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)場物證溯源技術(shù)國家工程實驗室， 北京 100038；2. 江西省興國縣公安局， 江西 贛州 342400； 3. 江西省贛州市公安局， 江西 贛州 341000)

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

OCT技術(shù)是一種新型的三維“透視”成像技術(shù)，無需接觸即可重構(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、無損、分辨率高、成像速度快、探測靈敏度高等優(yōu)點，可以獲取傳統(tǒng)成像手段難以獲取的信息。OCT技術(shù)由美國麻省理工學院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行成像的，是一種介觀(微米尺度)組織觀測成像方法。這一方法利用外差靈敏探測和相干選通門的方法，得到反映樣品的精細結(jié)構(gòu)和功能的無損探測斷層圖像。該技術(shù)具有不需對樣品進行任何預處理(如染色標記等)的突出優(yōu)點。更重要的是，它還可以實現(xiàn)光纖化，做成便攜的光學探測裝置。OCT最早的實際應用是用于眼底檢測和診斷，現(xiàn)已進入臨床應用，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，國外逐漸有一些研究小組將OCT技術(shù)引入到法庭科學領(lǐng)域當中[2-4]。

公安部物證鑒定中心自2015年起在國內(nèi)首次引入該技術(shù)，并應用于法庭科學領(lǐng)域。筆者團隊已就該技術(shù)開展多項研究。本文將重點對這些研究內(nèi)容進行綜述性介紹。筆者認為，OCT的無損檢測，減少了對樣品的人為干擾、損傷和污染；OCT的高分辨率，使對樣品信息的測量更加精確；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，使實時成像分析和探測成為可能。

1 光學相干層析成像系統(tǒng)

我們自主設計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。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、計算機采集處理等幾個部分組成。系統(tǒng)縱向分辨率達到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(積分時間設置50 μs)。掃描成像手柄的橫向掃描由一組二維掃描振鏡完成，并實現(xiàn)與CCD幀信號采集同步，最終實現(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)示意圖和手柄實物圖如圖1所示[5]。

2 在法庭科學中的新應用

2.1 油漆物證檢驗

車身油漆碎片及油漆附著物是很多刑事案件現(xiàn)場常見的物證。大多數(shù)車身油漆都采用四層涂層體系，每層油漆的厚度、形貌、成分等都會因車種、車型、出廠批次的不同而有所區(qū)別。因此，通過對車身油漆的檢驗，能夠溯源嫌疑汽車，為案件偵破提供線索，縮小偵查范圍，為確定或排除嫌疑車輛提供科學依據(jù)。OCT技術(shù)被用來對車身油漆物證進行無損、快速、高分辨三維光學斷層成像[6,7]。我們利用上述自主搭建的三維OCT成像系統(tǒng)，對8種不同品牌的紅色車身油漆進行了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、光學衰減系數(shù)、光學散射強度比等量化辨識特征并進行了表征，采用獨立t檢驗對這些特征進行了統(tǒng)計學顯著性差異分析。另外，對內(nèi)部有劃痕的油漆進行了三維OCT體視成像[8]，如圖3所示，劃痕形貌被OCT技術(shù)成功復原。與傳統(tǒng)的檢驗法相比，基于OCT技術(shù)的車身油漆物證檢驗方法無需切片等預處理，可直接得到高分辨率油漆二維斷層和三維體視圖像，檢驗過程簡便高效，而且為油漆物證的同一性認定提供了新的辨識特征。

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)是法庭科學中一個重要問題。但是，犯罪現(xiàn)場發(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)這種類型的指紋，常規(guī)方法通常需要剝離兩塊膠帶或者剝離膠帶和基底，這樣可能對膠帶物證造成損壞，從而破壞粘在其上的指紋或其它生物物證?；贠CT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，從而實現(xiàn)無損顯現(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，無需對物證樣品進行任何剝離處理，可實現(xiàn)無損、快速、高效的物證發(fā)現(xiàn)提取和檢驗分析。

圖4 基于三維OCT成像技術(shù)對夾在雙層膠帶內(nèi)部的潛指紋進行顯現(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 毛囊特征識別

利用生物特征識別技術(shù)進行群體特征規(guī)律研究并推斷個體特征，越來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別新特征。我們嘗試利用OCT技術(shù)來進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)，對志愿者額頭和耳前部位皮膚進行三維體成像，如圖5所示。初步研究結(jié)果顯示，利用三維OCT技術(shù)進行皮膚毛囊成像，突破了傳統(tǒng)成像只能進行二維表面成像分析的限制，有望實現(xiàn)毛囊特征量化分析以及個體特征的初步推斷。

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影像技術(shù)，近幾年剛剛引入到法庭科學物證檢驗分析領(lǐng)域。本文綜述了OCT技術(shù)在法庭科學中的幾個新應用，包括汽車油漆檢驗、膠帶指紋顯現(xiàn)、皮膚毛囊特征分析等，驗證了OCT技術(shù)應用于法庭科學領(lǐng)域的可行性。特別是利用自主設計搭建的三維OCT成像系統(tǒng)，基于其無損、斷層、高速成像的特性，實現(xiàn)了對不同種類物證深度信息的挖掘和分析。隨著研究的進一步深入，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)場勘查中開展相關(guān)應用，為現(xiàn)場物證發(fā)現(xiàn)提取和檢驗分析提供新型、可靠的技術(shù)手段。