張 寧， 鐘依志， 李志剛*， 郭晶晶， 許 磊， 謝蘭遲，晏于文， 侯欣雨， 黃 威， 黎智輝， 許小京， 謝 彬

(1.公安部物證鑒定中心 現(xiàn)場(chǎng)物證溯源技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038；2. 江西省興國(guó)縣公安局， 江西 贛州 342400； 3. 江西省贛州市公安局， 江西 贛州 341000)

法庭科學(xué)是運(yùn)用自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的原理和方法，研究査明事件法律性質(zhì)、發(fā)現(xiàn)犯罪、 揭露犯罪、證實(shí)犯罪及預(yù)防犯罪的科學(xué)技術(shù)手段與方法的綜合性應(yīng)用學(xué)科。法庭科學(xué)的重要工作內(nèi)容就是對(duì)物證進(jìn)行檢驗(yàn)分析，從中提取有價(jià)值的信息和線索，同時(shí)盡可能不破壞物證的原始形態(tài)，保持物證的完整性。光學(xué)影像技術(shù)以其無(wú)損、原位成像的特點(diǎn)，可獲取材料或生物組織的各類(lèi)信息，成為法庭科學(xué)物證檢驗(yàn)分析的重要技術(shù)手段。近年來(lái)，一些新型光學(xué)影像技術(shù)逐漸引入到法庭科學(xué)領(lǐng)域，為物證檢驗(yàn)分析提供了新思路、新方法和新技術(shù)。本文介紹一種新型光學(xué)影像技術(shù)——光學(xué)相干層析技術(shù)(optical coherence tomography, OCT)在法庭科學(xué)中的新應(yīng)用。

OCT技術(shù)是一種新型的三維“透視”成像技術(shù)，無(wú)需接觸即可重構(gòu)出生物組織或材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像。該技術(shù)具有原位、無(wú)損、分辨率高、成像速度快、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以獲取傳統(tǒng)成像手段難以獲取的信息。OCT技術(shù)由美國(guó)麻省理工學(xué)院Fujimoto教授研究小組率先提出并研制成功[1]。它是利用生物組織散射光相位相干原理進(jìn)行成像的，是一種介觀(微米尺度)組織觀測(cè)成像方法。這一方法利用外差靈敏探測(cè)和相干選通門(mén)的方法，得到反映樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能的無(wú)損探測(cè)斷層圖像。該技術(shù)具有不需對(duì)樣品進(jìn)行任何預(yù)處理(如染色標(biāo)記等)的突出優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，它還可以實(shí)現(xiàn)光纖化，做成便攜的光學(xué)探測(cè)裝置。OCT最早的實(shí)際應(yīng)用是用于眼底檢測(cè)和診斷，現(xiàn)已進(jìn)入臨床應(yīng)用，主要功能是眼底視網(wǎng)膜高分辨成像，為眼底疾病診斷提供了一種新手段。近年來(lái)，國(guó)外逐漸有一些研究小組將OCT技術(shù)引入到法庭科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中[2-4]。

公安部物證鑒定中心自2015年起在國(guó)內(nèi)首次引入該技術(shù)，并應(yīng)用于法庭科學(xué)領(lǐng)域。筆者團(tuán)隊(duì)已就該技術(shù)開(kāi)展多項(xiàng)研究。本文將重點(diǎn)對(duì)這些研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜述性介紹。筆者認(rèn)為，OCT的無(wú)損檢測(cè)，減少了對(duì)樣品的人為干擾、損傷和污染；OCT的高分辨率，使對(duì)樣品信息的測(cè)量更加精確；OCT的斷層掃描，使其突破了傳統(tǒng)顯微鏡只能看表面形貌的限制；OCT的高速成像，使實(shí)時(shí)成像分析和探測(cè)成為可能。

1 光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)

我們自主設(shè)計(jì)并搭建了一套光纖化頻域三維OCT成像系統(tǒng)(spectral-domain OCT，SD-OCT)。頻域OCT系統(tǒng)具有成像速度快、信噪比高、相位穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)由寬帶光源、環(huán)形器、耦合器、參考臂、樣品臂、光譜儀、計(jì)算機(jī)采集處理等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)縱向分辨率達(dá)到6 μm(空氣中)，橫向分辨率12 μm，最大成像速度70 kHz(線掃描速率)。系統(tǒng)采用的寬帶近紅外光源中心波長(zhǎng)832 nm，半高全寬60.4 nm，發(fā)射功率13 mW，照射到樣品上的功率約6 mW。系統(tǒng)信噪比為100 dB(積分時(shí)間設(shè)置50 μs)。掃描成像手柄的橫向掃描由一組二維掃描振鏡完成，并實(shí)現(xiàn)與CCD幀信號(hào)采集同步，最終實(shí)現(xiàn)三維體數(shù)據(jù)采集。掃描控制、數(shù)據(jù)采集和圖像顯示功能使用自主編寫(xiě)的一套程序?qū)崿F(xiàn)。所搭建的OCT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖和手柄實(shí)物圖如圖1所示[5]。

2 在法庭科學(xué)中的新應(yīng)用

2.1 油漆物證檢驗(yàn)

車(chē)身油漆碎片及油漆附著物是很多刑事案件現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的物證。大多數(shù)車(chē)身油漆都采用四層涂層體系，每層油漆的厚度、形貌、成分等都會(huì)因車(chē)種、車(chē)型、出廠批次的不同而有所區(qū)別。因此，通過(guò)對(duì)車(chē)身油漆的檢驗(yàn)，能夠溯源嫌疑汽車(chē)，為案件偵破提供線索，縮小偵查范圍，為確定或排除嫌疑車(chē)輛提供科學(xué)依據(jù)。OCT技術(shù)被用來(lái)對(duì)車(chē)身油漆物證進(jìn)行無(wú)損、快速、高分辨三維光學(xué)斷層成像[6,7]。我們利用上述自主搭建的三維OCT成像系統(tǒng)，對(duì)8種不同品牌的紅色車(chē)身油漆進(jìn)行了OCT成像，斷層成像結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹?，不同品牌車(chē)身油漆的斷層結(jié)構(gòu)均存在差異。根據(jù)這些OCT圖像，提取了光程、光學(xué)衰減系數(shù)、光學(xué)散射強(qiáng)度比等量化辨識(shí)特征并進(jìn)行了表征，采用獨(dú)立t檢驗(yàn)對(duì)這些特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異分析。另外，對(duì)內(nèi)部有劃痕的油漆進(jìn)行了三維OCT體視成像[8]，如圖3所示，劃痕形貌被OCT技術(shù)成功復(fù)原。與傳統(tǒng)的檢驗(yàn)法相比，基于OCT技術(shù)的車(chē)身油漆物證檢驗(yàn)方法無(wú)需切片等預(yù)處理，可直接得到高分辨率油漆二維斷層和三維體視圖像，檢驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)便高效，而且為油漆物證的同一性認(rèn)定提供了新的辨識(shí)特征。

圖1 自主搭建的三維OCT成像系統(tǒng)示意圖(左)和掃描成像手柄實(shí)物圖(右)[5]The schematic of self-established 3D OCT imaging system (left) and the photograph of the scanning handle (right)[5]

圖2 8種不同品牌的紅色車(chē)身油漆OCT斷層圖像[6]The OCT images of red car body paint of 8 different brands[6]

圖3 基于三維OCT成像技術(shù)對(duì)油漆內(nèi)部損傷區(qū)域定位重建[8](a) 有劃痕的油漆；(b) 重新噴涂劃痕部位的油漆；(c) 重新噴涂油漆的三維OCT圖像；(d) 從三維OCT圖像中提取的內(nèi)部橫截面圖像Locating and reconstructing the damaged area inside the paint based on 3D OCT[8](a) The scratched paint; (b) the repainted paint; (c) 3D OCT image of repainted paint; (d) internal cross-sectional image of 3D OCT image

2.2 膠帶指紋顯現(xiàn)

膠帶上的指紋顯現(xiàn)是法庭科學(xué)中一個(gè)重要問(wèn)題。但是，犯罪現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)和提取的膠帶經(jīng)常多層粘在一起，或者粘在某基底上，因此，指紋就被夾在膠帶中間或者膠帶和基底之間。提取顯現(xiàn)這種類(lèi)型的指紋，常規(guī)方法通常需要?jiǎng)冸x兩塊膠帶或者剝離膠帶和基底，這樣可能對(duì)膠帶物證造成損壞，從而破壞粘在其上的指紋或其它生物物證。基于OCT的斷層成像特性，OCT技術(shù)可以獲取樣品內(nèi)部深度方向信息，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損顯現(xiàn)夾在膠帶之間或膠帶和基底之間的潛指紋[9,10]。如圖4所示，利用三維OCT成像系統(tǒng)，將分別夾在兩層紅色電工膠帶、黃色封箱膠帶和透明膠帶的三枚潛指紋恢復(fù)重現(xiàn)。另外，利用OCT技術(shù)，還成功提取顯現(xiàn)了夾在不同膠帶和不同基底(即紅色電工膠帶和三根纏繞電線、黃色封箱膠帶和一塊白色紙板、四層透明膠帶和一塊白布)之間的潛指紋。上述結(jié)果表明，OCT成像技術(shù)可以有效探測(cè)到隱藏在膠帶之間以及膠帶與粘附基底之間的潛指紋信息，同時(shí)，無(wú)需對(duì)物證樣品進(jìn)行任何剝離處理，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損、快速、高效的物證發(fā)現(xiàn)提取和檢驗(yàn)分析。

圖4 基于三維OCT成像技術(shù)對(duì)夾在雙層膠帶內(nèi)部的潛指紋進(jìn)行顯現(xiàn)[9](a) 兩層電工膠帶樣品的三維OCT圖像；(b) 兩層封箱膠帶樣品的三維OCT圖像；(c) 兩層透明膠帶樣品的三維OCT圖像；(d) 夾在兩層電工膠帶樣品中的潛指紋圖像(深度213 μm)；(e) 夾在兩層封箱膠帶樣品中的潛指紋圖像(深度103 μm)；(f) 夾在兩層透明膠帶樣品中的潛指紋圖像(深度89 μm)3D OCT images of latent fingerprint on double-layer adhesive tape interior[9] (a) 3D OCT images of two layers of electrical tapes; (b) 3D OCT images of two layers of packing tapes; (c) 3D OCT images of two layers of transparent tapes; (d) 3D OCT image of latent fingerprint on electrical tapes (depth: 213 μm); (e) 3D OCT image of latent fingerprint on packing tapes (depth: 103 μm) and (f) 3D OCT image of latent fingerprint on transparent tapes (depth: 89 μm)

2.3 毛囊特征識(shí)別

利用生物特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行群體特征規(guī)律研究并推斷個(gè)體特征，越來(lái)越受到研究者們的重視。由于皮膚毛囊遍布全身，且各部位之間毛囊分布密度和形態(tài)都有顯著差異，因此毛囊是一種蘊(yùn)含信息量極大的生物特征。因其滿足普遍性、穩(wěn)定性、可區(qū)別性、可采集性的要求，有望成為一種生物識(shí)別新特征。我們嘗試?yán)肙CT技術(shù)來(lái)進(jìn)行三維皮膚毛囊特征的采集和提取[5]。利用自主搭建的三維OCT成像系統(tǒng)，對(duì)志愿者額頭和耳前部位皮膚進(jìn)行三維體成像，如圖5所示。初步研究結(jié)果顯示，利用三維OCT技術(shù)進(jìn)行皮膚毛囊成像，突破了傳統(tǒng)成像只能進(jìn)行二維表面成像分析的限制，有望實(shí)現(xiàn)毛囊特征量化分析以及個(gè)體特征的初步推斷。

圖5 基于三維OCT成像技術(shù)的皮膚毛囊成像[5](a) 皮膚三維OCT圖像；(b) 表面拉平后的三維OCT圖像；(c) 皮膚毛囊的橫截面OCT圖像； (d) 標(biāo)記毛囊后的三維OCT圖像Skin follicle imaging based on 3D OCT[5](a) 3D OCT images of human skin; (b) 3D OCT images of leveled skin; (c) OCT images of skin follicles cross section; (d) OCT images of labeled skin follicles

3 總結(jié)與展望

OCT技術(shù)作為一種新型的光學(xué)影像技術(shù)，近幾年剛剛引入到法庭科學(xué)物證檢驗(yàn)分析領(lǐng)域。本文綜述了OCT技術(shù)在法庭科學(xué)中的幾個(gè)新應(yīng)用，包括汽車(chē)油漆檢驗(yàn)、膠帶指紋顯現(xiàn)、皮膚毛囊特征分析等，驗(yàn)證了OCT技術(shù)應(yīng)用于法庭科學(xué)領(lǐng)域的可行性。特別是利用自主設(shè)計(jì)搭建的三維OCT成像系統(tǒng)，基于其無(wú)損、斷層、高速成像的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同種類(lèi)物證深度信息的挖掘和分析。隨著研究的進(jìn)一步深入，OCT技術(shù)還將朝著小型化、便攜化、超高分辨和超高速方向發(fā)展，可在現(xiàn)場(chǎng)勘查中開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用，為現(xiàn)場(chǎng)物證發(fā)現(xiàn)提取和檢驗(yàn)分析提供新型、可靠的技術(shù)手段。