圖像分析處理技術(shù)在法醫(yī)學中的應(yīng)用

張惠芹, 苗國華, 李賓斯

(1.中國人民公安大學,北京 100038;2.北京市豐臺公安分局物證鑒定所,北京 100072;3.首都醫(yī)科大學附屬復興醫(yī)院,北京 100038)

0 引言

法醫(yī)學涉及到大量形態(tài)學的研究對象。以往法醫(yī)學中對形態(tài)學的觀察與分析基本上是采用主觀的、定性的方法,缺乏精確而更為客觀的定量標準。圖像分析處理技術(shù)的出現(xiàn)彌補了這個不足。隨著電子計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展,這一技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于法醫(yī)學的實踐當中。其應(yīng)用范圍除了常規(guī)的記錄、儲存、簡單處理外,主要分為以下三個方面:圖像比對、圖像重建、圖像測算。

1 圖像比對在法醫(yī)學中的應(yīng)用

同一認定是刑事技術(shù)的主要內(nèi)容之一。同一認定是指具有專門知識、經(jīng)驗的人,通過對案件中多次出現(xiàn)的物品、物質(zhì)或痕跡進行比較、分析,判斷其是否來源于同一個客體的認識活動。傳統(tǒng)的比對方法主要是對物體進行照相、錄像、靜電吸附等方式記錄后,用手工的方法與特定部位進行比對,這一過程繁瑣復雜,耗時費力,受到檢驗者主觀因素和檢材記錄方式的影響[1]。而圖像分析處理技術(shù)應(yīng)用于圖像比對后,這一過程變得簡捷、客觀很多。法醫(yī)學中主要的圖像比對包括創(chuàng)口形態(tài)與致傷物的比對、X片與 CT片等之間的比對、普通照片之間的比對以及X片與普通照片之間的比對等。

1.1 創(chuàng)口形態(tài)與致傷物的比對

創(chuàng)口形態(tài)與致傷物的比對可以認定致傷物。形態(tài)簡單的創(chuàng)口往往只能用于推斷致傷物的種類。而形態(tài)復雜的創(chuàng)口通過和致傷物的比對,可以做出同一認定,如咬痕。陳曉剛等[1]曾提取咬痕 5個,并為其中一個咬痕提供者制作了牙模,將咬痕與牙模圖像一同輸入計算機,利用 photoshop軟件調(diào)整圖片,將咬痕與牙模圖像一一重合。在盲法比對的情況下,1號咬痕與牙模良好吻合,比對結(jié)果正確無誤。而孫大宏等[2]不限于單純的圖像重合肉眼比對,他們采用數(shù)字化分析方法對人牙咬痕及 8名 “疑犯”牙列模型進行雙盲法分析實驗,用 Photoshop 5.5將獲得的咬痕掃描圖像生成覆蓋圖,進一步用 Auto-Cad R14工程測量軟件分析各項參數(shù),比較人牙咬痕和“疑犯”牙列參數(shù)的匹配性。結(jié)果人牙咬痕及“疑犯”牙列模型數(shù)據(jù)化分析的各項參數(shù)結(jié)果也是一致的。

1.2 放射影像資料之間的比對

放射影像資料之間的比對的問題經(jīng)常出現(xiàn)在法醫(yī)學實踐中。1927年 Culbert和 Law[3]首次成功地使用生前和死后頭部 X光片進行了同一認定,從而對一具死后 260余天的腐敗、肢解的尸體進行了個人識別。1987年 Yoshino等[4]建立了一種標準系統(tǒng),利用 X片中額竇的面積、對稱性、上輪廓線、部分間隔、氣室完整性等進行生前和死后頭顱 X片的同一認定。國內(nèi)依偉力、李寒松[5]曾對男性頭部側(cè)位 X線片 1998年、2001年 2張;不相關(guān)男性 38張頭部側(cè)位 X線片做過研究。他們采用的是將被鑒定人頭部側(cè)位 X線片梨狀孔以下部分透射在硫酸紙上,并描出形態(tài)圖,對形態(tài)圖采用手工測量的方法進行研究。現(xiàn)在醫(yī)院普遍能夠使用 CR照片,直接采用計算機圖像,或?qū)?X平片掃描輸入計算機,選取一定的指標通過軟件測量來比對認定無疑要簡便許多,也可利用圖像重合法尋找一定的識別點進行比對[6]。

1.3 照片之間的比對

照片之間的同一認定在法醫(yī)學中應(yīng)用較少,其主要方法是利用 photoshop圖像處理軟件,在樣本和檢材圖像上截取相同的景物區(qū)域,并將檢材圖像上截取的區(qū)域還原成樣本圖像上截取的區(qū)域大小,進行重疊比對[7]。

1.4 放射影像資料與照片之間的比對

放射影像資料與普通照片之間的比對在法醫(yī)人類學中被廣泛應(yīng)用,這就是顱像重合技術(shù)(Superposition technique)。以往進行顱像重合主要采用的是手工顱像重合的方法。隨著計算機圖像處理技術(shù)的發(fā)展,采用計算機輔助來實現(xiàn)顱像重合已經(jīng)成為可能。計算機輔助顱像重合是指應(yīng)用虛擬顏面解剖方式,實現(xiàn)解剖投影的平面數(shù)據(jù)指標與重合照片進行自動測量比較的輔助手段,通過對三維顱骨的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作,準確標出被檢顱骨與被檢照片面部的標志點與標志線,檢查顱骨輪廓曲線和照片人像輪廓曲線形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。實現(xiàn)計算機輔助的三維顱骨與二維照片結(jié)合的顱像重合,可大大縮減顱像重合的時間和代價,同時提高了顱像重合精度[8]?，F(xiàn)在已有顱像重合專用的計算機處理設(shè)備投入使用,如 TLGA-213顱骨身源鑒定儀,也有很多利用該技術(shù)重合鑒定成功的報道[8-9]。

2 圖像重建在法醫(yī)學中的應(yīng)用

圖像分析處理技術(shù)的重建功能在法醫(yī)學中的主要應(yīng)用是命案現(xiàn)場重建與顱骨面貌的復原。

2.1 圖像重建在命案現(xiàn)場重建中的應(yīng)用

現(xiàn)場的重建以往采用的是手工繪制現(xiàn)場平面圖的方式。但是手工繪制的方法費時費力,空間感差,易遺漏現(xiàn)場細節(jié),補充勘查發(fā)現(xiàn)的情況也不容易補充進圖中?，F(xiàn)在現(xiàn)場圖的繪制越來越多的采用計算機繪制。常用的軟件如 AutoCad,其操作簡單,效果鮮明,空間感強,易于修改,以它為基礎(chǔ)開發(fā)的各類專用現(xiàn)場圖繪制軟件,加入了大量命案現(xiàn)場圖繪制常用的圖例,可以輕松繪制現(xiàn)場平面圖以及立體剖面圖,較為真實完整地再現(xiàn)命案現(xiàn)場。但是沒有解決必須在現(xiàn)場丈量出所有數(shù)據(jù)并繪草圖所帶來的一系列問題。北京市刑事科學技術(shù)研究所與北京科技大學計算機系合作,開發(fā)研制的計算機刑事案件現(xiàn)場圖測繪系統(tǒng),利用一個普通相機或攝像機對現(xiàn)場不同地點和角度攝取若干張照片,將照片掃描成數(shù)字化圖像輸入計算機中經(jīng)圖像量測程序系統(tǒng)點取相片坐標,經(jīng)立體重建程序系統(tǒng)計算出現(xiàn)場各特征點的三維坐標,最后由繪圖程序系統(tǒng)繪制出所需的現(xiàn)場平面圖、方位圖和立體圖。該系統(tǒng)利用現(xiàn)場照片重建現(xiàn)場圖,極大地減少了現(xiàn)場工作量,并保證了繪圖的準確性和規(guī)范化[10]。

2.2 圖像重建在顱骨面貌復原中的應(yīng)用

顱骨面貌復原技術(shù)起源于 19世紀后半期,它是一門以顱骨為基礎(chǔ),以面部軟組織厚度為依據(jù),面向身份認證的科學技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,面貌復原的手段也從二維復原發(fā)展到了三維復原,從手工復原發(fā)展到了計算機輔助復原?，F(xiàn)在手工三維雕塑復原應(yīng)用較為廣泛,而計算機輔助的三維復原系統(tǒng)是目前研究的熱點。在計算機復原系統(tǒng)上,首先要把顱骨圖像三維數(shù)字化,然后,把一個從數(shù)據(jù)庫中檢索出來的早已數(shù)字化的面部,像面罩一樣蓋在空間的顱骨上,同時調(diào)整面部軟組織厚度以適合其下面顱骨的特征。最后,通過三維的顯示手法,在計算機的屏幕上給出具有光照效果的、可從多角度觀察的復原體面貌圖像。計算機輔助三維復原比手工復原技術(shù)快得多并且更靈活,而且無須對面部器官做太大變動就可產(chǎn)生符合原來顱骨的多幅面部圖像。為了提高認證率,可以產(chǎn)生一系列可能的面部。同時,這樣也可以避免主觀因素帶來的偏差[11]。

3 圖像測算在法醫(yī)學中的應(yīng)用

圖像測算功能在法醫(yī)學中的應(yīng)用最為廣泛。圖像分析處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對圖像的特定區(qū)域進行長度測量、面積計算、數(shù)量統(tǒng)計、灰度測算等功能,可以用于死亡時間推斷、年齡推斷、免疫組化顯色反應(yīng)定量、法醫(yī)臨床鑒定等方面。

3.1 圖像測算在死亡時間推斷中的應(yīng)用

在死亡時間推斷的研究中,測定細胞 DNA含量推斷死亡時間逐漸成為研究的熱點。從 20世紀 70年代起,國外一些科學家陸續(xù)通過各種方法研究證明細胞 DNA含量隨死亡時間延長而下降[12-14]。在國內(nèi),1989年齊鳳英等率先驗證了上述研究[15]。然而他們所采用的研究方法多是顯微分光光度法、流式細胞術(shù)等方法,其樣品的處理過程比較復雜,儀器操作及調(diào)試需要有較高的專業(yè)性,儀器設(shè)備也較昂貴,難以在一般的實驗室推廣。隨著計算機及圖像分析技術(shù)的發(fā)展,2000年國內(nèi)劉良等[16-18]首次利用計算機圖像分析處理技術(shù),對大鼠死后組織細胞 DNA含量變化與死亡時間的關(guān)系進行了一系列研究,其結(jié)果令人滿意。同傳統(tǒng)方法相比,利用 IAT對 DNA含量進行定量分析推斷死亡時間,具有方法簡便、經(jīng)濟、測量準確、客觀性強、重復性好、設(shè)置參數(shù)多、數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理及輸出自動化等優(yōu)點,給法醫(yī)學早期死亡時間的推斷提供了一種嶄新的、富有前景的方法。但也存在一些問題,如各實驗結(jié)果的可比性、重復性差,有些會導致結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差,仍需進一步提出規(guī)范化的工作流程及判斷標準[19]。

3.2 圖像測算在個體年齡推斷中的應(yīng)用

個體年齡推斷現(xiàn)在多采用 X線檢查、顯微鏡檢測、生化檢測等手段進行。徐小虎等[20]曾研究過將圖像分析技術(shù)應(yīng)用于牙齒推斷年齡,認為圖像分析測量法較能客觀反映實際情況,所有的指標數(shù)據(jù)均靠實際測量獲得(面積以 mm2、長度以 mm為單位),受主觀因素的影響較小,所提的數(shù)據(jù)更易于準確。而且,圖像分析測量法所得數(shù)據(jù)也較易同其它測量法數(shù)據(jù)相比較,對于推廣運用有重復性高的優(yōu)點。但實際上限于當時計算機功能和圖像處理技術(shù)水平的限制,這一方法并未廣泛應(yīng)用。

3.3 圖像測算在免疫組化中的應(yīng)用

免疫組化是利用抗原與抗體特異性結(jié)合的原理,通過化學反應(yīng)使標記抗體的顯色劑 (熒光素、酶、金屬離子、同位素)顯色來確定組織細胞內(nèi)抗原(多肽和蛋白質(zhì)),對其進行定位、定性及定量的研究,已成為法醫(yī)病理學中常規(guī)使用的一種技術(shù)。對免疫組化染色結(jié)果的判定,通常采用人工計數(shù)染色陽性細胞百分比半定量記錄及應(yīng)用圖像分析處理技術(shù)測定染色陽性面積、平均光密度、積分光密度等指標進行定量分析兩種方法。于萍等[21]對這兩種方法的客觀性和準確性進行了研究,認為人工計數(shù)法結(jié)果的代表性較好,且較簡單易操作,對切片的要求也較低,適用于樣本量較多的科研工作及臨床病理學診斷。但易受主觀因素的干擾,結(jié)果的精確性也不盡人意。而圖像分析處理技術(shù)對免疫組化染色結(jié)果的判定更客觀,人為因素干擾較少,而且由于計算機對顏色的分辨率比人眼高,因此它的判斷更準確,但對設(shè)備條件以及切片的要求較高?？傮w來說,圖像分析處理技術(shù)的結(jié)果較客觀、精確,重復性好,可比較性強,是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椉夹g(shù)。

3.4 圖像測算在法醫(yī)臨床鑒定中的應(yīng)用

圖像分析處理技術(shù)的圖像測算功能還可應(yīng)用于法醫(yī)臨床鑒定計算人體損傷面積,尤其是形態(tài)較為復雜的燒傷,傳統(tǒng)使用九分法、手掌法、坐標紙法等。這些方法雖然簡單,但效率低,誤差大(特別是見于某些損傷部位的大小恰好位于輕重傷臨界狀態(tài)的案例),由此給實際應(yīng)用帶來很大的困難[22]。1995年于曉軍等[23]首先研究了利用計算機計算損傷面積的軟件,限于當時條件采用的是鼠標繪損傷圖,計算充填光點數(shù)為面積的方式,較為煩瑣也不夠精確。1996年沈渭忠[24]研究了以攝像頭和掃描儀為輸入源,鼠標勾勒損傷輪廓,自動計算損傷面積的方法。較于曉軍等的方法,數(shù)據(jù)輸入及計算結(jié)果更加精確。近十年來圖像處理的軟硬件有了進一步發(fā)展,對損傷面積的計算更為便捷、精確。

4 小結(jié)

圖像分析處理技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢對傳統(tǒng)影像格局提出挑戰(zhàn)的同時,也為刑事影像技術(shù)開辟了新的研究和實踐領(lǐng)域,刑事影像的數(shù)字化呼喚著數(shù)字影像檢驗手段的數(shù)字化,因此,圖像分析處理技術(shù)的研究是歷史發(fā)展的必然潮流,也是刑事技術(shù)工作者當今乃至今后的重要任務(wù)。圖像分析處理技術(shù)在法醫(yī)學中具有廣闊的應(yīng)用前景,但目前在同一認定方面還沒有形成具體而系統(tǒng)的識別要點,還需要法醫(yī)專業(yè)人員和影像技術(shù)人員共同配合,不懈地努力,以形成一套科學實用的識別方法,使此項技術(shù)的廣泛應(yīng)用在偵查破案中發(fā)揮更大的作用。

[1] 陳曉剛,劉敏,廖志鋼.計算機技術(shù)在法醫(yī)學圖形比對中的應(yīng)用[J].法律與醫(yī)學雜志,1999,6(4):177-178.

[2] 孫大宏,吳硯,陳新民,等.人牙咬痕同一認定數(shù)字化分析的盲法評定[J].中國法醫(yī)學雜志,2003,18(6):335-338.

[3] Cu lbertW L,Law F M.Identification by comparison of Roentgenograms[J].J.Am.Med.Assoc.,1927,88:1634-1636.

[4] Yoshino M,et al.Classification system of frontal sinus patterns by radiography[J].Its Application to Identification of Unknow Skeletal Renains.Foremsic Sci lnt,1987,34:289-299.

[5] 依偉力,李寒松.同一個體不同時間的 X線片的同一認定[J].中國法醫(yī)學雜志,2002,17(2):109

[6] 張紅霞,鄧振華,易旭夫.放射影像資料的法醫(yī)臨床學同一認定 14例分析[J].法醫(yī)學雜志,2005,21(3):205-207.

[7] 尹國祥.利用photoshop認定照片同一[J].江西公安?？茖W校學報,2002,7(4):69-71.

[8] 陳麗穎,張璐,林子清.應(yīng)用 TLGA-213顱骨身源鑒定儀檢驗鑒定一例[J].廣東公安科技,2004(4):38-39.

[9] 陳麗穎,王泓.顱像重合鑒定中一個值得注意的問題及其解決方法[J].廣東公安科技,2001(3):40-41.

[10] 錢心毅.計算機現(xiàn)場圖測繪系統(tǒng)及使用中的攝影站點問題[J].公安大學學報:自然科學版,2000(2):25-27.

[11] 周明全,耿國華,范江波.計算機輔助的顱骨面貌復原技術(shù)[J].西北大學學報:自然科學版,1997,27(5):375-378.

[12] Kiliovska M S,Charkarov E L.Changes in the DNA content in differtential-densitometric characteristics of the desoxyribonnucle proteins in the cell nucleus in postmortem analvsis[J].Dokl Dolg Akad Nauk,1973,26(8):1121-1123.

[13] 梅勵尼科夫 ID.JL,扎落夫 B.B.死亡時間的法醫(yī)學鑒定[M].馮真華譯.北京:群眾出版社,1979:105-110.

[14] BarW.KraLzer A,Garber A,etal.postmortem stabilily of DNA[J].Forsenic Sci Int,1989,39:59-70.

[15] 齊鳳英,許樹棠,左連富.死后不同時間的組織細胞DNA含量分析[J].中國法醫(yī)學雜志,1989,4(2):213-215.

[16] 劉良,林樂泉,劉艷,等.大鼠脾細胞 DNA含量與早期死亡時間關(guān)系的圖像分析研究[J].法醫(yī)學雜志,2000,16(1):8-10.

[17] 劉良,張力,劉亞玲,等.大鼠腦細胞 DNA含量與死亡時間關(guān)系的圖像分析[J].中國法醫(yī)學雜志,2000,15(1):1-3.

[18] 劉良,彭東兵,劉艷,等.大鼠腎細胞核 DNA含量與死亡時間關(guān)系的研究[J].法醫(yī)學雜志,2001,17(2):65-68.

[19] 方剛,任亮,劉良.測定DNA含量推斷死亡時間[J].中國法醫(yī)學雜志,2004,19(5):312-313.

[20] 徐小虎,祝家鎮(zhèn),畢啟明,等.計算機圖像分析應(yīng)用于牙齒推斷年齡方程的研究[J].中國法醫(yī)學雜志,1994,9(1):7-9.

[21] 于萍,步宏,王華,等.免疫組化結(jié)果的圖像分析與人工計數(shù)方法的對比研究[J].生物醫(yī)學工程學雜志,2003,20(2):288-290.

[22] 沈渭忠.用電子計算機圖象處理方法測定人體體表損傷面積[J].法醫(yī)學雜志,1996,12(2):74-76.

[23] 于曉軍,孫忠林,郭慶,等.人體表損傷相對面積法醫(yī)學鑒定計算機軟件開發(fā)及應(yīng)用[J].中國法醫(yī)學雜志,1995,10(2)