《数字化法医学鉴定技术研究》课题研究进展

邹冬华，孙杰，陈忆九

（司法鉴定科学研究院上海市法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海200063）

随着司法鉴定体制的不断完善，对证据的科学性、严谨性和程序性等提出了越来越严格的要求，囿于传统法医学技术的发展，近年来，因代义案、念斌案等引发了诸多对鉴定程序、鉴定技术上的争议。传统的法医学鉴定技术仍较多停留在肉眼观察和经验判断上，面对逐渐科技化的犯罪手段和要求逐步严密化的法庭证据形势，鉴定手段有时在证据的效力上显得较为单薄，据此形成的证据链在某些关键细节上经不起推敲和盘问，有些还会因证据瑕疵而引起反复缠访、闹访，甚至是群体性事件的发生，给社会稳定带来了不确定因素。

因此，紧跟现代化科学技术发展前沿，以“他山之玉”带动法医学鉴定技术的革新，是数字化法医学鉴定技术发展的根本。融合医学影像学、工程力学、计算机仿真学、生物力学等多学科优势形成的数字化法医学鉴定新模式，相比传统的法医学鉴定手段，在现场证据固定及法医学损伤鉴定等内容上提供的证据科学性、直观性和说服力具有显著优势。以数字化法医学技术为引领，以实际检案需求为导向，着重通过遥感航拍、3D激光扫描、数字化仿真技术、影像学技术及有限元法等数字化技术，集中优势力量开展道路交通事故证据模型数字化重构、数字化虚拟解剖、人体损伤数字化构模与生物力学响应分析等专题研究，形成以实际案例为基础和导向、以法医学数字化技术为引领和提高、理论研究成果向实际应用转化、行业重大共性关键技术共同分享的一批具有自主知识产权的研究成果、示范技术及平台，实现法医学鉴定技术革新和科研成果转化，是“十三五”国家重点研发计划项目课题“数字化法医学鉴定技术研究”的重要研究内容。

1 道路交通事故数字化仿真再现技术研究

课题研究以上海地区涉及交通损伤的案件为主要研究对象，利用遥感航拍、摄影测量、3D激光扫描和数字化重构技术进行道路交通事故仿真数字化再现，为综合分析和解释交通事故发生时人-车-道路相互作用的机制以及阐述交通伤形成原因及关联致伤因素与损伤后果之间的因果关系提供技术手段和数据，最终实现道路交通事故数字化仿真再现，为道路交通事故鉴定与责任认定服务。2016年至2017年间课题组引入遥感航拍、摄影测量、3D激光扫描等技术，多角度、全方位对事故现场进行点云数据采集，对事故现场信息大数据永久固定与保存。并在此基础上，利用多刚体动力学方法分析交通事故过程中动力学响应参数与交通事故涉案者损伤部位及其伤情严重程度之间的内在联系，对交通事故鉴定中的难点问题，如驾驶员认定、交通行为方式认定进行了探索研究。目前已完成并验证多技术融合的交通事故现场数字化重建34例。

现阶段研究，课题组联合第三军医大学已实现遥感航拍技术对特重大复杂道路交通事故现场的重建，初步实现三维激光扫描技术对肇事车辆破损形态的鉴定分析。三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”，它是利用激光测距的原理，通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，快速、大量的采集空间点位信息，从而快速建立物体的三维数据模型的一种技术手段，是国际上近年逐渐发展起来的一项革命性的高新技术。案例中实际三维激光扫描重建结果发现，肇事车辆的尺寸、外形及撞击痕迹等特征清晰可见，色彩纹理准确，但仍有部分数据缺失的现象（图1）。目前利用三维激光扫描重建交通事故现场尚未完全成熟，容易受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件等限制，因此如何快速而又精确地扫描出复杂的交通事故现场是后续研究突破的关键。

图1 事故车辆激光扫描重建结果

道路交通事故现场证据固定是事故数字化仿真再现的基础，事故重建的本质就是以已知部分响应结果，求解初始条件和全部响应过程的逆动力学问题，因此遥感航拍、摄影测量、3D激光扫描等数字化技术进行完整现场证据固定的目的在于真实重建交通事故在时-空-力上的发生过程，综合分析和解释交通事故发生时人-车-道路相互作用的机制及交通伤形成原因、关联致伤因素与损伤后果之间的因果关系。多刚体系统动力学方法是近20年来在经典刚体力学、分析力学和计算机技术基础上发展起来的力学分支，它以多刚体为研究对象，建立所研究系统的数值模型，通过预测系统内模型的运动学响应、力和加速度等，对道路交通事故中人体损伤致伤方式进行准确重建，并以图像的形式、动态的效果，完整、直观地再现事故过程中行人的运动和变形情况。为了使事故尽可能趋向真实，课题组在前期研究的基础上在法医学领域首次引入了全局优化设计算法，通过循环迭代进行多次正向求解，寻找满足条件的最优解。在一起小型普通客车与自行车碰撞事故中，造成自行车涉案者当场死亡，事故判定时交警对自行车涉案者事故当时的交通行为方式（骑行/推行）存在疑问要求鉴定部门回答。课题组在研究过程中利用三维动作捕捉系统，对与骑车人身材相仿的志愿者分别进行骑行和推行状态的动作捕捉。然后，建立人-自行车-汽车多刚体模型，并设置优化变量的取值范围，最后利用多目标遗传算法——带精英策略的快速非支配排序遗传算法（the nondominated sorting genetic algorithm II，NSGAⅡ），对骑行和推行状态分别进行全局优化求解，结果发现自行车涉案者在事故当时更有可能处于推行状态，且求得的最优近似解与车辆撞击痕迹和真实人体损伤情况相符（图2）。

图2 最优近似解中假人、自行车、车辆的动力学行为

2 法医病理学数字化虚拟解剖技术研究

虚拟解剖（virtual autopsy），即利用现代医学影像学技术和计算机技术构建人体器官组织的图像，为判断死亡原因和死亡方式提供线索的一种非侵入性（微创或无创）的新型“解剖”技术。课题研究以上海地区涉及高坠伤、交通伤、机械性损伤、机械性窒息、溺死、猝死、电击死、医疗纠纷等多种类型的案件为主要研究对象，通过MSCT、MRI、尸体血管造影、3D光学表面扫描等数字化虚拟解剖手段和法医学尸体解剖相结合，全面收集不同死亡原因下的虚拟解剖数字化资料，实现法医病理学数字化虚拟解剖技术的应用。至2017年底课题组已开展数字化虚拟解剖技术指导或替代传统尸体解剖应用于鉴定实践，进一步深入论证了前期制定的司法部部颁技术规范《法医学虚拟解剖操作规程》。目前，已完成死亡原因案件的影像学与尸体解剖数据对比分析184例，出具虚拟解剖相关鉴定意见书44份。研究中课题组对溺死案件的虚拟解剖结果做了针对性研究，提供了新的鉴定思路和方法。溺死诊断一直以来是法医鉴定工作的难点，课题组通过溺死案例的收集，深入分析溺死死后CT影像（post-mortem computed tomography，PMCT），探究虚拟解剖技术在溺死诊断的应用价值。研究发现，PMCT可以有效反映出溺液在体内积聚情况，研究结果显示死者普遍存在鼻窦积液，部分可见高密度影（图3），尸体解剖打开蝶窦证实为泥沙类物质（图4）。气管、支气管内可见不同程度的积液，肺部毛玻璃样改变间接表现出肺部水肿情况。由于个体差异的存在，部分存在胃肠膨胀现象。此外，基于CT自身特性，可有效测量物体密度，通过对心腔内血液密度测量发现，溺死者心腔内血液稀释，并且左侧较右侧更为明显。溺死区别其他死因的关键在于溺液的吸入，研究证实PMCT可良好展现，并且对于复杂解剖结构的探查具有独特优势，为溺死死因鉴定提供了更为详细的信息。

图3 鼻窦内高密度影

图4 蝶窦内泥沙类物质

后期研究中，课题组将深入研究和探讨虚拟解剖技术在不同法医学死亡原因分析中的适用条件。并通过引入3D光学扫描技术，建立基于3D光学扫描的高精度人体或物体特征性损伤/损坏的形变特征三维重建模型，利用图像融合技术将虚拟解剖表现结果和真实人体体表损伤实现情况趋向可能的融合，对比尸体解剖结果，实现真实人体损伤形态与虚拟空间碰撞过程的无差别再现。

虚拟解剖技术的另一项重要内容即是血管造影技术，人体血管系统病变和损伤排查一直是困扰着法医学界的技术难题。课题组在数字化虚拟解剖技术研究过程中通过建立死后血管造影的研究方法，重建全身高质量血管3D可视化模型，为法医学伤病鉴别诊断分析提供了参考依据。该技术可用于探测尸体内血管畸形、病变以及血管破裂的形态、大小、部位等，并能提供优质的影像学结果或数据，所形成的图像比尸体血管薄层切片更直观、更形象，而且可以指导尸体解剖路径，辅助判断死亡原因。目前，课题组已实现了全身血管造影、在体器官及离体器官血管造影，完善了死后循环（循环机、压力泵）及造影剂的选择与研发。案例中课题组通过左心腔穿刺进行全身血管造影（图5），操作简单，消耗时间短，设备、资金要求低，并且全身血管造影效果良好，可满足血管病变诊断的成像要求。该技术的应用不仅丰富和发展了尸体解剖技术的方法，还增加了司法实践中非医学人员对专业图像的辨识能力。

图5 全身血管造影

3 人体损伤数字化构模与损伤生物力学参数化研究

人体损伤是法医鉴定实践中最重要的一项内容之一，具有发生率高、多涉及违法犯罪活动或疑有违法犯罪行为等特点，准确鉴识和判断损伤的性质、程度、方向等生物力学特征，不仅是侦查人员分析判断追踪疑犯的主要途径，而且在法律上也是定罪量刑、划定责任的主要依据。课题研究以涉及人体损伤的暴力性案件为主要研究对象。通过MSCT、MRI等虚拟解剖（影像学诊断）手段和法医学尸体解剖相结合，全面收集不同外力作用下人体损伤部位的形变信息，进一步通过MIMICS软件进行图像数据转化，利用有限元方法对人体损伤部位建模，并依托所建立的模型模拟在不同致伤方式、不同应力条件下的损伤形态、损伤生物力学变化，实时分析计算其应力、应变、位移、速度、加速度等应力响应参数变化，从而实现力学分析、精确计算推导受力特征，逐步建立起人体损伤数字化模型与损伤生物力学参数化数据库，为法医学人体损伤机制分析提供技术手段和数据支撑。2016年至2017年间课题组基于现有国外有限元假人模型，积极完善对人体损伤部位有限元模型的开发和验证，已逐步建立起具有中国人体特征的有限元模型材料属性参数数据库，并基于有限元假人模型和损伤模型开展交通伤、高坠伤、钝器伤等致伤工具与致伤方式研究，分析不同材料性质、应力变化、形变特征的物体作用于人体产生应力、应变、位移、速度、加速度等应力响应参数变化过程，已逐步建立起人体损伤数字化模型及参数数据库。

案例研究中，课题组利用THUMS人体模型研究在钝性外力和高坠条件下，肝、脾的力学特性和损伤反应，并建立了相应的材料属性参数数据库。实验模拟了拳头以不同的速度（4、5、6、7、8 m/s）击打右侧腹部（肝区）和左侧腹部（脾区），和THUMS人体模型以不同姿态（正面俯卧位、左倾30°俯卧位、右倾30°俯卧位姿态）、不同速度（4.85、9.39、12.12、14.35 m/s）撞击地面的过程。计算输出应力、应变、位移、接触力以及特定节点、单元的时程曲线等参量，分析损伤生物力学机制。模拟结果显示，在相同的拳击方向下，初始拳速越快，肝、脾损伤发生越早，损伤程度越严重，可导致多处破裂。不同拳速导致的肝、脾损伤区域基本一致。高坠躯干部正面着地的情况下，肝损伤多见于肝前侧、肝膈面韧带附着处及肝门，脾损伤多见于脾前外侧及脾门，上述部位为最大主应变集中且数值较大的区域。随着坠落高度增加时，肝、脾损伤区域增加，损伤程度加重，并可出现肝门、脾门等部位的牵拉损伤。同时与前侧着地相比，躯干部左侧及躯干部右侧着地情况下，相应侧的组织先受到地面冲击，同侧肋骨与肝、脾损伤发生更早、程度更重。此外，颅骨、脑组织、颈椎、脊柱、骨盆、下肢、皮肤等材料属性参数及数据库已初步完成材料收集工作，后续将进一步完善验证。

4 阶段性成果及存在的不足

数字化法医学鉴定技术目前在国际上仍属于前沿性、交叉性及有持续发展优势的研究内容，研究趋势上具有很大的上升性和外延性，但同样的，对于研究人员的能力要求也甚高，不仅要有丰富的医学知识、法医学临案思维，还要有强大的计算机操作能力、工程学解析能力、材料力学和生物力学分析能力等，相关复合型人才的培养是课题研究的掣肘所在，也是重要输出内容。截至目前，课题组基本按计划完成任务书要求的研究内容，发表期刊论文6篇（其中SCI论文3篇），申请相关发明专利2项，出版专著3部。

由于本课题研究介绍的道路交通事故证据模型数字化重构、数字化虚拟解剖、人体损伤数字化构模与生物力学响应分析等专题研究，尚存在一定的技术缺陷与盲点，数字化技术尚不能完全替代传统的法医学鉴定与研究手段。但不容置疑的是数字化方法在法医学鉴定与研究中的重要性将越发凸显，将数字化技术与传统鉴定手段相结合，形成包括专家体系、数据信息体系及计算机体系的损伤分析新模式，必将有力保障法医学鉴定及其所形成的科学证据（鉴定意见书）的严谨性、客观性和准确性。