早期的OCT系统大多采用了时域OCT的设计, 即通过扫描参考臂的光程, 达到沿着深度方向扫描样品的目的。图1为时域OCT原理图, 主要由光源、迈克耳逊干涉仪、信号探测与处理这几个部分组成。从宽带光源（带宽越宽, 分辨率越高）发出的光经过光纤耦合器分为两部分, 一部分进入参考臂, 经过平面镜反射后返回, 另一部分经过扫描振镜和物镜后聚焦到样品中, 样品的背向反射和散射光又沿原光路返回。当参考臂和样品臂的光程差在光源的相干长度范围内时, 从参考臂和样品臂返回的光将发生干涉, 干涉信号将被光电探测器检测转换为电信号被记录下来。因此, 当参考臂的光程发生变化时, 系统所检测到的样品信号也将来自样品的不同深度, 这样就实现了样品深度方向的一线扫描（Z方向）, 也称A-scan。样品横向的扫描则是通过样品臂的扫描振镜实现。当扫描振镜产生一维振动时, 可以得到二维OCT图像, 也称B-scan; 当扫描振镜产生二维振动时, 可以得到三维OCT图像^[3]。由于参考臂的前后扫描, 干涉信号实际是受到一定频率的调制, 所以还需要经过解调、滤波、放大等信号处理变成最后显示的图像。由于需要在参考臂引入光程扫描, 这始终限制了时域OCT的成像速度。

图 1

Fig.1

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	图 1 时域OCT原理图Fig.1 Typical configuration of TD-OCT system

频域OCT在近年来渐渐取代了时域OCT, 其无需在参考臂中进行光程扫描, 直接一次性获取A-scan, 成像速度极大提高。频域OCT的参考臂无需扫描, 它一次性采集某一横向位置深度方向的干涉光谱信号, 也就是频域信号。深度方向的时域信号就编码在这个光谱里。每一个A-scan实际就对应一个干涉光谱, 对光谱做傅里叶变换即可恢复出时域信号。频域OCT省去了传统时域OCT当中深度扫描的时间, 极大提高了成像采集速度。获得干涉光谱目前主要有两种方法, 一种是基于光谱仪, 另一种是基于扫频光源。前者称之为光谱频域OCT（spectral domain OCT, SD-OCT）, 后者称之为扫频OCT（swept source OCT, SS-OCT）。SD-OCT是通过一个基于光栅和透镜的光谱仪, 将干涉信号分光再聚焦到线阵电荷耦合元件（charge-coupled device, CCD）上获得干涉光谱的。SS-OCT则是通过采用一个输出波长随时间高速扫描的扫频光源, 再通过探测器记录下每一波长的信号进而得到干涉光谱。

时域OCT 与频域OCT 技术扫描的是与光波的入射方向平行的纵向截面, 因此这些技术被称为纵向扫描式OCT（cross-sectional OCT）, 而全场OCT技术扫描的则是与光波的入射方向垂直的横向截面, 因此就被称为横向扫描式OCT（en-face OCT）。全场OCT技术采用了开放式光路及对整个视野的面照明方式, 并利用并行探测器— 二维CCD 直接对样品的二维横向截面进行了断层成像, 深度方向信息则通过样品臂的Z 方向扫描得到。“ 全场” 二字就来源于其面照明。面照明和并行探测技术的结合, 使得只需扫一维即可获取三维信息, 从而大大简化成像系统, 也降低了成像所需时间。同时, 由于采用了超宽带光源, 全场OCT是一种超高分辨率的成像技术, 其纵向分辨率可达到1μ m甚至亚微米级。有研究者报道了不同深度处洋葱皮的全场高分辨OCT图像^[4], 从中可以清晰看到洋葱细胞结构, 该全场OCT系统的纵向分辨率2.8μ m, 横向分辨率0.7μ m。

上述时域OCT和频域OCT是根据光学散射性质的不同区分出各种组织和结构。然而, 在很多时候, 组织之间的散射系数区别不是很大, 因此导致图像上无法区分。为此, 科学家们研发出了很多功能拓展型OCT 技术, 使得除了传统OCT 技术所能得到的背向散射强度信息外, 还可以获取和量化其他有用的信息。

1.4.1 偏振敏感OCT（polarization-sensitive OCT, PS-OCT）

PS-OCT是通过两组探测器分别探测干涉光在相互垂直的两个偏振方向信号的幅度和相位, 然后计算Stokes矢量和穆勒矩阵, 从而得到样品的偏振信息。该技术结合了对偏振信息的探测, 可得到组织结构的双折射、旋光等与偏振相关的信息, 丰富和增强了可获取的信息。偏振敏感OCT已经在很多生物组织中得到了应用, 如皮肤、骨骼、食道、牙齿等。在医学上, 偏振敏感OCT常被用来评估皮肤的烧伤程度^[5], 皮肤含有一种胶原质, 是一种双折射材料, 遇到高温会失去双折射特性, 因此烧伤的皮肤和正常皮肤的偏振敏感OCT图像将会有差异。

1.4.2 多普勒OCT（Doppler OCT, ODT）

通过测量从移动样品中反射回来的光的多普勒频移, 可以计算样品移动的速度。根据这一原理, 研究者们开发出了多普勒OCT, 用来测量血流或其它液体流动的速度。将其与结构成像OCT结合, 可以同时得到样品的强度信息和流速信息。多普勒OCT技术不仅可以得到强度图像, 更重要地是可以检测出血管位置（包括流速等信息）, 描绘出眼底的血管分布图^[6]。

1.4.3 光谱OCT（spectroscopic OCT, S-OCT）

由于采用了宽带光源作为照明, 因此从样品返回的光信号也携带了样品的光谱信息, 利用短时傅里叶变换（short-time Fourier transform, STFT）可得到OCT纵向一线的时频分析图, 根据时频分析图, 可以研究样品对特定波长的光的吸收或散射性质。与光谱成像（spectral imaging）技术相比, 光谱OCT技术不仅可以得到表面光谱图像, 还可以得到断层光谱图像, 即样品深度方向横截面的光谱图像, 用以增强OCT图像的对比度^[7]。光谱OCT技术很好地反映了组织内物质的光谱吸收和散射性质差异。

1.4.4 弹性成像OCT（optical coherence tomographic elastography, OCE）

外力会导致样品发生变形, 不同物质的杨氏模量（弹性）不同, 对外力的响应（产生的位移）也不同, 测量这些物质对外力的响应。即可获取其力学性质, 达到区分不同物质的目的, 弹性成像也是OCT技术的一种重要的功能拓展。样品中有嵌入物时, 由于嵌入物和周边材料的力学性质不同, 当对样品施加外力作用时, 嵌入物和周边材料的位移量将产生差异^[8], 可以清晰地从位移图中看到嵌入物的形态。弹性成像OCT技术可用来区分具有不同力学性质的物质。

OCT技术是一种无损断层成像技术, 不仅可以获取样品表面信息, 更可以穿透样品, 获取样品内部的信息。这一特点极大拓展了光学检验的范围, 可为案件侦查提供更全面、更丰富的信息。

2.1.1 潜指纹和伪指纹成像

随着指纹越来越多的被人们所认识, 很多犯罪分子作案时会有意减少指纹的现场遗留, 目前实际案件中较难采集到条件较好的指纹, 提取到的大多是条件较差的潜指纹。而其对比度低、变化大、面积小、特征少且不稳定, 给检验工作带来了很大困难。提取潜指纹的方法目前仍采用熏显或紫外照相等方法, 这些方法一是容易破坏原始指纹物证, 二是操作繁琐精度不高。另一方面, 也越来越多地出现伪造的指纹, 给安防领域造成不小的困扰。所以在世界范围内, 指纹, 尤其是潜指纹和伪指纹的显现, 成为一个被重点关注的研究课题。利用OCT技术实现指纹的断层信息提取, 具有独特的优势。这方面, 国内外有许多研究小组进行了相关研究。OCT指纹成像无需对样品做任何预处理即可获得高分辨率的指纹图谱, 且对低反射率基底上的潜指纹提取依然有效。Dubey等将全场OCT与扫频OCT技术结合, 对潜指纹进行了OCT成像研究^{[9, 10]}, 将OCT获得的潜指纹某深度方向图像与合适光照条件下高分辨相机拍摄的潜指纹图对比, 两者吻合度较高, 证明OCT成像真实反映了样品原貌。OCT技术对于一些对比度不高的指纹痕迹也有较好地成像效果。鲍文等报道一种基于频域OCT 相位信息提取光滑物体表面遗留指纹的方法^[11]。利用希尔伯特(Hilbert) 变换提取干涉光谱的相位信息, 并经相位解包裹等处理, 得到指纹的“ 高度” 信息, 从而实现指纹的显现。

虽然指纹具有个体特异性, 但是由于传统的指纹采集只得到一幅二维图像, 可能存在伪造的情况。OCT的断层成像特点则可以很快区分指纹的真伪。Meissner等报道了利用扫频OCT技术鉴别指纹真伪的工作^[12], 从断层图中可以清晰分辨和区分真假指纹。类似的伪指纹识别成像报道还有许多 ^{[13, 14]}。

2.1.2 假币鉴别

目前的假币鉴别大多仅仅利用了纸币的表面信息, 事实上, 还有很多信息隐藏在纸币表面以下, 对这些信息进行伪造的难度更大, 因此利用OCT技术对这些纸币进行断层成像提取潜在信息, 可以大大提升假币鉴别的水平。韩国学者Choi等人将全场OCT技术应用于假币的鉴别^[15]。见图2, 该图显示了韩元的OCT断层图像, 可以明显看到其分层结构。另外, 如箭头区域所示, 还可以观察到箭头所示的包埋在该区域的点状空隙这一特征。这些特征均可以用来鉴别纸币真伪。

图 2

Fig.2

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图 2 利用全场OCT对韩元纸币进行鉴别。（a）纸币表面OCT图像; （b）A线所示的二维断层OCT图像; （c）B线所示的二维断层OCT图像[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 油画鉴定

按照传统方法使用画架作油画, 需要画很多层, 涂层可能包括画的轮廓、画作本身、半透明釉彩涂层, 以及最终的透明清漆等。专家会利用各种技术来探究画作的内部, 来发现画作各部分的先后顺序及变化, 比如伪造的签名和其它对原画的更改。但是传统的鉴别方法可能对作品材质产生损伤, 或者灵敏度不足以发现微小的细节。波兰的Targowski等学者利用OCT技术实现了对油画作品的无损探测^[16], 用OCT技术分析了18~19世纪的2幅油画, 发现其中一幅画 “ Saint Leonard of Porto Maurizio” 的题词 “ St. Leonard” 是在画作完成后若干年才添加上去的。另一幅画“ Portrait of an unknown woman” 中, 通过对OCT图像进行分析, 该研究分析认为也可能存在伪造画家签名的问题。这个例子说明OCT技术的断层成像能力在文件检验领域也可以发挥重要作用, 因其可以穿透一定深度的样品, 发现显微镜无法观察到的断层结构。

2.1.4 纹身鉴别

随着时代的发展, 越来越多的年轻人热衷于在自己身上纹身以彰显个性。纹身也逐渐成为人身体的一个重要特征。对纹身的鉴别和研究, 可以在一定程度上缩小侦查范围, 甚至实现个体识别。纹身是用针刺入皮肤内部注入颜料, 而在皮肤上制造一些永久性的图案或文字。颜料分布于皮肤内表面真皮层, 因此适合利用OCT这种断层成像技术进行研究。无纹身的正常皮肤可以清晰分辨表皮层和真皮层的分界面, 有纹身的区域往往会出现一些暗结构, 这是纹身颜料的聚集导致^[17]。由于黑色的纹身颜料对光有很强吸收, 因此有纹身皮肤的OCT图像深度较无纹身的区域更浅。根据这些纹身的形态或光学性质, 可以将纹身作为一种个体识别特征进行鉴别和比对分析, 更进一步可以根据纹身的特性进行纹身溯源, 缩小排查范围。

OCT的三维高分辨成像能力, 可以实现对一些检材的高质量成像和定量分析, 直观精确地反映检材的属性和特征。

2.2.1 多层信息提取和分离

快速三维成像可得到样品内各个深度的横截面图像, 而高分辨率则保证了更精确的层析能力和更清晰的横截面图像。当样品是由多层物质混杂在一起时, 三维高分辨OCT技术可用来实现目标物质信息提取, 并剥离背景干扰。全场OCT技术就是一种三维高分辨成像技术。Chang等人利用全场OCT实现多层信息的分层提取^[18], 见图3, 两层文字和两层指纹叠加在一起, 相机拍摄的照片见图3 (b), 四层物质几乎无法分辨, 由于高分辨的断层成像能力和三维成像能力, OCT提取到的各层信息见图3(c)~(f), 它不仅区分了两层不同的文字, 更区分出了两枚先后重叠在一起的指纹, 进一步显示了OCT在区分不同层物质方面的重要作用。由于高分辨OCT具有分层横截面成像的特点, 它还可以用来鉴别物质附着的先后时序, 例如, 针对地面上鞋印和血迹的混合检材, 区分两者附着在地面的先后顺序对于确定嫌疑人具有重要价值; 在文件检验领域, 也可以区分印章和文字的时序。

图 3

Fig.3

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	图 3 全场OCT实现多层信息的分层提取[18]。（a）四层物质叠加示意图; （b）拍摄实物图; （c）第一层文字OCT图; （d）第二层文字OCT图; （e）第三层潜指纹OCT图; （f）第四层潜指纹OCT图。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 样品信息的定量分析

2013年Laan等人在Journal of Forensic Sciences上报道了他们对犯罪现场血斑的OCT成像研究^[19], 即利用OCT技术对落在不同基底上的血斑进行三维成像, 并据此直接测量了相应基底下血斑的体积, 而不再根据血斑的重量推算。根据此方法, 该研究还进一步获取了干血和新鲜血的体积比, 从而可以根据犯罪现场的干血痕迹体积推断原始新鲜血斑的体积等信息, 为侦查提供重要线索。见图4, (a)图是新鲜血和干血的二维OCT图像, (b)图是新鲜血和干血的三维OCT图像。利用OCT技术测量新鲜血斑落在规则平面基底和非规则基底的体积, 误差分别为2%和4%。利用OCT三维高分辨成像能力实现血斑体积、溅射角度、形貌等信息的定量分析, 对于判断案发时间、推断案情具有重要价值。另外, 结合毒物分析技术, 还可以获取血液中毒物浓度等信息, 为案件侦查提供有价值的信息和线索。从以上可以看出, 三维高分辨OCT技术不失为一种有效的、新型的定性分析技术手段, 可以为侦查提供直接、及时、较准确的信息。

图 4

Fig.4

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	图 4 OCT血斑成像[19]。（a）新鲜血斑和干血的二维断层OCT图像; （b）新鲜血斑和干血的三维OCT图像。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技术的三维高分辨能力还可以实现多生物特征融合高分辨成像。Liu等人利用多普勒高分辨OCT技术获得了人的手指内表层的毛细血管、汗管分布, 并结合指纹图, 得到手指的血管指纹合成图谱^{[20, 21]}, 从而可以进行个体特征识别。见图5^[20], 三维高分辨OCT技术可以对手指皮肤内部乳头层结构进行成像。由于乳头层结构图样与表面指纹结构图样一致, 故利用OCT技术可以避免手指表皮指纹磨损、伪指纹等的干扰, 获取真实的指纹信息。另一方面, 三维高分辨OCT技术不仅可以得到指纹图样, 还可以得到血管、汗管等器官结构在手指内部的分布信息, 这些细节特征信息相互融合, 将可以极大提升生物特征个体识别的准确率。

图 5

Fig.5

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图 5 OCT手指成像[20]。（a）手指三维OCT图; （b）表皮层OCT强度图; （c）真皮层OCT强度图; （d）c图红线处OCT断层二维图; （e）真皮层血管分布图; （f）全深度血管分布图; （g）汗管、血管分布图; （h）汗管、血管、指纹结构分布图。Fig.5 OCT imaging of finger 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 μ m); and (h) overlayed en-face images of sweat pores, capillary loop vasculature and structure.

2.2.4 超高分辨率毛发成像

前面提到, 全场OCT由于采用了超宽带光源, 是一种超高分辨率的成像技术, 其纵向分辨率可达到1 μ m甚至亚微米级。头发是法庭科学领域一种重要的检材, 其中蕴含或附着诸多个体特征信息。如图6所示为不同深度处人的头发的全场OCT图像^[22]。该全场OCT系统的纵向分辨率0.8 μ m, 横向分辨率0.4 μ m, 图中可以清晰观察到头发的精细结构。

图 6

Fig.6

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	图 6 人体黑色头发在不同深度的全场OCT横截面图像[22]。（a）表面; （b）深度4 μ m; （c）深度6 μ m; （d）深度7 μ m。Fig.6 En-face (XY) OCT images of human scalp black hair shaft [22]. (a) surface, (b) at 4 μ m depth, (c) at 6 μ m depth, and (d) at 7 μ m depth.

2.3.1 尸体死亡时间推断

有研究者还将OCT技术应用到死亡时间推断中。尸体死亡时间是案件侦查的重要线索。在法医学上, 一种推断死亡时间的方法是通过解剖尸体中尸蛹, 观察其形态, 得到其年龄, 从而精确推断尸体死亡时间。但是, 这些方法有损且繁琐。Brown等就利用OCT技术观察活体尸蛹的形态变化^[23], 结果显示, 4天的尸蛹与10天的尸蛹在形态上有明显区别, 文章指出, 该方法可用来推断尸体死亡时间。

2.3.2 非接触式枪弹检验

利用最先进的VCSEL-OCT技术, 还可以实现非接触大成像深度成像^[24], 图7是掩埋在凝胶中的不同类型子弹及其OCT图像, 从横截面OCT图像中还可分辨出刻在子弹上的文字标记。该技术以牺牲一定分辨率换取较大的成像范围, 在一些被掩埋的物证信息提取, 例如枪弹、爆炸物检验等方面有潜在应用。

图 7

Fig.7

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	图 7 掩埋在凝胶中的不同子弹OCT图像[24]。(a) 掩埋在凝胶中的不同子弹实物图; (b) 掩埋在凝胶中的不同子弹三维OCT及横截面图像; (i) 9 mm 子弹; （ii）5.56 mm子弹。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 rifle bullet.