光學(xué)相干斷層 成像檢驗(yàn)技術(shù)

張 寧，黎智輝，許小京

（公安部物證鑒定中心，北京 100038）

光學(xué)相干斷層 成像檢驗(yàn)技術(shù)

張 寧，黎智輝，許小京

（公安部物證鑒定中心，北京 100038）

光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（optical coherence tomography， OCT）是一種新型的利用生物組織散射光相干原理的光學(xué)成像技術(shù)，具有無(wú)損、斷層成像、高分辨率、易小型化等特點(diǎn)。它的原理類似于超聲成像，不同之處是它利用的是光，而不是聲音。OCT技術(shù)最早和最成熟的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它逐漸在非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)研究。在法庭科學(xué)領(lǐng)域，物證檢驗(yàn)技術(shù)正朝著低損、快速、高精度的方向發(fā)展。光學(xué)影像檢驗(yàn)技術(shù)是最重要的物證檢驗(yàn)手段之一，其在物證的快速搜索、發(fā)現(xiàn)、提取和分析方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。OCT技術(shù)以其三維高分辨斷層成像能力，拓展現(xiàn)有的物證檢驗(yàn)手段和能力，得到越來(lái)越多法庭科學(xué)研究者們的關(guān)注，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了OCT技術(shù)的概念、原理、技術(shù)手段和類別，綜述了利用OCT技術(shù)進(jìn)行法庭科學(xué)研究的報(bào)道，列舉了OCT技術(shù)在指紋顯現(xiàn)增強(qiáng)、假幣鑒別、油畫(huà)鑒定、紋身鑒別、血斑分析、死亡時(shí)間推斷、槍彈檢驗(yàn)等方面的應(yīng)用。相信其在物證檢驗(yàn)實(shí)踐中將顯示出重要的作用。

法庭科學(xué)；刑事影像技術(shù)；光學(xué)相干斷層成像

光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（optical coherence tomo graphy， OCT）是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來(lái)的無(wú)損、高分辨、非侵入式的成像技術(shù)［1］，是利用生物組織散射光相干原理成像的介觀（微米尺度）活體組織高分辨率成像和觀測(cè)手段。它的原理類似于超聲成像，不同之處是它利用的是光，而不是聲音。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）無(wú)損性。由于其探測(cè)樣品的背向散射光，所以無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行切割采樣等任何預(yù)處理。（2）斷層成像。由于使用近紅外光和相干探測(cè)方法，OCT成像技術(shù)還可得到樣品的斷層信息。相比傳統(tǒng)的顯微成像，OCT技術(shù)拓展了成像維度，進(jìn)一步得到了深度方向圖像。（3）高分辨率。OCT技術(shù)結(jié)合了半導(dǎo)體和超快激光技術(shù)，利用超靈敏探測(cè)、精密自動(dòng)控制和相干選通門(mén)等方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)和圖像處理，得到反映樣品的微米量級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能圖像。（4）易小型化。OCT技術(shù)還可以進(jìn)行光纖化，做成細(xì)小的光學(xué)探測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)便攜化和小型化。相比其它成像技術(shù)，如超聲成像（ultrasonic imaging，UI）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X-射線計(jì)算機(jī)斷層（X-ray computed tomography，CT）等，OCT技術(shù)具備比較高的分辨率（微米級(jí)），同時(shí)，與共聚焦顯微（confocal microscopy）等超高分辨技術(shù)相比，OCT技術(shù)又具有較大的斷層成像能力。OCT技術(shù)填補(bǔ)了這兩類成像技術(shù)之間的空白。

OCT技術(shù)首次發(fā)表于1991年的Science雜志，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Huang等［1］搭建的OCT系統(tǒng)得到了離體人眼視網(wǎng)膜圖像。該系統(tǒng)采用了830 nm中心波長(zhǎng)的寬帶光源，縱向分辨率達(dá)到15 μ m，由此成為OCT領(lǐng)域的奠基性工作。技術(shù)指標(biāo)上看，目前OCT技術(shù)的分辨率水平一般在1～20 μ m，成像深度一般可達(dá)幾毫米，成像速度可達(dá)實(shí)時(shí)二維成像，最快可達(dá)實(shí)時(shí)三維成像。OCT技術(shù)最早和最成熟的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。1993年，F(xiàn)ercher等得到了世界上第一幅在體視網(wǎng)膜OCT圖像［2］。到1996年，第一臺(tái)商用的眼科OCT系統(tǒng)在美國(guó)Carl Zeiss Meditec公司誕生，目前眼科OCT檢測(cè)已成為十分普及的檢測(cè)項(xiàng)目，在對(duì)青光眼等眼科疾病的診斷上發(fā)揮了重要作用。在過(guò)去十幾年里，OCT技術(shù)還與光纖技術(shù)和內(nèi)窺技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用擴(kuò)展到了胃腸道、皮膚、肺部、腎臟、心血管等人體器官成像領(lǐng)域。許多疾病的演變，例如胃腸道癌癥的演變，都會(huì)在組織內(nèi)表皮、粘膜等部位發(fā)生形態(tài)或結(jié)構(gòu)的變化，而這些變化在傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡下是無(wú)法察覺(jué)的，OCT技術(shù)以其高分辨、高速、斷層成像的特點(diǎn)為疾病診斷提供了一種強(qiáng)有力的工具，依靠OCT技術(shù)獲取的高分辨率圖像有望實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷并給出相應(yīng)的治療方案。OCT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著深入而廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它逐漸在材料科學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、藝術(shù)品甄別、植物學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安防、法庭科學(xué)等非生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)研究，顯示出其廣闊的應(yīng)用前景。本文將重點(diǎn)介紹其在法庭科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

1 OCT 技術(shù)手段與種類

OCT技術(shù)發(fā)展至今，形成了多種技術(shù)手段和技術(shù)類別。本部分將簡(jiǎn)要介紹各種OCT技術(shù)手段的原理和特點(diǎn)。

1.1 時(shí)域OCT（time domain OCT，TD-OCT）

早期的OCT系統(tǒng)大多采用了時(shí)域OCT的設(shè)計(jì)，即通過(guò)掃描參考臂的光程，達(dá)到沿著深度方向掃描樣品的目的。圖1為時(shí)域OCT原理圖，主要由光源、邁克耳遜干涉儀、信號(hào)探測(cè)與處理這幾個(gè)部分組成。從寬帶光源（帶寬越寬，分辨率越高）發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖耦合器分為兩部分，一部分進(jìn)入?yún)⒖急郏?jīng)過(guò)平面鏡反射后返回，另一部分經(jīng)過(guò)掃描振鏡和物鏡后聚焦到樣品中，樣品的背向反射和散射光又沿原光路返回。當(dāng)參考臂和樣品臂的光程差在光源的相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)時(shí)，從參考臂和樣品臂返回的光將發(fā)生干涉，干涉信號(hào)將被光電探測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被記錄下來(lái)。因此，當(dāng)參考臂的光程發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)所檢測(cè)到的樣品信號(hào)也將來(lái)自樣品的不同深度，這樣就實(shí)現(xiàn)了樣品深度方向的一線掃描（Z方向），也稱A-scan。樣品橫向的掃描則是通過(guò)樣品臂的掃描振鏡實(shí)現(xiàn)。當(dāng)掃描振鏡產(chǎn)生一維振動(dòng)時(shí)，可以得到二維OCT圖像，也稱B-scan；當(dāng)掃描振鏡產(chǎn)生二維振動(dòng)時(shí)，可以得到三維OCT圖像［3］。由于參考臂的前后掃描，干涉信號(hào)實(shí)際是受到一定頻率的調(diào)制，所以還需要經(jīng)過(guò)解調(diào)、濾波、放大等信號(hào)處理變成最后顯示的圖像。由于需要在參考臂引入光程掃描，這始終限制了時(shí)域OCT的成像速度。

圖1 時(shí)域OCT原理圖Fig.1 Typical confi guration of TD-OCT system

1.2 頻域OCT（spectral domain OCT，SD-OCT）

頻域OCT在近年來(lái)漸漸取代了時(shí)域OCT，其無(wú)需在參考臂中進(jìn)行光程掃描，直接一次性獲取A-scan，成像速度極大提高。頻域OCT的參考臂無(wú)需掃描，它一次性采集某一橫向位置深度方向的干涉光譜信號(hào)，也就是頻域信號(hào)。深度方向的時(shí)域信號(hào)就編碼在這個(gè)光譜里。每一個(gè)A-scan實(shí)際就對(duì)應(yīng)一個(gè)干涉光譜，對(duì)光譜做傅里葉變換即可恢復(fù)出時(shí)域信號(hào)。頻域OCT省去了傳統(tǒng)時(shí)域OCT當(dāng)中深度掃描的時(shí)間，極大提高了成像采集速度。獲得干涉光譜目前主要有兩種方法，一種是基于光譜儀，另一種是基于掃頻光源。前者稱之為光譜頻域OCT（spectral domain OCT，SD-OCT），后者稱之為掃頻OCT（swept source OCT，SS-OCT）。SD-OCT是通過(guò)一個(gè)基于光柵和透鏡的光譜儀，將干涉信號(hào)分光再聚焦到線陣電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）上獲得干涉光譜的。SS-OCT則是通過(guò)采用一個(gè)輸出波長(zhǎng)隨時(shí)間高速掃描的掃頻光源，再通過(guò)探測(cè)器記錄下每一波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)而得到干涉光譜。

1.3 全場(chǎng)OCT（full-field OCT，F(xiàn)F-OCT）

時(shí)域OCT 與頻域OCT 技術(shù)掃描的是與光波的入射方向平行的縱向截面， 因此這些技術(shù)被稱為縱向掃描式OCT（cross-sectional OCT），而全場(chǎng)OCT技術(shù)掃描的則是與光波的入射方向垂直的橫向截面，因此就被稱為橫向掃描式OCT（en-face OCT）。全場(chǎng)OCT技術(shù)采用了開(kāi)放式光路及對(duì)整個(gè)視野的面照明方式，并利用并行探測(cè)器—二維CCD 直接對(duì)樣品的二維橫向截面進(jìn)行了斷層成像，深度方向信息則通過(guò)樣品臂的Z 方向掃描得到。“全場(chǎng)”二字就來(lái)源于其面照明。面照明和并行探測(cè)技術(shù)的結(jié)合，使得只需掃一維即可獲取三維信息，從而大大簡(jiǎn)化成像系統(tǒng)，也降低了成像所需時(shí)間。同時(shí)，由于采用了超寬帶光源，全場(chǎng)OCT是一種超高分辨率的成像技術(shù)，其縱向分辨率可達(dá)到1μm甚至亞微米級(jí)。有研究者報(bào)道了不同深度處洋蔥皮的全場(chǎng)高分辨OCT圖像［4］，從中可以清晰看到洋蔥細(xì)胞結(jié)構(gòu)，該全場(chǎng)OCT系統(tǒng)的縱向分辨率2.8μm，橫向分辨率0.7μ m。

1.4 功能OCT

上述時(shí)域OCT和頻域OCT是根據(jù)光學(xué)散射性質(zhì)的不同區(qū)分出各種組織和結(jié)構(gòu)。然而，在很多時(shí)候，組織之間的散射系數(shù)區(qū)別不是很大，因此導(dǎo)致圖像上無(wú)法區(qū)分。為此，科學(xué)家們研發(fā)出了很多功能拓展型OCT 技術(shù)，使得除了傳統(tǒng)OCT 技術(shù)所能得到的背向散射強(qiáng)度信息外，還可以獲取和量化其他有用的信息。

1.4.1 偏振敏感OOCCTT（polarization-sensiittiivvee OOCCTT，PPSS--OCTOCT）

PS-OCT是通過(guò)兩組探測(cè)器分別探測(cè)干涉光在相互垂直的兩個(gè)偏振方向信號(hào)的幅度和相位，然后計(jì)算Stokes矢量和穆勒矩陣，從而得到樣品的偏振信息。該技術(shù)結(jié)合了對(duì)偏振信息的探測(cè)，可得到組織結(jié)構(gòu)的雙折射、旋光等與偏振相關(guān)的信息，豐富和增強(qiáng)了可獲取的信息。偏振敏感OCT已經(jīng)在很多生物組織中得到了應(yīng)用，如皮膚、骨骼、食道、牙齒等。在醫(yī)學(xué)上，偏振敏感OCT常被用來(lái)評(píng)估皮膚的燒傷程度［5］，皮膚含有一種膠原質(zhì)，是一種雙折射材料，遇到高溫會(huì)失去雙折射特性，因此燒傷的皮膚和正常皮膚的偏振敏感OCT圖像將會(huì)有差異。

1.4.22 多普勒OOCCTT（Dopppplleerr OOCCTT，OODDTT）

通過(guò)測(cè)量從移動(dòng)樣品中反射回來(lái)的光的多普勒頻移，可以計(jì)算樣品移動(dòng)的速度。根據(jù)這一原理，研究者們開(kāi)發(fā)出了多普勒OCT，用來(lái)測(cè)量血流或其它液體流動(dòng)的速度。將其與結(jié)構(gòu)成像OCT結(jié)合，可以同時(shí)得到樣品的強(qiáng)度信息和流速信息。多普勒OCT技術(shù)不僅可以得到強(qiáng)度圖像，更重要地是可以檢測(cè)出血管位置（包括流速等信息），描繪出眼底的血管分布圖［6］。

1.4.3 光譜.3 OCTOCT（spectroscopiccopic OCTOCT，S-OCTS-OCT）

由于采用了寬帶光源作為照明，因此從樣品返回的光信號(hào)也攜帶了樣品的光譜信息，利用短時(shí)傅里葉變換（short-time Fourier transform，STFT）可得到OCT縱向一線的時(shí)頻分析圖，根據(jù)時(shí)頻分析圖，可以研究樣品對(duì)特定波長(zhǎng)的光的吸收或散射性質(zhì)。與光譜成像（spectral imaging）技術(shù)相比，光譜OCT技術(shù)不僅可以得到表面光譜圖像，還可以得到斷層光譜圖像，即樣品深度方向橫截面的光譜圖像，用以增強(qiáng)OCT圖像的對(duì)比度［7］。光譜OCT技術(shù)很好地反映了組織內(nèi)物質(zhì)的光譜吸收和散射性質(zhì)差異。

1.4.4 彈性成像OCTOCT（opticaltical coherencerence tomographicaphic elastographyraphy，OCEOCE）

外力會(huì)導(dǎo)致樣品發(fā)生變形，不同物質(zhì)的楊氏模量（彈性）不同，對(duì)外力的響應(yīng)（產(chǎn)生的位移）也不同，測(cè)量這些物質(zhì)對(duì)外力的響應(yīng)。即可獲取其力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到區(qū)分不同物質(zhì)的目的，彈性成像也是OCT技術(shù)的一種重要的功能拓展。樣品中有嵌入物時(shí)，由于嵌入物和周邊材料的力學(xué)性質(zhì)不同，當(dāng)對(duì)樣品施加外力作用時(shí)，嵌入物和周邊材料的位移量將產(chǎn)生差異［8］，可以清晰地從位移圖中看到嵌入物的形態(tài)。彈性成像OCT技術(shù)可用來(lái)區(qū)分具有不同力學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)。

2 OCT 技術(shù)在法庭科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著法庭科學(xué)研究的不斷深入，物證檢驗(yàn)技術(shù)正朝著低損、快速、高精度的方向發(fā)展。光學(xué)影像技術(shù)是重要的物證檢驗(yàn)手段之一，在物證的快速搜索、發(fā)現(xiàn)、提取和分析方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。OCT技術(shù)作為一種新型成像手段，具有三維高分辨斷層成像能力，將大大拓展現(xiàn)有的物證檢驗(yàn)手段和能力，在法庭科學(xué)領(lǐng)域也開(kāi)始得到越來(lái)越多研究者們的關(guān)注。

2.1 OCT 無(wú)損斷層成像能力的應(yīng)用

OCT技術(shù)是一種無(wú)損斷層成像技術(shù)，不僅可以獲取樣品表面信息，更可以穿透樣品，獲取樣品內(nèi)部的信息。這一特點(diǎn)極大拓展了光學(xué)檢驗(yàn)的范圍，可為案件偵查提供更全面、更豐富的信息。

2.1.1 潛指紋和偽指紋成像

隨著指紋越來(lái)越多的被人們所認(rèn)識(shí)，很多犯罪分子作案時(shí)會(huì)有意減少指紋的現(xiàn)場(chǎng)遺留，目前實(shí)際案件中較難采集到條件較好的指紋，提取到的大多是條件較差的潛指紋。而其對(duì)比度低、變化大、面積小、特征少且不穩(wěn)定， 給檢驗(yàn)工作帶來(lái)了很大困難。提取潛指紋的方法目前仍采用熏顯或紫外照相等方法，這些方法一是容易破壞原始指紋物證，二是操作繁瑣精度不高。另一方面，也越來(lái)越多地出現(xiàn)偽造的指紋，給安防領(lǐng)域造成不小的困擾。所以在世界范圍內(nèi)， 指紋，尤其是潛指紋和偽指紋的顯現(xiàn)，成為一個(gè)被重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。利用OCT技術(shù)實(shí)現(xiàn)指紋的斷層信息提取，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這方面，國(guó)內(nèi)外有許多研究小組進(jìn)行了相關(guān)研究。OCT指紋成像無(wú)需對(duì)樣品做任何預(yù)處理即可獲得高分辨率的指紋圖譜，且對(duì)低反射率基底上的潛指紋提取依然有效。Dubey等將全場(chǎng)OCT與掃頻OCT技術(shù)結(jié)合，對(duì)潛指紋進(jìn)行了OCT成像研究［9，10］，將OCT獲得的潛指紋某深度方向圖像與合適光照條件下高分辨相機(jī)拍攝的潛指紋圖對(duì)比，兩者吻合度較高，證明OCT成像真實(shí)反映了樣品原貌。OCT技術(shù)對(duì)于一些對(duì)比度不高的指紋痕跡也有較好地成像效果。鮑文等報(bào)道一種基于頻域OCT 相位信息提取光滑物體表面遺留指紋的方法［11］。利用希爾伯特（Hilbert） 變換提取干涉光譜的相位信息， 并經(jīng)相位解包裹等處理， 得到指紋的“高度” 信息，從而實(shí)現(xiàn)指紋的顯現(xiàn)。

雖然指紋具有個(gè)體特異性，但是由于傳統(tǒng)的指紋采集只得到一幅二維圖像，可能存在偽造的情況。OCT的斷層成像特點(diǎn)則可以很快區(qū)分指紋的真?zhèn)?。Meissner等報(bào)道了利用掃頻OCT技術(shù)鑒別指紋真?zhèn)蔚墓ぷ鳎?2］，從斷層圖中可以清晰分辨和區(qū)分真假指紋。類似的偽指紋識(shí)別成像報(bào)道還有許多［13，14］。

2.1.2 假幣鑒別

目前的假幣鑒別大多僅僅利用了紙幣的表面信息，事實(shí)上，還有很多信息隱藏在紙幣表面以下，對(duì)這些信息進(jìn)行偽造的難度更大，因此利用OCT技術(shù)對(duì)這些紙幣進(jìn)行斷層成像提取潛在信息，可以大大提升假幣鑒別的水平。韓國(guó)學(xué)者Choi等人將全場(chǎng)OCT技術(shù)應(yīng)用于假幣的鑒別［15］。見(jiàn)圖2，該圖顯示了韓元的OCT斷層圖像，可以明顯看到其分層結(jié)構(gòu)。另外，如箭頭區(qū)域所示，還可以觀察到箭頭所示的包埋在該區(qū)域的點(diǎn)狀空隙這一特征。這些特征均可以用來(lái)鑒別紙幣真?zhèn)巍?/p>

圖2 利用全場(chǎng)OCT對(duì)韓元紙幣進(jìn)行鑒別。（a）紙幣表面OCT圖像；（b）A線所示的二維斷層OCT圖像；（c）B線所示的二維斷層OCT圖像［15］。Fig.2 The counterfeit banknote examination by FF-OCT.The section of the Korean peninsula map （N） and the stripe of four trigrams （T）are clearly visible in three-dimensional FF-OCT image of the hologram in （a）.Cross-sectional （XZ） FF-OCT images of the hologram are indicated as the line A in （b） and the line B in （c）， respectively.White scale bar （horizontal） is 0.1 mm［15］.

2.1.3 油畫(huà)鑒定

按照傳統(tǒng)方法使用畫(huà)架作油畫(huà)，需要畫(huà)很多層，涂層可能包括畫(huà)的輪廓、畫(huà)作本身、半透明釉彩涂層，以及最終的透明清漆等。專家會(huì)利用各種技術(shù)來(lái)探究畫(huà)作的內(nèi)部，來(lái)發(fā)現(xiàn)畫(huà)作各部分的先后順序及變化，比如偽造的簽名和其它對(duì)原畫(huà)的更改。但是傳統(tǒng)的鑒別方法可能對(duì)作品材質(zhì)產(chǎn)生損傷，或者靈敏度不足以發(fā)現(xiàn)微小的細(xì)節(jié)。波蘭的Targowski等學(xué)者利用OCT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油畫(huà)作品的無(wú)損探測(cè)［16］，用OCT技術(shù)分析了18～19世紀(jì)的2幅油畫(huà)，發(fā)現(xiàn)其中一幅畫(huà) “Saint Leonard of Porto Maurizio”的題詞 “St.Leonard” 是在畫(huà)作完成后若干年才添加上去的。另一幅畫(huà)“Portrait of an unknown woman”中，通過(guò)對(duì)OCT圖像進(jìn)行分析，該研究分析認(rèn)為也可能存在偽造畫(huà)家簽名的問(wèn)題。這個(gè)例子說(shuō)明OCT技術(shù)的斷層成像能力在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域也可以發(fā)揮重要作用，因其可以穿透一定深度的樣品，發(fā)現(xiàn)顯微鏡無(wú)法觀察到的斷層結(jié)構(gòu)。

2.1.4 紋身鑒別

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的年輕人熱衷于在自己身上紋身以彰顯個(gè)性。紋身也逐漸成為人身體的一個(gè)重要特征。對(duì)紋身的鑒別和研究，可以在一定程度上縮小偵查范圍，甚至實(shí)現(xiàn)個(gè)體識(shí)別。紋身是用針刺入皮膚內(nèi)部注入顏料，而在皮膚上制造一些永久性的圖案或文字。顏料分布于皮膚內(nèi)表面真皮層，因此適合利用OCT這種斷層成像技術(shù)進(jìn)行研究。無(wú)紋身的正常皮膚可以清晰分辨表皮層和真皮層的分界面，有紋身的區(qū)域往往會(huì)出現(xiàn)一些暗結(jié)構(gòu)，這是紋身顏料的聚集導(dǎo)致［17］。由于黑色的紋身顏料對(duì)光有很強(qiáng)吸收，因此有紋身皮膚的OCT圖像深度較無(wú)紋身的區(qū)域更淺。根據(jù)這些紋身的形態(tài)或光學(xué)性質(zhì)，可以將紋身作為一種個(gè)體識(shí)別特征進(jìn)行鑒別和比對(duì)分析，更進(jìn)一步可以根據(jù)紋身的特性進(jìn)行紋身溯源，縮小排查范圍。

2.2 OCT三維高分辨成像能力的應(yīng)用

OCT的三維高分辨成像能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些檢材的高質(zhì)量成像和定量分析，直觀精確地反映檢材的屬性和特征。

2.2.1 多層信息提取和分離

快速三維成像可得到樣品內(nèi)各個(gè)深度的橫截面圖像，而高分辨率則保證了更精確的層析能力和更清晰的橫截面圖像。當(dāng)樣品是由多層物質(zhì)混雜在一起時(shí)，三維高分辨OCT技術(shù)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)信息提取，并剝離背景干擾。全場(chǎng)OCT技術(shù)就是一種三維高分辨成像技術(shù)。Chang等人利用全場(chǎng)OCT實(shí)現(xiàn)多層信息的分層提?。?8］，見(jiàn)圖3，兩層文字和兩層指紋疊加在一起，相機(jī)拍攝的照片見(jiàn)圖3 （b），四層物質(zhì)幾乎無(wú)法分辨，由于高分辨的斷層成像能力和三維成像能力，OCT提取到的各層信息見(jiàn)圖3（c）～（f），它不僅區(qū)分了兩層不同的文字，更區(qū)分出了兩枚先后重疊在一起的指紋，進(jìn)一步顯示了OCT在區(qū)分不同層物質(zhì)方面的重要作用。由于高分辨OCT具有分層橫截面成像的特點(diǎn)，它還可以用來(lái)鑒別物質(zhì)附著的先后時(shí)序，例如，針對(duì)地面上鞋印和血跡的混合檢材，區(qū)分兩者附著在地面的先后順序?qū)τ诖_定嫌疑人具有重要價(jià)值；在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域，也可以區(qū)分印章和文字的時(shí)序。

圖3 全場(chǎng)OCT實(shí)現(xiàn)多層信息的分層提?。?8］。（a）四層物質(zhì)疊加示意圖；（b）拍攝實(shí)物圖；（c）第一層文字OCT圖；（d）第二層文字OCT圖；（e）第三層潛指紋OCT圖；（f）第四層潛指紋OCT圖。Fig.3 Four-layered tomography extraction［18］.（a） 4-layer sample；（b） directly reflected image of （a）； （c） OCT images of the first layer； （d） OCT images of the second layer； （e） OCT images of the third layer； and （f） OCT images of the fourth layer.

2.2.2 樣品信息的定量分析

2013年Laan等人在Journal of Forensic Sciences上報(bào)道了他們對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)血斑的OCT成像研究［19］，即利用OCT技術(shù)對(duì)落在不同基底上的血斑進(jìn)行三維成像，并據(jù)此直接測(cè)量了相應(yīng)基底下血斑的體積，而不再根據(jù)血斑的重量推算。根據(jù)此方法，該研究還進(jìn)一步獲取了干血和新鮮血的體積比，從而可以根據(jù)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的干血痕跡體積推斷原始新鮮血斑的體積等信息，為偵查提供重要線索。見(jiàn)圖4，（a）圖是新鮮血和干血的二維OCT圖像，（b）圖是新鮮血和干血的三維OCT圖像。利用OCT技術(shù)測(cè)量新鮮血斑落在規(guī)則平面基底和非規(guī)則基底的體積，誤差分別為2%和4%。利用OCT三維高分辨成像能力實(shí)現(xiàn)血斑體積、濺射角度、形貌等信息的定量分析，對(duì)于判斷案發(fā)時(shí)間、推斷案情具有重要價(jià)值。另外，結(jié)合毒物分析技術(shù)，還可以獲取血液中毒物濃度等信息，為案件偵查提供有價(jià)值的信息和線索。從以上可以看出，三維高分辨OCT技術(shù)不失為一種有效的、新型的定性分析技術(shù)手段，可以為偵查提供直接、及時(shí)、較準(zhǔn)確的信息。

圖4 OCT血斑成像［19］。（a）新鮮血斑和干血的二維斷層OCT圖像；（b）新鮮血斑和干血的三維OCT圖像。Fig.4 OCT imaging of bloodstain［19］.（a） cross-sectional OCT images of a fresh and a dried blood drop consisting of 250 A-scans；（b） 3D OCT images of a fresh and a dried blood drop.

2.2.3 多生物特征融合成像

OCT技術(shù)的三維高分辨能力還可以實(shí)現(xiàn)多生物特征融合高分辨成像。Liu等人利用多普勒高分辨OCT技術(shù)獲得了人的手指內(nèi)表層的毛細(xì)血管、汗管分布，并結(jié)合指紋圖，得到手指的血管指紋合成圖譜［20，21］，從而可以進(jìn)行個(gè)體特征識(shí)別。見(jiàn)圖5［20］，三維高分辨OCT技術(shù)可以對(duì)手指皮膚內(nèi)部乳頭層結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。由于乳頭層結(jié)構(gòu)圖樣與表面指紋結(jié)構(gòu)圖樣一致，故利用OCT技術(shù)可以避免手指表皮指紋磨損、偽指紋等的干擾，獲取真實(shí)的指紋信息。另一方面，三維高分辨OCT技術(shù)不僅可以得到指紋圖樣，還可以得到血管、汗管等器官結(jié)構(gòu)在手指內(nèi)部的分布信息，這些細(xì)節(jié)特征信息相互融合，將可以極大提升生物特征個(gè)體識(shí)別的準(zhǔn)確率。

圖5 OCT手指成像［20］。（a）手指三維OCT圖；（b）表皮層OCT強(qiáng)度圖；（c）真皮層OCT強(qiáng)度圖；（d）c圖紅線處OCT斷層二維圖；（e）真皮層血管分布圖；（f）全深度血管分布圖；（g）汗管、血管分布圖；（h）汗管、血管、指紋結(jié)構(gòu)分布圖。Fig.5 OCT imaging of fi nger tip［20］.（a） the 3D image rendering of the OCT-viewed structure； （b） the maximum intensity projection （MIP）image for the epidermic layers； （c） the en-face OCT image of the dermal papilla region beneath the tissue surface； （d） an OCT image along the red dotted line in （c）； （e） the MIP vascular pattern around the dermal papilla region； （f） the MIP holo-depth vascular pattern； （g） overlayed en-face images of sweat pores and capillary loop vasculature （450～630 μm）； and （h） overlayed en-face images of sweat pores， capillary loop vasculature and structure.

2.2.4 超高分辨率毛發(fā)成像

前面提到，全場(chǎng)OCT由于采用了超寬帶光源，是一種超高分辨率的成像技術(shù)，其縱向分辨率可達(dá)到1 μm甚至亞微米級(jí)。頭發(fā)是法庭科學(xué)領(lǐng)域一種重要的檢材，其中蘊(yùn)含或附著諸多個(gè)體特征信息。如圖6所示為不同深度處人的頭發(fā)的全場(chǎng)OCT圖像［22］。該全場(chǎng)OCT系統(tǒng)的縱向分辨率0.8 μm，橫向分辨率0.4 μm，圖中可以清晰觀察到頭發(fā)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖6 人體黑色頭發(fā)在不同深度的全場(chǎng)OCT橫截面圖像［22］。（a）表面；（b）深度4 μm；（c）深度6 μm；（d）深度7 μm。Fig.6 En-face （XY） OCT images of human scalp black hair shaft［22］.（a） surface， （b） at 4 μm depth， （c） at 6 μm depth， and （d） at 7 μm depth.

2.3 OCT技術(shù)的其他應(yīng)用

2.3.1 尸體死亡時(shí)間推斷

有研究者還將OCT技術(shù)應(yīng)用到死亡時(shí)間推斷中。尸體死亡時(shí)間是案件偵查的重要線索。在法醫(yī)學(xué)上，一種推斷死亡時(shí)間的方法是通過(guò)解剖尸體中尸蛹，觀察其形態(tài)，得到其年齡，從而精確推斷尸體死亡時(shí)間。但是，這些方法有損且繁瑣。Brown等就利用OCT技術(shù)觀察活體尸蛹的形態(tài)變化［23］，結(jié)果顯示，4天的尸蛹與10天的尸蛹在形態(tài)上有明顯區(qū)別，文章指出，該方法可用來(lái)推斷尸體死亡時(shí)間。

2.3.2 非接觸式槍彈檢驗(yàn)

利用最先進(jìn)的VCSEL-OCT技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)非接觸大成像深度成像［24］，圖7是掩埋在凝膠中的不同類型子彈及其OCT圖像，從橫截面OCT圖像中還可分辨出刻在子彈上的文字標(biāo)記。該技術(shù)以犧牲一定分辨率換取較大的成像范圍，在一些被掩埋的物證信息提取，例如槍彈、爆炸物檢驗(yàn)等方面有潛在應(yīng)用。

圖7 掩埋在凝膠中的不同子彈OCT圖像［24］。（a） 掩埋在凝膠中的不同子彈實(shí)物圖；（b） 掩埋在凝膠中的不同子彈三維OCT及橫截面圖像； （i） 9 mm 子彈；（ii）5.56 mm子彈。Fig.7 Imaging of bullets in a gelatin phantom［24］.（a） photographs of the phantom； （b） 3D reconstruction of volumetric OCT and en-face images （right） of the bullets.（i） 9 mm bullet； （ii） 5.56 mm rifl e bullet.

3 結(jié)論和展望

目前，OCT技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在法庭科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還較少，仍有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。前面所述的一些研究工作已經(jīng)表明OCT技術(shù)在一些物證的檢驗(yàn)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為一種新型成像技術(shù)，它在法庭科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫陌l(fā)展前景：（1）無(wú)損探測(cè)手段。OCT技術(shù)采用低功率的近紅外光作為探測(cè)光源，無(wú)需接觸，對(duì)樣品幾乎無(wú)損，減少潛在的污染危險(xiǎn)，這對(duì)司法訴訟活動(dòng)和證據(jù)的有效性具有重要意義。（2）斷層成像能力。常規(guī)光學(xué)檢驗(yàn)手段，如顯微技術(shù)、偏振光照相技術(shù)、光譜成像技術(shù)等，只得到樣品表面的圖像信息，尚無(wú)法獲取樣品深度方向的信息。獲得樣品深度信息一般要依靠切片，這樣就對(duì)樣品產(chǎn)生了損傷。而OCT技術(shù)可以無(wú)損地獲取樣品的空間三維圖像，其拓展了深度這一新的維度，直觀地觀察到樣品內(nèi)部的情況。一般地，凡是可以應(yīng)用常規(guī)光學(xué)檢驗(yàn)手段的地方，OCT技術(shù)也同樣適用，例如指印、血斑、纖維、油漆、皮膚等。OCT的斷層成像能力主要取決于樣品的性質(zhì)以及光在樣品中的穿透深度，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透深度也越深，例如，1310 nm波段的OCT系統(tǒng)對(duì)人體皮膚的成像深度大約為1～2 mm。未來(lái)，為了得到樣品更深層的信息，就需要采用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光源，例如短波紅外OCT技術(shù)，甚至太赫茲CT技術(shù)。（3）微米級(jí)的高分辨能力。為了獲取更精細(xì)更高質(zhì)量的圖像和信息，高分辨成像必不可少。OCT技術(shù)的縱向分辨率取決于光源的相干長(zhǎng)度，橫向分辨率取決于物鏡數(shù)值孔徑。寬譜帶低相干光源的相干長(zhǎng)度極短，因此可以達(dá)到較高的縱向分辨率。全場(chǎng)OCT技術(shù)可以達(dá)到縱向分辨率＜1μm的水平，即細(xì)胞級(jí)別的分辨率。高分辨成像使得高精細(xì)定量分析樣品成為可能，使許多隱藏在樣品內(nèi)的信息得以被發(fā)現(xiàn)。（4）高速成像能力。超高速的OCT系統(tǒng)可以達(dá)到100 kHz以上的線掃描成像速度，也即可以達(dá)到實(shí)時(shí)三維掃描成像。也就是說(shuō)，通過(guò)超高速OCT技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樣品三維圖像的視頻速度采集，這意味著OCT技術(shù)可以大大提高檢驗(yàn)分析效率；另一方面，為保證較高的分辨率，目前的OCT系統(tǒng)大多成像視場(chǎng)較小（幾平方厘米），但由于其高速成像能力，還有望通過(guò)將多個(gè)視場(chǎng)圖像拼接以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)大范圍成像探測(cè)。（5）各種功能性拓展成像。OCT技術(shù)可以與多普勒技術(shù)、光譜技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從獲取單一的結(jié)構(gòu)信息，向獲取物質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性、雙折射性質(zhì)、光譜性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等復(fù)合功能信息擴(kuò)展，增強(qiáng)了OCT圖像中不同物質(zhì)成分的對(duì)比度，極大地提升了OCT技術(shù)的檢驗(yàn)?zāi)芰?，有助于?shí)現(xiàn)定性定量檢驗(yàn)和研究。（6）小型化趨勢(shì)。隨著光纖技術(shù)、集成工藝的不斷進(jìn)步，OCT技術(shù)也朝著便攜化、小型化方向發(fā)展，這意味著OCT技術(shù)有望在犯罪現(xiàn)場(chǎng)對(duì)物證信息進(jìn)行快速實(shí)時(shí)提取和分析，提高現(xiàn)場(chǎng)勘查技術(shù)能力和水平。

當(dāng)然，OCT技術(shù)也有其局限性。首先，它的穿透能力有限，對(duì)皮膚等不透明或半透明介質(zhì)只有幾毫米的成像深度，但是對(duì)于透明介質(zhì)如玻璃、眼睛等，可以達(dá)到幾厘米成像深度；其次，相比掃描電子顯微鏡、共聚焦顯微鏡等手段，盡管它的操作更簡(jiǎn)單，成本更低，但分辨率還不及，無(wú)法對(duì)亞微米或納米級(jí)的極微量物證進(jìn)行檢驗(yàn)分析，光譜OCT技術(shù)的光譜分辨率和光譜范圍也不及高光譜成像技術(shù)；第三，目前還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)物證檢驗(yàn)的OCT系統(tǒng)，有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。盡管如此，OCT以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有望成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)。法庭科學(xué)中，物證檢材類別多、跨度大、形式多樣，需要結(jié)合多種檢驗(yàn)技術(shù)和手段，共同探索其中的奧秘。OCT技術(shù)作為下一代光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)之一，相信將在物證檢驗(yàn)實(shí)踐中顯示出重要而積極的作用。

致謝：感謝王桂強(qiáng)研究員對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)和建議。

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引用本文格式：張寧， 黎智輝， 許小京.光學(xué)相干斷層成像檢驗(yàn)技術(shù) ［J］.刑事技術(shù)， 2015，40（5）:409-416.

Optical Coherence Tomography: Principles and Applications in Forensic Science

ZHANG Ning， LI Zhihui， XU Xiaojing
（Institute of Forensic Science， Ministry of Public Security， Beijing 100038， China）

ABATRACT: Optical coherence tomography （OCT）， an imaging system very similar to ultrasound by use of light instead of sound， is an emerging technology for non-invasive， high resolution and cross-sectional imaging based on low-coherence interferometry.In the past， OCT has been widely applied in medical imaging， especially in ophthalmology， cardiology，dermatology and gastrointestinal observation.Yet， it s ability to provide three-dimensional tomographic images is also rendering it attractive for applications beyond the medical.In practice， the forensic imaging technology plays an important role in searching， extracting and analyzing the evidence with merits of non-invasiveness， high speed and high precision.Thus OCT， competent to explore the internal features of an object with micro-meter resolution， will greatly expand the scope of current evidence examination technology， showing a broadly applicable prospect.In this review， we will introduce the basic concepts， principles， categories of OCT technology and a detailed introduction of the so far presented OCT-based methods and applications， ranging from fi ngerprint imaging， counterfeit banknote detection， easel painting examination， tattoo inspection，bloodstain volume determination， post-mortem interval and bullet imaging.Owing to the characteristic of non-invasive and cross-sectional imaging， OCT is able to detect artifi cial fi ngerprint， counterfeit banknote， forgery painting and tattoo.Besides，capable of 3D high resolution imaging， OCT can provide promising applications in high quality imaging and quantitative analyzing， including multi-layer tomography extraction， determination of the volume of bloodstain in the crime scene， image obtainment of the human hair with ultrahigh resolution， estimation of the post-mortem interval and non-contact examination of bullets.Furthermore， OCT techniques have many other advantages as an advanced imaging method with high potential for future forensic applications， for example， the use of near infrared light enabling the non-invasive and non-contact imaging of sample to keep the integrality and authenticity of evidence.Meanwhile， the ability to realize 3D high-resolution cross-sectional imaging will reveal more precise information for sample to authenticate and identify.Moreover， OCT， via extracting different properties such as the spectrum， elasticity and polarization， can achieve diversifi ed functional imaging to further improve the image contrast in demonstrating its appropriateness for forensic imaging.

forensic science； forensic imaging； optical coherence tomography

DF793.2

A

1008-3650（2015）05-0409-08

10.16467/j.1008-3650.2015.05.015

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（No.2015JB012）

張 寧（1988—），男，江西吉安人，助理研究員，博士，研究方向?yàn)楣鈱W(xué)檢驗(yàn)。 E-mail: zhangning@cifs.gov.cn

2015-05-26