《數字化法醫學鑒定技術研究》課題研究進展

鄒冬華，孫杰，陳憶九

（司法鑒定科學研究院上海市法醫學重點實驗室上海市司法鑒定專業技術服務平臺，上海200063）

隨著司法鑒定體制的不斷完善，對證據的科學性、嚴謹性和程序性等提出了越來越嚴格的要求，囿于傳統法醫學技術的發展，近年來，因代義案、念斌案等引發了諸多對鑒定程序、鑒定技術上的爭議。傳統的法醫學鑒定技術仍較多停留在肉眼觀察和經驗判斷上，面對逐漸科技化的犯罪手段和要求逐步嚴密化的法庭證據形勢，鑒定手段有時在證據的效力上顯得較為單薄，據此形成的證據鏈在某些關鍵細節上經不起推敲和盤問，有些還會因證據瑕疵而引起反復纏訪、鬧訪，甚至是群體性事件的發生，給社會穩定帶來了不確定因素。

因此，緊跟現代化科學技術發展前沿，以“他山之玉”帶動法醫學鑒定技術的革新，是數字化法醫學鑒定技術發展的根本。融合醫學影像學、工程力學、計算機仿真學、生物力學等多學科優勢形成的數字化法醫學鑒定新模式，相比傳統的法醫學鑒定手段，在現場證據固定及法醫學損傷鑒定等內容上提供的證據科學性、直觀性和說服力具有顯著優勢。以數字化法醫學技術為引領，以實際檢案需求為導向，著重通過遙感航拍、3D激光掃描、數字化仿真技術、影像學技術及有限元法等數字化技術，集中優勢力量開展道路交通事故證據模型數字化重構、數字化虛擬解剖、人體損傷數字化構模與生物力學響應分析等專題研究，形成以實際案例為基礎和導向、以法醫學數字化技術為引領和提高、理論研究成果向實際應用轉化、行業重大共性關鍵技術共同分享的一批具有自主知識產權的研究成果、示范技術及平臺，實現法醫學鑒定技術革新和科研成果轉化，是“十三五”國家重點研發計劃項目課題“數字化法醫學鑒定技術研究”的重要研究內容。

1 道路交通事故數字化仿真再現技術研究

課題研究以上海地區涉及交通損傷的案件為主要研究對象，利用遙感航拍、攝影測量、3D激光掃描和數字化重構技術進行道路交通事故仿真數字化再現，為綜合分析和解釋交通事故發生時人-車-道路相互作用的機制以及闡述交通傷形成原因及關聯致傷因素與損傷后果之間的因果關系提供技術手段和數據，最終實現道路交通事故數字化仿真再現，為道路交通事故鑒定與責任認定服務。2016年至2017年間課題組引入遙感航拍、攝影測量、3D激光掃描等技術，多角度、全方位對事故現場進行點云數據采集，對事故現場信息大數據永久固定與保存。并在此基礎上，利用多剛體動力學方法分析交通事故過程中動力學響應參數與交通事故涉案者損傷部位及其傷情嚴重程度之間的內在聯系，對交通事故鑒定中的難點問題，如駕駛員認定、交通行為方式認定進行了探索研究。目前已完成并驗證多技術融合的交通事故現場數字化重建34例。

現階段研究，課題組聯合第三軍醫大學已實現遙感航拍技術對特重大復雜道路交通事故現場的重建，初步實現三維激光掃描技術對肇事車輛破損形態的鑒定分析。三維激光掃描技術，又稱“實景復制技術”，它是利用激光測距的原理，通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，快速、大量的采集空間點位信息，從而快速建立物體的三維數據模型的一種技術手段，是國際上近年逐漸發展起來的一項革命性的高新技術。案例中實際三維激光掃描重建結果發現，肇事車輛的尺寸、外形及撞擊痕跡等特征清晰可見，色彩紋理準確，但仍有部分數據缺失的現象（圖1）。目前利用三維激光掃描重建交通事故現場尚未完全成熟，容易受到復雜場景的幾何結構、未知物體表面反射特性、變化的光照條件等限制，因此如何快速而又精確地掃描出復雜的交通事故現場是后續研究突破的關鍵。

圖1 事故車輛激光掃描重建結果

道路交通事故現場證據固定是事故數字化仿真再現的基礎，事故重建的本質就是以已知部分響應結果，求解初始條件和全部響應過程的逆動力學問題，因此遙感航拍、攝影測量、3D激光掃描等數字化技術進行完整現場證據固定的目的在于真實重建交通事故在時-空-力上的發生過程，綜合分析和解釋交通事故發生時人-車-道路相互作用的機制及交通傷形成原因、關聯致傷因素與損傷后果之間的因果關系。多剛體系統動力學方法是近20年來在經典剛體力學、分析力學和計算機技術基礎上發展起來的力學分支，它以多剛體為研究對象，建立所研究系統的數值模型，通過預測系統內模型的運動學響應、力和加速度等，對道路交通事故中人體損傷致傷方式進行準確重建，并以圖像的形式、動態的效果，完整、直觀地再現事故過程中行人的運動和變形情況。為了使事故盡可能趨向真實，課題組在前期研究的基礎上在法醫學領域首次引入了全局優化設計算法，通過循環迭代進行多次正向求解，尋找滿足條件的最優解。在一起小型普通客車與自行車碰撞事故中，造成自行車涉案者當場死亡，事故判定時交警對自行車涉案者事故當時的交通行為方式（騎行/推行）存在疑問要求鑒定部門回答。課題組在研究過程中利用三維動作捕捉系統，對與騎車人身材相仿的志愿者分別進行騎行和推行狀態的動作捕捉。然后，建立人-自行車-汽車多剛體模型，并設置優化變量的取值范圍，最后利用多目標遺傳算法——帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法（the nondominated sorting genetic algorithm II，NSGAⅡ），對騎行和推行狀態分別進行全局優化求解，結果發現自行車涉案者在事故當時更有可能處于推行狀態，且求得的最優近似解與車輛撞擊痕跡和真實人體損傷情況相符（圖2）。

圖2 最優近似解中假人、自行車、車輛的動力學行為

2 法醫病理學數字化虛擬解剖技術研究

虛擬解剖（virtual autopsy），即利用現代醫學影像學技術和計算機技術構建人體器官組織的圖像，為判斷死亡原因和死亡方式提供線索的一種非侵入性（微創或無創）的新型“解剖”技術。課題研究以上海地區涉及高墜傷、交通傷、機械性損傷、機械性窒息、溺死、猝死、電擊死、醫療糾紛等多種類型的案件為主要研究對象，通過MSCT、MRI、尸體血管造影、3D光學表面掃描等數字化虛擬解剖手段和法醫學尸體解剖相結合，全面收集不同死亡原因下的虛擬解剖數字化資料，實現法醫病理學數字化虛擬解剖技術的應用。至2017年底課題組已開展數字化虛擬解剖技術指導或替代傳統尸體解剖應用于鑒定實踐，進一步深入論證了前期制定的司法部部頒技術規范《法醫學虛擬解剖操作規程》。目前，已完成死亡原因案件的影像學與尸體解剖數據對比分析184例，出具虛擬解剖相關鑒定意見書44份。研究中課題組對溺死案件的虛擬解剖結果做了針對性研究，提供了新的鑒定思路和方法。溺死診斷一直以來是法醫鑒定工作的難點，課題組通過溺死案例的收集，深入分析溺死死后CT影像（post-mortem computed tomography，PMCT），探究虛擬解剖技術在溺死診斷的應用價值。研究發現，PMCT可以有效反映出溺液在體內積聚情況，研究結果顯示死者普遍存在鼻竇積液，部分可見高密度影（圖3），尸體解剖打開蝶竇證實為泥沙類物質（圖4）。氣管、支氣管內可見不同程度的積液，肺部毛玻璃樣改變間接表現出肺部水腫情況。由于個體差異的存在，部分存在胃腸膨脹現象。此外，基于CT自身特性，可有效測量物體密度，通過對心腔內血液密度測量發現，溺死者心腔內血液稀釋，并且左側較右側更為明顯。溺死區別其他死因的關鍵在于溺液的吸入，研究證實PMCT可良好展現，并且對于復雜解剖結構的探查具有獨特優勢，為溺死死因鑒定提供了更為詳細的信息。

圖3 鼻竇內高密度影

圖4 蝶竇內泥沙類物質

后期研究中，課題組將深入研究和探討虛擬解剖技術在不同法醫學死亡原因分析中的適用條件。并通過引入3D光學掃描技術，建立基于3D光學掃描的高精度人體或物體特征性損傷/損壞的形變特征三維重建模型，利用圖像融合技術將虛擬解剖表現結果和真實人體體表損傷實現情況趨向可能的融合，對比尸體解剖結果，實現真實人體損傷形態與虛擬空間碰撞過程的無差別再現。

虛擬解剖技術的另一項重要內容即是血管造影技術，人體血管系統病變和損傷排查一直是困擾著法醫學界的技術難題。課題組在數字化虛擬解剖技術研究過程中通過建立死后血管造影的研究方法，重建全身高質量血管3D可視化模型，為法醫學傷病鑒別診斷分析提供了參考依據。該技術可用于探測尸體內血管畸形、病變以及血管破裂的形態、大小、部位等，并能提供優質的影像學結果或數據，所形成的圖像比尸體血管薄層切片更直觀、更形象，而且可以指導尸體解剖路徑，輔助判斷死亡原因。目前，課題組已實現了全身血管造影、在體器官及離體器官血管造影，完善了死后循環（循環機、壓力泵）及造影劑的選擇與研發。案例中課題組通過左心腔穿刺進行全身血管造影（圖5），操作簡單，消耗時間短，設備、資金要求低，并且全身血管造影效果良好，可滿足血管病變診斷的成像要求。該技術的應用不僅豐富和發展了尸體解剖技術的方法，還增加了司法實踐中非醫學人員對專業圖像的辨識能力。

圖5 全身血管造影

3 人體損傷數字化構模與損傷生物力學參數化研究

人體損傷是法醫鑒定實踐中最重要的一項內容之一，具有發生率高、多涉及違法犯罪活動或疑有違法犯罪行為等特點，準確鑒識和判斷損傷的性質、程度、方向等生物力學特征，不僅是偵查人員分析判斷追蹤疑犯的主要途徑，而且在法律上也是定罪量刑、劃定責任的主要依據。課題研究以涉及人體損傷的暴力性案件為主要研究對象。通過MSCT、MRI等虛擬解剖（影像學診斷）手段和法醫學尸體解剖相結合，全面收集不同外力作用下人體損傷部位的形變信息，進一步通過MIMICS軟件進行圖像數據轉化，利用有限元方法對人體損傷部位建模，并依托所建立的模型模擬在不同致傷方式、不同應力條件下的損傷形態、損傷生物力學變化，實時分析計算其應力、應變、位移、速度、加速度等應力響應參數變化，從而實現力學分析、精確計算推導受力特征，逐步建立起人體損傷數字化模型與損傷生物力學參數化數據庫，為法醫學人體損傷機制分析提供技術手段和數據支撐。2016年至2017年間課題組基于現有國外有限元假人模型，積極完善對人體損傷部位有限元模型的開發和驗證，已逐步建立起具有中國人體特征的有限元模型材料屬性參數數據庫，并基于有限元假人模型和損傷模型開展交通傷、高墜傷、鈍器傷等致傷工具與致傷方式研究，分析不同材料性質、應力變化、形變特征的物體作用于人體產生應力、應變、位移、速度、加速度等應力響應參數變化過程，已逐步建立起人體損傷數字化模型及參數數據庫。

案例研究中，課題組利用THUMS人體模型研究在鈍性外力和高墜條件下，肝、脾的力學特性和損傷反應，并建立了相應的材料屬性參數數據庫。實驗模擬了拳頭以不同的速度（4、5、6、7、8 m/s）擊打右側腹部（肝區）和左側腹部（脾區），和THUMS人體模型以不同姿態（正面俯臥位、左傾30°俯臥位、右傾30°俯臥位姿態）、不同速度（4.85、9.39、12.12、14.35 m/s）撞擊地面的過程。計算輸出應力、應變、位移、接觸力以及特定節點、單元的時程曲線等參量，分析損傷生物力學機制。模擬結果顯示，在相同的拳擊方向下，初始拳速越快，肝、脾損傷發生越早，損傷程度越嚴重，可導致多處破裂。不同拳速導致的肝、脾損傷區域基本一致。高墜軀干部正面著地的情況下，肝損傷多見于肝前側、肝膈面韌帶附著處及肝門，脾損傷多見于脾前外側及脾門，上述部位為最大主應變集中且數值較大的區域。隨著墜落高度增加時，肝、脾損傷區域增加，損傷程度加重，并可出現肝門、脾門等部位的牽拉損傷。同時與前側著地相比，軀干部左側及軀干部右側著地情況下，相應側的組織先受到地面沖擊，同側肋骨與肝、脾損傷發生更早、程度更重。此外，顱骨、腦組織、頸椎、脊柱、骨盆、下肢、皮膚等材料屬性參數及數據庫已初步完成材料收集工作，后續將進一步完善驗證。

4 階段性成果及存在的不足

數字化法醫學鑒定技術目前在國際上仍屬于前沿性、交叉性及有持續發展優勢的研究內容，研究趨勢上具有很大的上升性和外延性，但同樣的，對于研究人員的能力要求也甚高，不僅要有豐富的醫學知識、法醫學臨案思維，還要有強大的計算機操作能力、工程學解析能力、材料力學和生物力學分析能力等，相關復合型人才的培養是課題研究的掣肘所在，也是重要輸出內容。截至目前，課題組基本按計劃完成任務書要求的研究內容，發表期刊論文6篇（其中SCI論文3篇），申請相關發明專利2項，出版專著3部。

由于本課題研究介紹的道路交通事故證據模型數字化重構、數字化虛擬解剖、人體損傷數字化構模與生物力學響應分析等專題研究，尚存在一定的技術缺陷與盲點，數字化技術尚不能完全替代傳統的法醫學鑒定與研究手段。但不容置疑的是數字化方法在法醫學鑒定與研究中的重要性將越發凸顯，將數字化技術與傳統鑒定手段相結合，形成包括專家體系、數據信息體系及計算機體系的損傷分析新模式，必將有力保障法醫學鑒定及其所形成的科學證據（鑒定意見書）的嚴謹性、客觀性和準確性。