DE19638839A1 - Verfahren zur Bestimmung der Entstehungszeit von Hämatomen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Entstehungszeit von Hämatomen und findet speziell Anwendung in der rechtsmedizini­ schen Technik. Die medizintechnische Ermittlung der Entstehungszeit einer Hautunter­ blutung ist häufig ausschlaggebend für die Beweisführung bei Straftaten mit Körperverletzungen. So stellt sich u. a. häufig die Frage nach der Zeit von Gewalteinwirkungen bei körperlichen Mißhandlungen, oder auch nach Körperverletzungen, infolge deren der Verletzte nicht mehr an­ sprechbar ist, z. B. bei Bewußtlosigkeit nach Schädelverletzungen, sowie bei unterschiedlichen Angaben zur Entstehungszeit eines Hämatoms. Die allgemeinen strafrechtlichen Anforderungen an die Beweisführung verlangen auch in derartigen Fällen ein nachprüfbares und objektives Verfahren zur Bestimmung des Alters eines Hämatoms.

Die Einschätzung des Alters von Hämatomen wird gegenwärtig vom un­ tersuchenden Sachverständigen in der Praxis subjektiv aufgrund farbli­ cher Hämatomveränderungen vorgenommen und wird von Faktoren wie Lokalisierung und Intensität des Hämatoms und individuellen optischen Eigenschaften der Haut beeinflußt. Die Genauigkeit der Einschätzung erfordert viel Erfahrung, ist äußerst schwierig und verlangt "größte Zurückhaltung" in der Bewertung (S. Berg, Vitale Reaktionen und Zeit­ schätzungen, in: B. Mueller (Hrsg.), Gerichtliche Medizin, Springer, Berlin 1975).

Tutsch-Bauer et al. berichteten 1981 über Altersbestimmungen künstlich gesetzter Hämatome aufgrund der visuell festgestellten farblichen Verän­ derungen. Sie kamen zu dem Schluß, daß eine vorsichtige Aussage über das Alter eines Hämatoms auch ohne Kenntnis näherer Umstände auf Grund des Farbbildes möglich ist [E. Tutsch-Bauer et al., Untersuchun­ gen zur Altersbestimmung an künstlich gesetzten Hämatomen, Beitr. gerichtl. Med. 39, 83 (1981)]. Eine genaue Alterseinschätzung gelang ihnen jedoch im Einzelfall nicht. Zur Objektivierung der Altersbestimmung von Hämatomen ist neben der histologischen Bestimmung der Blutabbauprodukte [W. Janssen, Forensic Histopathology, Springer, Berlin 1984] eine nichtinvasive Bestimmung an Hai- der spektralen Änderung des Hämatoms mit der Zeit ein möglicher Weg. Aufbauend auf Untersuchungen von Lins zur farblichen Charakte­ risierung der Haut [G. Lins, Remissionsmessungen zur farblichen Charak­ terisierung der lebenden menschlichen Haut, Beitr. gerichtl. Med. 25, 271 (1969); G. Lins, K. Hampe, Das remissionsanalytische Hautfarbbild von artefiziellen Blutergüssen, Beitr. gerichtl. Med. 27, 232 (1970);], führten Klein et al. [A. Klein, D. Schweitzer, I. Schotte, C. Wolf, Spektrometrie zur Hämatomaltersbestimmung beim Lebenden, Beitr. gerichtl. Med. 50, 2235 (1992)] spektrometrische Messungen an Hämatomen im Spektral­ bereich von 430 . . . 700 nm durch. Die mittels Diskriminanzanalyse aus­ gewerteten Ergebnisse zeigten die prinzipielle Eignung von spektrometri­ schen Messungen für die in vivo Bestimmung des Hämatomalters, jedoch gelang eine sichere zeitliche Zuordnung im Einzelfall auch nicht. Weitere Untersuchungen wurden mit einem tragbaren Zwei- Wellenlängenphotometer durchgeführt (λ₁ = 460 nm, λ₂ = 557 nm), wobei aus mehreren aufeinanderfolgenden Messungen auf die Abbaukinetik des Hämatoms geschlossen wurde. Der zeitliche Abstand zwischen den Mes­ sungen mußte mindestens mehrere Stunden betragen, damit zeitliche Ver­ änderungen registriert werden können. Diese Information diente an­ schließend zur Extrapolation auf die Entstehungszeit [Klein, A., Rom­ meiß, S., Fischbacher, Ch., Jagemann, K.-U., Danzer, K.: Estimating the age of hematomas in living subjects based on spectrometric measure­ ments, in: The wound healing process - forensic pathological aspects -, Rechtsmedizinische Forschungsergebnisse Band 13, Oehmichen, M., Kirchner (Hrsg.), Verlag Schmidt-Römhild, Lübeck 1996]. Nach der Gleichung

wird aus den gemessenen Intensitäten der Remissionen R des Hämatoms und der benachbarten Haut für mindestens drei verschiedene Meßzeiten der Quotient Q berechnet. In einem weiteren Auswertungsschritt wird aus der erhaltenen Ausgleichsgerade mit negativer Steigung durch Extrapola­ tion auf Q = 1 die Entstehungszeit des Hämatoms berechnet. Die Zuver­ lässigkeit der Altersbestimmung hängt hauptsächlich vom Volumen, der Lokalisierung und des Alters des Blutextravasats ab.

Ferner ist an sich bekannt, daß für die Bestimmung von Konzentrationen und Gehalten in der Analytischen Chemie Verfahren existieren, die das gesamte Spektrum für die Auswertung heranziehen. Hierdurch wird eine wesentlich größere Zuverlässigkeit erreicht und Phänomene wie wech­ selnde Basislinien können eliminiert werden.

Bei komplexen realen Kalibrationsproblemen sind meist nicht alle Kom­ ponenten des Systems bekannt. In diesen Fällen wird das ("inverse") Regressionsmodell

c = Xb + e_c (1)

verwendet, wobei X eine m × n Matrix aus m Spektren mit n diskreten Wellenlängen mit bekannten zugehörigen Konzentrationen c_i (i = 1 . . . m) ist. Der Parametervektor b wird bei der Kalibration bestimmt und wird für die späteren Vorhersagen unbekannter Konzentrationen verwendet. Die Voraussetzung für zuverlässige Vorhersagen ist, daß sämtliche spek­ tralen Variationen, die durch interferierende Substanzen, aber auch durch Phänomene wie Basisliniendrift verursacht werden, im Trainingssatz für die Kalibration berücksichtigt wurden. Der Vektor e_c enthält die Resi­ duen der Konzentrationen. Es wird davon ausgegangen, daß die Spek­ trenmatrix X und der Vektor der Konzentrationen c zentriert wurden, also:

Bei der PLS (Partial least-squares Regression) wird die Spektrenmatrix X repräsentiert durch:

X = TP + E_x (3)

wobei P die a × n Matrix der Faktorladungen und T die orthogonale m × n Scorematrix ist. E_x ist die Matrix der spektralen Residuen, die nicht durch das Modell beschrieben werden. Die Zerlegung der Spektrenmatrix wird so durchgeführt, daß die Korrelation von P mit dem Kon­ zentrationsvektor c für jeden der a PLS-Faktoren maximal ist. T ent­ spricht den Intensitäten im neuen Koordinatensystem der a PLS-Faktoren und ist über

c = Tq + e_c (4)

mit dem Konzentrationsvektor c verknüpft. Durch die Orthogonalität von T ist die least-squares Bestimmung des Parametervektors q in Gl. 4 ohne Schwierigkeiten möglich. Die Residuen können für die Diagnose der Spektren bei der Kalibration und der Vorhersage verwendet werden, da sie die Information enthalten, ob sich ein bestimmtes Spektrum signifi­ kant von den Spektren des Kalibrationssatzes unterscheidet. Der hier zur Berechnung von P und T verwendete Algorithmus ist beschrieben in [Höskuldsson, A.: PLS regression methods, J. Chemometrics 2, 211 (1988)]. Für Kalibrationen finden desweiteren Künstliche Neuronale Netze (artificial neural networks, ANN) Anwendung [Gemperline, P.J., Long, J.R., Gregoriou G.: Nonlinear multivariate calibration using principal component regression and artificial neural networks, Anal. Chem. 63, 2313 (1991)]. Als neuronale Netze werden informationsverarbeitende Systeme bezeichnet, die aus einer großen Anzahl einfach aufgebauter Verarbeitungseinheiten, den sogenannten Neuronen, bestehen. Diese senden sich Informationen über gerichtete Verbindungen zu. ANN sind stark idealisierte Modelle biologischer neuronaler Netze. Abhängig von der Architektur und den verwendeten Lernregeln werden bei den ANN verschiedene Typen unterschieden. Bei den ANN vom RBF (radial basis functions)-Typ wird die Möglichkeit genutzt, nichtlineare Zusammenhän­ ge durch eine Linearkombination nichtlinearer Basisfunktionen (z. B. Gauß-Funktion) approximieren zu können [Cichocki, A., Unbehauen, R.: Neural Networks for Optimization and Signal Processing, Wiley, Chichester 1993]. Die Zentren der Basisfunktionen (Gewichtsmatrix W^[1]) können über einen forward-Selektionsalgorithmus gewählt werden [Chen, S., Cowan, C.F.N., Grant, P.M.: Orthogonal Least Squares Learning Algorithm for Radial Basis Function Networks: IEEE Transaction Neural Networks, 2, 302 (1991)]. Die Berechnung der Ausgangsgewichte, der Netzeingänge und der Aktivierungszustände erfolgt in folgenden Schritten: Berechnung der Netzeingänge der verdeckten Schicht

wobei W^[1] die k × n Gewichtsmatrix ist, Berechnung der Aktivierungs­ zustände mit der Gauß-Funktion mit dem Skalierungsparameter r

und des k × l Gewichtsvektors der Ausgangsschicht

w^[2] = H⁺c (7)

Konzentrationsvektor c (m × 1). Der Vorhersageschritt erfolgt mit

= H⁺w^[2] + e_c. (8)

Aufgabe der Erfindung ist es, das Alter eines Hämatoms objektiver, genauer und insbesondere ohne mehrfache Untersuchungen diagnosti­ scher Art sowie ausschließlich auf Grund von Meßdaten zu bestimmen, die nur zu einer Zeit aufgenommen wurden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Bestimmung der Entste­ hungszeit des Hämatoms aus spektralfotometrischen Meßdaten vom Hämatom, vorzugsweise von dessen Randzonen, über den Spektralbe­ reich von ca. 400 nm bis ca. 1000 nm in diffuser Reflexion ermittelt wird.

Erfindungsgemäß dienen die über den besagten Spektralbereich gemes­ senen spektralen Anteile des Hämoglobins und seiner Abbauprodukte, insbesondere Bilirubin und weitere Metabolite des Hämoglobins, als Maß für die Altersbestimmung des Hämatoms. Die Bestimmung der Häma­ tom-Entstehungszeit beruht dabei auf einem Vergleich der vorgenannten Meßwerte mit vorliegenden Reterenzergebnissen von Hämatomen mit bekanntem Entstehungszeitpunkt und Entwicklungsverlauf. Die spektralen Anteile des Hämoglobins und seiner Abbauprodukte kön­ nen über an sich aus der Analytischen Chemie zur Konzentrationsmes­ sung bekannte multivariate Kalibrierungsmethoden ermittelt werden. Zur Kalibrierung des Neuronalen Netzes und der PLS wird als Voraussetzung der Methode ein entsprechend großer Datensatz mit Remissionsspektren von Hämatomen mit bekannter Entstehungszeit genutzt. Mit dem Verfahren wurde der Nachweis erbracht, daß eine hinreichend genaue Bestimmung der Hämatom-Entstehungszeit aus Meßdaten, die nur zu nur einer Zeit vom Hämatom aufgenommen worden sind, möglich wird. Auf diese Weise entfallen diagnostische Untersuchungen, insbe­ sondere zur Feststellung zeitlicher Veränderungen am Hämatom, welche gewisse zeitliche Abstände zwischen den Untersuchungen erfordern und zusätzliche Belastungen auf medizinischer Seite als auch des Betroffenen mit sich bringen würden.

Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit einer Aussage über die Hämato­ maftersbestimmung ist es vorteilhaft, spektralfotometrische Meßdaten, die nicht nur vom Hämatom selbst, sondern auch von dem Hämatom be­ nachbarten und unversehrten Hautstellen (zeitgleich aufgenommen) vor­ liegen, auszuwerten. Dadurch können individuelle Eigenschaften an der Hautstelle, wie z. B. unterschiedliche individuelle und lokale Hautpig­ mentierung, in ihrem Einfluß auf die Hämatomaltersbestimmung ausge­ schlossen werden. Aus den beiden lokalen Meßergebnissen (Kurvenverläufen) wird der Quotient und nachfolgend der Logarithmus gebildet. Die Altersbestimmung des Hämatoms geht in diesem Fall von dem quasi hautbezogen korrigierten Meßverlauf aus. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Hämatomaltersbestimmung die besagte Auswertung der Meßdaten für mehrere Stellen des Hämatom(rand)bereiches und der benachbarten unversehrten Hautstellen sowie ggf. mehrfach nacheinander durchzufüh­ ren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Anordnung für spektralfotometrische Messungen im VIS/NIR in diffuser Reflexion,

Fig. 2 Remissionsspektren eines artefiziellen Hämatoms (Unterarm, RO4) für verschiedene Hämatomalter, lampenkorrigiert und nach log(1/R) transformiert

Fig. 3 Typische Absorptionsspektren von Bilirubin und Oxyhämoglobin.

Fig. 4 Vorhergesagtes Hämatomalter gegen gemessenes Hämatomalter für die Messung aus Fig. 2, RMSP = 4,8 h.

In Fig. 1 ist schematisch eine an sich bekannte Anordnung für spektralfo­ tometrische Messungen im VIS/NIR in diffuser Reflexion dargestellt. Diese Anordnung liefert Hämatom-Meßdaten, die zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Entstehungszeit des Hämatoms herangezogen werden.

Die breitbandige Strahlung einer Halogenlampe 1 (Wolfram­ halogenlampe) gelangt über ein erstes Glasfaserbündel 2 zu einem Meß­ kopf 3 der als Handgerät aufgebauten Anordnung. Der Meßkopf 3 wird auf eine Hautzone 4 (Hämatom oder benachbarte unversehrte Hautstelle) aufgesetzt, so daß die Hautzone 4 über das Glasfaserbündel 2 mit dem Licht der Halogenlampe 1 bestrahlt wird. Das von der Hautzone 4 diffus reflektierte Licht wird über ein zweites Glasfaserbündel 5 zu einem Diodenarrayspektrometer 6 geleitet, das mit einer rechentechnischen Auswerteeinheit 7 in Verbindung steht. In dem Diodenarrayspektrometer 6 werden Spektralmessungen über den Spektralbereich von ca. 400 nm bis ca. 1000 nm durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Spektralmessungen werden der rechentechnischen Auswerteeinheit 7 zugeführt, in welcher die spektralen Anteile des Hämoglobins und seiner Abbauprodukte, insbesondere Bilirubin und weitere Metabolite des Hämoglobins, ausge­ wertet werden. Die Ermittlung dieser spektralen Anteile erfolgt durch Anwendung an sich zur Konzentrationsmessung aus der Analytischen Chemie bekannter multivariater Kalibrierungsmethoden (siehe eingangs angegebene Beschreibung zum Stand der Technik). In der rechentechnischen Auswerteeinheit 7 sind typische Spektralverläu­ fe von Hämatomen bekannten Alters gespeichert. Zur Altersbestimmung werden die spektralen Meßergebnisse des betreffenden Hämatoms hin­ sichtlich der spektralen Anteile des Hämoglobins und seiner Abbaupro­ dukte, insbesondere Bilirubin und weitere Metabolite des Hämoglobins, mit diesen vorhandenen Referenzverläufen verglichen.

In Fig. 3 sind typische Absorptionsspektren von Bilirubin und Oxyhä­ moglobin dargestellt.

Zur Bestimmung des Hämatomalters werden mit der beschriebenen Meß­ anordnung (Fig. 1) Remissionsspektren im Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis etwa 1000 nm an Hämatomen und benachbarten unver­ sehrten Hautstellen aufgenommen. Es werden jeweils fünf Spektren regi­ striert.

Fig. 2 zeigt die gemittelten Spektren eines Hämatoms für den Zeitraum von 39 h bis 108 h. Die Bereiche der Absorptionsmaxima von Hämoglo­ bin und Bilirubin sind besonders gekennzeichnet. Die mit zunehmenden Hämatomalter abnehmende Lichtdämpfung im Bereich der Hämoglobin­ banden ist zu erkennen, wobei eine Schulterbildung im Bereich der Bi­ lirubinbande auftritt. Neben diesen besonders auffälligen Remissionsän­ derungen sind für die Auswertung der gesamte Spektrenverlauf von Bedeutung.

In Fig. 3 sind die Absorptionsspektren von Bilirubin und Oxyhämoglobin im Wellenlängenbereich 400 nm bis 600 nm dargestellt. Die Wellenlän­ gen der Absorptionsmaxima unterscheiden sich deutlich und bestimmen den Bereich, der für die Auswertung von besonderer Bedeutung ist. Die Transformation und rechnerische Auswertung der Spektren erfolgt wie oben ausgeführt. Als Ergebnis wird das berechnete Hämatomalter bzw. die Aufforderung zur sofortigen Wiederholung der Messung ange­ zeigt. Fig. 4 zeigt den kreuzvalidierten Zusammenhang von berechneten und tatsächlichen Hämatomalter für ein Hämatom. Als Grundlage der Auswertung dienten die in Fig. 2 dargestellten Spektren. Die durchgezo­ gene Linie entspricht einem idealen Zusammenhang, die unterbrochene Linie stellt die Gerade nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate dar.

Bezugszeichenliste

1 Halogenlampe
2 Glasfaserbündel
3 Diodenarray-Spektrometer
4 rechentechnische Auswerteeinheit
5 Meßkopf
6 Hautzone

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Entstehungszeit von Hämatomen, dadurch gekennzeichnet, daß spektralfotometrische Meßdaten, vor­ zugsweise aus den Randzonen des Hämatoms, im Spektralbereich von ca. 400 nm bis ca. 1000 nm auf die spektralen Anteile des Hämoglo­ bins und seiner Abbauprodukte, insbesondere Bilirubin und weitere Metabolite des Hämoglobins, ausgewertet werden und daß diese spektralen Anteile als Maß für die Altersbestimmung des Hämatoms durch Vergleich mit Referenz-Meßdaten von Hämatomen mit bekann­ tem Entstehungszeitpunkt herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektra­ len Anteile des Hämoglobins und seiner Abbauprodukte über an sich bekannte multivariate Kalibrierungsmethoden ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Eliminierung des Einflusses individueller Eigenschaften der Haut­ stelle am Hämatom zusätzlich äquivalente spektralfotometrische Meß­ daten von mindestens einer dem Hämatom benachbarten unversehrten Hautstelle ausgewertet werden, daß aus den spektralfotometrischen Meßwerten am Hämatom sowie an der benachbarten unversehrten Hautstelle der Quotient mit nachfolgender Logarithmierung gebildet wird und daß die Entstehungszeit des Hämatoms ausgehend von diesen korrigierten spektralfotometrischen Meßwerten ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Repro­ duzierbarkeit der Hämatomaltersbestimmung spektralfotometrische Meßdaten von mehreren Stellen im Hämatom und äquivalent dazu von mehreren Stellen der dem Hämatom benachbarten und unversehrten Hautstellen ausgewertet werden, daß für jede dieser lokalen Meß­ ergebnisse jeweils separate Altersbestimmungen durchgeführt werden und daß die Ergebnisse dieser separaten Altersbestimmungen zur Ermittlung der Entstehungszeit des Hämatoms miteinander verglichen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die separa­ ten Altersbestimmungen jeweils mehrfach, vorzugsweise mindestens dreifach, durchgeführt werden.