состояние с образованием гидростатического «ядра» с последующим дроблением кости. Расширены представления о теории ударного действия пули. Разработана методика определения расстояния выстрела с неблизкой дистанции на основе морфологических особенностей огнестрельного перелома [21, 22, 23].

С помощью комплексного исследования, включающего экспериментальные и моделирующие технологии, разработан и внедрен в экспертную практику алгоритм, позволяющий судить о расстоянии взрыва и типе взрывного устройства; установлены характерные признаки повреждений ткани одежды и биологического имитатора тела человека и следов копоти при взрыве ручных осколочных гранат РГД-5 и РГН [24].

Механическая травма занимает первое место среди причин смерти у лиц молодого возраста, вместе с тем – это самая распространенная причина насильственной смерти. Высокая медико-социальная значимость травматизма актуализирует научные изыскания в данном направлении, выполненные на кафедре судебной медицины Сеченовского Университета под руководством Ю.И. Пиголкина [25-33]. В связи с появлением современных легковых автомобилей, оборудованных средствами индивидуальной защиты, изменилась биомеханика и морфология повреждений у водителей и пассажиров внутри салона автомобиля. Были изучены особенности повреждений и предложены новые судебно-медицинские критерии автомобильной травмы и технологии моделирования для определения места расположения потерпевших в салоне автомобиля [26]. Особое внимание уделено вопросам черепно-мозговой травмы (ЧМТ). Рассмотрен механизм травмы с позиций деформационной и инерционной теорий. Представлена детальная морфология переломов свода и основания черепа, повреждений головного и спинного мозга, их оболочек, разработаны критерии диагностики ЧМТ у живых лиц и на трупах, выполнены экспериментальные исследования и произведено моделирование различных видов ЧМТ [27, 28]. Были проведены исследования гистофизиологии нервного и местного нейроэндокринного аппарата артерий спинного мозга позвоночных с использованием традиционных нейрогистологических и современных гистохимических, электронномикроскопических, иммуногистохимических и биохимических методов при травме спинного мозга [29, 30]. Полученные данные о характере патоморфологических изменений в очаге ушиба спинного мозга, фазической активности транспортных ферментов капилляров и сведения о динамике реактивных процессов в моноаминергическом нервном аппарате артерий внедрены в экспертную практику в качестве объективных критериев давности повреждения. Впервые для судебной медицинской травматологии предложено использование иммуногистохимического метода исследования при оценке острой кровопотери, разработаны новые методические приемы, установлен комплекс морфо-функциональных признаков, помогающих дифференцировать короткий и длительный терминальный период, а также разграничивать острую кровопотерю на фоне алкогольной и наркотической интоксикации [31]. Разработан алгоритм судебно-медицинской диагностики травмы печени по характеру повреждений с использованием фрактографического метода и математической основы, уточнены обстоятельства травмы, разработана методика проведения ситуалогической экспертизы [32]. Современное развитие компьютерных технологий позволяет применять математические методы анализа разрушения биологических объектов. Так, изучение особенностей травматизма тупыми предметами, которое, как направление научного поиска, начало разрабатываться с конца прошлого века, получило продолжение в работах сотрудников кафедры с использованием конечно-элементного анализа (КЭА) [33].

Установлены критерии судебно-медицинской диагностики термической травмы, возникшей от воспламенения горючих жидкостей на теле человека, в зависимости от положения тела (горизонтального или вертикального) и условий травмы (нахождение в ограниченном или открытом пространстве) на основании изучения повреждений кожи, морфологических изменений внутренних органов и результатов судебно-химического анализа [34].

Создана уникальная экспериментальная модель гиперкоагуляционных нарушений в системе гомеостаза при механической травме в условиях гипергомоцистеинемии и определены часто встречаемые мутации и однонуклеотидные полиморфизмы в генах PAI-1, MTHFR, FGB, NOS3 при тромбоэмболии легочной артерии [35].

Разработано новое научное направление: судебно-медицинская гематотрасология (изучение и интерпретация следов крови на месте криминального события). Даны определения, дефиниции и классификация следов крови с целью уточнения обстоятельств травмы. Разработан аппарат экспериментального моделирования следов крови. Предложена методика, позволяющая визуализировать следы крови на месте происшествия и использовать технологии 3D-моделирования при реконструкции событий и обстоятельств происшествия [36, 37]. Усовершенствованы лазерные технологии (использование рамановской спектроскопии) для определения происхождения биологических следов на месте происшествия.

Судебно-медицинская токсикология

Высокая смертность, а также частота и тяжесть соматических осложнений, обусловленных алкогольной болезнью, предопределили насущность изучения морфогенеза алкогольных интоксикаций. Особую сложность представляют вопросы установления роли алкогольной интоксикации в танатогенезе различных травм и заболеваний, судебно-медицинской диагностики хронических наркотических интоксикаций [38, 39]. Под руководством Ю.И. Пиголкина выполнены фундаментальные исследования тканей и органов при отравлении этиловым спиртом и при хронической алкогольной интоксикации с помощью гистохимических методов на алкогольдегидрогеназу и ацетальдегиддегидрогеназу; уточнены механизмы повреждений головного мозга и внутренних органов и разработаны судебно-медицинские критерии диагностики этих состояний. Определен симптомокомплекс поражений внутренних органов и выделен ряд малых синдромов: острой токсической энцефалопатии, кардиомиопатии, наркогенной пневмопатии, нефропатии, полиэндокринопатии, коагулопатии. Установлены маркеры острого отравления в виде дисциркуляторных расстройств, ДВС-синдрома, отека мозга, острого набухания и тяжелых изменений нейронов, признаков фибрилляции сердца и пигментного нефроза, делипоидизации коры надпочечников, геморрагического отека легких. Для экспертной практики предложены инновационные алгоритмы и методические рекомендации.

Судебно-медицинская диагностика внезапной смерти

Установлены провоцирующие факторы развития внезапной смерти у детей до 1 года и лиц молодого возраста. В рамках молекулярной аутопсии уточнены механизмы нарушения регуляции проводящей системы сердца при внезапной смерти детей до 1 года, разработаны алгоритмы судебно-медицинской диагностики случаев внезапной сердечной смерти лиц молодого возраста. Установлены мутантные аллели в гене SCN5A при внезапной смерти детей до 1 года. Изучены мутации ALR, ROS-1, B-RAF и микросателлитная нестабильность в опухолях при внезапной смерти; разработан единый алгоритм комплексного исследования в случаях внезапной смерти от онкологической патологии [40, 41, 42].

Для диагностики COVID-19 разработаны новые методики, позволяющие тестировать образцы тканей для выявления генетических разновидностей SARS-CoV-2, и алгоритм применения полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) [43].

Заключение

Таким образом, в условиях стремительного совершенствования высокотехнологических методов биологии и медицины, научная школа под руководством Ю.И. Пиголкина смогла дать мощный толчок для развития современной методологии судебной медицины, включая морфометрический анализ, 3D-сканирование, телемедицину, математическое моделирование и технологии искусственного интеллекта. Описанные выше инновации при их внедрении в экспертную практику продемонстрировали свою надежность, доказательность и эффективность.

Также следует отметить, что выявленные в процесс научно-исследовательской работы общие закономерности и морфологические проявления внезапной и скоропостижной смерти, расстройств здоровья и смерти от действия различных видов внешнего воздействия используются в здравоохранении для разработки методов профилактики различных видов смертельного и несмертельного травматизма, экзогенных интоксикаций, внезапной и скоропостижной смерти и т.д.

По результатам проведенных исследований Ю.И. Пиголкиным было опубликовано свыше 450 работ, из них более 300 научных статей в отечественных и зарубежных журналах (включая 35 – в журналах Q1 и Q2), индексируемых в международных базах научного цитирования, 24 монографии, 16 учебников и учебных пособий, 4 атласа и 3 т.тома Национального руководства по судебной медицине; оформлено 4 медицинских технологии, получено 16 авторских свидетельств и патентов. Под его руководством защищено 23 кандидатских диссертаций, он является консультантом 18 докторских диссертаций.

В настоящее время Сеченовский Университет преобразовался в Университет наук о жизни и вошел в программу «Приоритет-2030» по направлению «Исследовательское лидерство». Это определило траекторию развития ВУЗа – институциональная трансформация в соответствии с международными стандартами, формирование образовательных и научно-исследовательских кластеров мирового уровня. Реализуя стратегические задачи университета, Ю.И. Пиголкин нарастил необходимый исследовательский потенциал за счет проведения актуальных научных исследований по остросоциальным проблемам, имеющим государственную значимость. Инновационным, принципиально новым шагом в научных изысканиях стало внедрение методов интеллектуального анализа в научно-исследовательскую деятельность для решения прикладных задач судебно-медицинской экспертизы. В настоящее время цифровизация имеет статус национального проекта, является парадигмой экономического и общественного развития нашей страны. И именно «цифровые» задачи формируют модель научно-исследовательской школы под руководством Ю.И. Пиголкина.