光学相干层析技术在法庭科学中的新应用

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张宁^1,2, 钟依志³, 李志刚¹, 郭晶晶¹, 许磊¹, 谢兰迟¹, 晏于文¹, 侯欣雨¹, 黄威¹, 黎智辉¹, 许小京¹, 谢彬²
1. 公安部物证鉴定中心现场物证溯源技术国家工程实验室, 北京 100038;
2. 江西省兴国县公安局, 江西赣州 342400;
3. 江西省赣州市公安局, 江西赣州 341000
2018-12-04 收稿, 2018-12-10 录用
国家自然科学基金（61505034）、江西省经济犯罪侦查与防控技术协同创新中心开放课题（JXJZXTCX-020）和中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（2018JB031）资助
^*通讯作者: 李志刚, E-mail: zgli505@sina.com

摘要: 光学影像技术是法庭科学物证检验分析的重要技术手段，具有无损、原位、快速等优势。近年来，随着光学影像技术的不断发展，一些新技术、新方法不断被引入法庭科学领域并付诸应用。光学相干层析技术（简称OCT技术）是一种光学断层成像技术，具有无损、高分辨、快速、断层成像的特点，特别是其可以无损地得到材料或生物组织内部的结构信息，突破了传统二维成像只能进行物质表面分析的局限，因此可成为一种很有前景的新型法庭科学光学影像技术。本文首先介绍了自主搭建的一套三维OCT成像系统，并着重介绍了基于该系统应用于法庭科学油漆物证检验、胶带指纹显现和毛囊特征分析等方面的研究。结果表明，OCT技术非常适合用于法庭科学物证检验分析，作为其他检验的先导技术手段，获取样品内部信息，提取新型光学特征参数。由于其采用光纤化技术，还有望实现便携化、小型化，在现场勘查中开展相关应用。
关键词: 光学相干层析技术法庭科学油漆检验指纹显现毛囊成像
The Novel Application of Optical Coherence Tomography in Forensic Investigation
ZHANG Ning^1,2, ZHONG Yizhi³, LI Zhigang¹, GUO Jingjing¹, XU Lei¹, XIE Lanchi¹, YAN Yuwen¹, HOU Xinyu¹, HUANG Wei¹, LI Zhihui¹, XU Xiaojing¹, XIE Bin²
1. National Engineering Laboratory for Forensic Science, Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, P. R. China;
2. Xingguo County Public Security Bureau, Ganzhou 342400, Jiangxi, P. R. China;
3. Ganzhou City Public Security Bureau, Ganzhou 341000, Jiangxi, P. R. China
^*Corresponding author: LI Zhigang, E-mail: zgli505@sina.com
Abstract: Optical imaging technology is important for the detection and examination of physical evidence, and has the advantages of non-destructive, in situ and rapid analysis. In recent years, with the continuous development of optical imaging technology, some new techniques and methods have been introduced into the forensic science and put into application. Optical coherence tomography (OCT) is new in forensics and performs high-resolution, cross-sectional tomographic imaging of the internal microstructure in materials and tissues, and without any damages to the evidence. This paper first introduces a custom-built three-dimensional OCT imaging system, and then presents three novel applications by utilizing this system, including car paint analysis, latent fingerprint visualizing and hair follicle analysis. These results show that OCT technology is very suitable for physical evidence examination because of its characteristics of non-destructive high-resolution subsurface imaging. As a novel technology for forensic investigation, OCT imaging obtains internal structural information and new optical features of samples and extracts. In the future, it is expected to be portable and miniaturized and be applied in crime scene investigation.
Key words: optical coherence tomographyforensic sciencepaint examinationlatent fingerprint developmenthair follicles imaging
法庭科学是运用自然科学和社会科学的原理和方法，研究査明事件法律性质、发现犯罪、揭露犯罪、证实犯罪及预防犯罪的科学技术手段与方法的综合性应用学科。法庭科学的重要工作内容就是对物证进行检验分析，从中提取有价值的信息和线索，同时尽可能不破坏物证的原始形态，保持物证的完整性。光学影像技术以其无损、原位成像的特点，可获取材料或生物组织的各类信息，成为法庭科学物证检验分析的重要技术手段。近年来，一些新型光学影像技术逐渐引入到法庭科学领域，为物证检验分析提供了新思路、新方法和新技术。本文介绍一种新型光学影像技术——光学相干层析技术(optical coherence tomography, OCT)在法庭科学中的新应用。
OCT技术是一种新型的三维“透视”成像技术，无需接触即可重构出生物组织或材料内部结构的三维图像。该技术具有原位、无损、分辨率高、成像速度快、探测灵敏度高等优点，可以获取传统成像手段难以获取的信息。OCT技术由美国麻省理工学院Fujimoto教授研究小组率先提出并研制成功^[1]。它是利用生物组织散射光相位相干原理进行成像的，是一种介观(微米尺度)组织观测成像方法。这一方法利用外差灵敏探测和相干选通门的方法，得到反映样品的精细结构和功能的无损探测断层图像。该技术具有不需对样品进行任何预处理(如染色标记等)的突出优点。更重要的是，它还可以实现光纤化，做成便携的光学探测装置。OCT最早的实际应用是用于眼底检测和诊断，现已进入临床应用，主要功能是眼底视网膜高分辨成像，为眼底疾病诊断提供了一种新手段。近年来，国外逐渐有一些研究小组将OCT技术引入到法庭科学领域当中^[2-4]。
公安部物证鉴定中心自2015年起在国内首次引入该技术，并应用于法庭科学领域。笔者团队已就该技术开展多项研究。本文将重点对这些研究内容进行综述性介绍。笔者认为，OCT的无损检测，减少了对样品的人为干扰、损伤和污染；OCT的高分辨率，使对样品信息的测量更加精确；OCT的断层扫描，使其突破了传统显微镜只能看表面形貌的限制；OCT的高速成像，使实时成像分析和探测成为可能。
1 光学相干层析成像系统我们自主设计并搭建了一套光纤化频域三维OCT成像系统(spectral-domain OCT，SD-OCT)。频域OCT系统具有成像速度快、信噪比高、相位稳定的优势。该系统由宽带光源、环形器、耦合器、参考臂、样品臂、光谱仪、计算机采集处理等几个部分组成。系统纵向分辨率达到6 μm(空气中)，横向分辨率12 μm，最大成像速度70 kHz(线扫描速率)。系统采用的宽带近红外光源中心波长832 nm，半高全宽60.4 nm，发射功率13 mW，照射到样品上的功率约6 mW。系统信噪比为100 dB(积分时间设置50 μs)。扫描成像手柄的横向扫描由一组二维扫描振镜完成，并实现与CCD帧信号采集同步，最终实现三维体数据采集。扫描控制、数据采集和图像显示功能使用自主编写的一套程序实现。所搭建的OCT系统结构示意图和手柄实物图如图 1所示^[5]。
图 1

图 1 自主搭建的三维OCT成像系统示意图(左)和扫描成像手柄实物图(右)^[5] The schematic of self-established 3D OCT imaging system (left) and the photograph of the scanning handle (right)^[5]

2 在法庭科学中的新应用2.1 油漆物证检验车身油漆碎片及油漆附着物是很多刑事案件现场常见的物证。大多数车身油漆都采用四层涂层体系，每层油漆的厚度、形貌、成分等都会因车种、车型、出厂批次的不同而有所区别。因此，通过对车身油漆的检验，能够溯源嫌疑汽车，为案件侦破提供线索，缩小侦查范围，为确定或排除嫌疑车辆提供科学依据。OCT技术被用来对车身油漆物证进行无损、快速、高分辨三维光学断层成像^{[6, 7]}。我们利用上述自主搭建的三维OCT成像系统，对8种不同品牌的红色车身油漆进行了OCT成像，断层成像结果如图 2所示。可以看到，不同品牌车身油漆的断层结构均存在差异。根据这些OCT图像，提取了光程、光学衰减系数、光学散射强度比等量化辨识特征并进行了表征，采用独立t检验对这些特征进行了统计学显著性差异分析。另外，对内部有划痕的油漆进行了三维OCT体视成像^[8]，如图 3所示，划痕形貌被OCT技术成功复原。与传统的检验法相比，基于OCT技术的车身油漆物证检验方法无需切片等预处理，可直接得到高分辨率油漆二维断层和三维体视图像，检验过程简便高效，而且为油漆物证的同一性认定提供了新的辨识特征。
图 2

图 2 8种不同品牌的红色车身油漆OCT断层图像^[6] The OCT images of red car body paint of 8 different brands^[6]

图 3

图 3 基于三维OCT成像技术对油漆内部损伤区域定位重建^[8] (a)有划痕的油漆；(b)重新喷涂划痕部位的油漆；(c)重新喷涂油漆的三维OCT图像；(d)从三维OCT图像中提取的内部横截面图像 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 胶带指纹显现胶带上的指纹显现是法庭科学中一个重要问题。但是，犯罪现场发现和提取的胶带经常多层粘在一起，或者粘在某基底上，因此，指纹就被夹在胶带中间或者胶带和基底之间。提取显现这种类型的指纹，常规方法通常需要剥离两块胶带或者剥离胶带和基底，这样可能对胶带物证造成损坏，从而破坏粘在其上的指纹或其它生物物证。基于OCT的断层成像特性，OCT技术可以获取样品内部深度方向信息，从而实现无损显现夹在胶带之间或胶带和基底之间的潜指纹^{[9, 10]}。如图 4所示，利用三维OCT成像系统，将分别夹在两层红色电工胶带、黄色封箱胶带和透明胶带的三枚潜指纹恢复重现。另外，利用OCT技术，还成功提取显现了夹在不同胶带和不同基底(即红色电工胶带和三根缠绕电线、黄色封箱胶带和一块白色纸板、四层透明胶带和一块白布)之间的潜指纹。上述结果表明，OCT成像技术可以有效探测到隐藏在胶带之间以及胶带与粘附基底之间的潜指纹信息，同时，无需对物证样品进行任何剥离处理，可实现无损、快速、高效的物证发现提取和检验分析。
图 4

图 4 基于三维OCT成像技术对夹在双层胶带内部的潜指纹进行显现^[9] (a)两层电工胶带样品的三维OCT图像；(b)两层封箱胶带样品的三维OCT图像；(c)两层透明胶带样品的三维OCT图像；(d)夹在两层电工胶带样品中的潜指纹图像(深度213 μm)；(e)夹在两层封箱胶带样品中的潜指纹图像(深度103 μm)；(f)夹在两层透明胶带样品中的潜指纹图像(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 毛囊特征识别利用生物特征识别技术进行群体特征规律研究并推断个体特征，越来越受到研究者们的重视。由于皮肤毛囊遍布全身，且各部位之间毛囊分布密度和形态都有显著差异，因此毛囊是一种蕴含信息量极大的生物特征。因其满足普遍性、稳定性、可区别性、可采集性的要求，有望成为一种生物识别新特征。我们尝试利用OCT技术来进行三维皮肤毛囊特征的采集和提取^[5]。利用自主搭建的三维OCT成像系统，对志愿者额头和耳前部位皮肤进行三维体成像，如图 5所示。初步研究结果显示，利用三维OCT技术进行皮肤毛囊成像，突破了传统成像只能进行二维表面成像分析的限制，有望实现毛囊特征量化分析以及个体特征的初步推断。
图 5

图 5 基于三维OCT成像技术的皮肤毛囊成像^[5] (a)皮肤三维OCT图像；(b)表面拉平后的三维OCT图像；(c)皮肤毛囊的横截面OCT图像；(d)标记毛囊后的三维OCT图像 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 总结与展望OCT技术作为一种新型的光学影像技术，近几年刚刚引入到法庭科学物证检验分析领域。本文综述了OCT技术在法庭科学中的几个新应用，包括汽车油漆检验、胶带指纹显现、皮肤毛囊特征分析等，验证了OCT技术应用于法庭科学领域的可行性。特别是利用自主设计搭建的三维OCT成像系统，基于其无损、断层、高速成像的特性，实现了对不同种类物证深度信息的挖掘和分析。随着研究的进一步深入，OCT技术还将朝着小型化、便携化、超高分辨和超高速方向发展，可在现场勘查中开展相关应用，为现场物证发现提取和检验分析提供新型、可靠的技术手段。

参考文献

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