På morgonen den 22 mars, 1915, invånare i den lilla staden West Shelby, New York, vaknade till en fruktansvärd scen. En kvinna klädd endast i ett blodigt nattlinne låg skjuten till döds i snön på tröskeln till en invandrad dräng, Charles Stielow. Över gatan, i bondgården där Stielow nyligen hade börjat arbeta och där den döda kvinnan hade hållit hus, Den 70-årige bonden Charles Phelps hittades skjuten och medvetslös. Han dog några timmar senare.

Efter att ha upptäckt att Stielow ljög när han berättade för utredarna att han inte ägde en pistol, polisen grep honom den 21 augusti, 1915. Under Stielows rättegång, en självutnämnd kriminolog, Albert Hamilton, vittnade om att de nio stötarna han sa att han hittade inuti pipan på Stielows kaliber .22 revolver matchade de nio skrapmärken han hade identifierat på samma kaliberkulor på brottsplatsen. Även om Hamilton aldrig visade sina bevis för juryn, förklara att fynden var så tekniska att de bara kunde urskiljas av en expert, Stielow befanns skyldig till mord i första graden. Han dömdes till döden i den elektriska stolen och skickades till Sing Sing-fängelset för att vänta på avrättning.

Flera personer som känner till fallet, inklusive biträdande vaktmästaren på Sing Sing, blev övertygad om att Stielow var oskyldig och att hans bekännelse innehöll ord som drängen, som var mentalt utmanad, kunde inte ha förstått än mindre yttrat. Bara en vecka innan Stielow var planerad att bli elektrocuterad den 11 december, 1916, guvernören i New York krävde en ny utredning. En vapenexpert från New Yorks polisavdelning jämförde kulorna från mordplatsen med de som provskjutits från Stielows pistol. Även med ögat, markeringarna på de två uppsättningarna kulor såg inte likadana ut men för att vara säker, optikern Max Poser studerade dem under mikroskopet. Kulorna från mordplatsen kunde inte ha avfyrats från Stielows pistol, förklarade han.

Posers analys gjorde inte bara Stielow fri, det gjorde historia som ett av de första exemplen på att tillämpa moderna kriminaltekniska tekniker för att identifiera skjutvapen.

I dag, rättsmedicinska forskare använder fortfarande en typ av mikroskop, utvecklad och fulländad av två av Posers kollegor på 1920-talet, för att undersöka kulor eller patronhylsor på brottsplatsen – metallcylindrarna som håller pulvret och kulorna innan de avfyras. Känt som ett jämförelsemikroskop, enheten består av två mikroskop sammankopplade med en optisk brygga.

Mikroskopets delade skärm möjliggör en jämförelse sida vid sida av de minimala skrapmärkena, eller ränder, på kulor eller patronhylsor som hittats på brottsplatsen med markeringarna på kulor eller fodral provskjutna från en viss pistol. Dessa ränder ges på kulor när de pressas genom spirallindningarna, kallas rifling, ner en pistolpipa i hög hastighet och tryck.

Vapengranskaren justerar positionen för den provskjutna kulan tills dess ränder bäst matchar dem på brottsplatsens kula. På det här sättet, granskaren kan ge sitt expertutlåtande om huruvida kulorna på brottsplatsen kom från samma pistol som provavfyrades.

Metoden är mycket framgångsrik, men jämförelseresultaten är subjektiva, beroende av examinatorns expertis. Den visuella jämförelsen tillåter inte vapenexperten att objektivt kvantifiera nivån av osäkerhet i jämförelsen. Till exempel, vad är sannolikheten att få jämförelseresultatet om kulorna faktiskt kom från samma skjutvapen eller från olika skjutvapen? Domstolar föredrar nu sådan statistisk information, vilket är, till exempel, tillhandahålls rutinmässigt av DNA-experter när de vittnar om genetiska bevis.

Förra året, NIST-forskare har premiärvisat en datorbaserad jämförelsemetod som kan ge denna numeriska information. Algoritmen, känd som kongruenta matchande profilsegment (CMPS), förlitar sig på detaljerade 3D-kartor.

"Vapenexperter är faktiskt ganska bra på att göra jämförelser, så det är inte en fråga om att ersätta mänskligt omdöme med en datoralgoritm, " noterade NIST-forskaren Robert Thompson, en medlem av NIST-teamet. "Algorithmen ger ett sätt att matematiskt bedöma tillförlitligheten av expertens resultat."

Avgörande, istället för att jämföra den övergripande kartan, eller profil, av en kula till en annan, Algoritmen delar först upp profilen för varje kula från brottsplatsen i små, icke-överlappande segment. Sedan, det ser ut för att se om något av de individuella segmenten matchar någon del av en testavfyrad kula.

Segmenteringen är en viktig egenskap eftersom kulor från brottsplatsen vanligtvis deformeras eller splittras efter att de har rikoscherats från en fast yta eller snabbt bromsat in i människokroppen. Som en konsekvens, räfflor kan raderas, expanderat eller flyttat i position. Att jämföra hela profilen av en sådan deformerad kula med de orörda markeringarna av en kula som provskjuts i en vattentank kan tyda på en låg sannolikhet för en match – även om kulorna kan ha skjutits av samma pistol. Att söka efter matchande funktioner segment för segment ger ett mycket mer exakt sätt att jämföra brottsplats och testkulor.

Innan teamet tillämpade sin jämförelsemetod, forskarna använde bildrekonstruktionstekniker för att "räta ut" och visa som parallella skrapmärken som hade blivit förvrängda eller lutade när kulorna deformerades. Men även efter att markeringarna på brottsplatsens kulor har rätats ut, de får inte vara i linje med positionen för liknande markeringar på testkulorna. Det är där CMPS kommer in, säger PML-forskaren Johannes Soons. Algoritmen tar en liten del av markeringarna på den deformerade kulan och letar efter valfri plats på testkulorna som kan bevisa en matchning. Mjukvaran utvärderar sedan hur många segment som hittades på en korrekt position i förhållande till markeringarna på den provskjutna kulan. Metoden bygger på en äldre algoritm, utvecklad av PML-forskaren John Song, som jämför imponerade skjutvapenmärken på patronhylsor.

I den första studien som det NIST-ledda teamet rapporterade i december förra året i Forensic Science International, forskarna använde bara CMPS-metoden för att jämföra icke-deformerade kulor avfyrade från kända vapen. Teamet sköt 35 9-mm Luger-kulor i en vattentank från 10 pistolpipor som hade tillverkats i följd.

Varje pipa i studien präglade skrapmärken på kulorna. Forskarna fann att CMPS mer exakt bestämde ursprunget för varje kula än en jämförelsemetod som inte delade upp kulmarkeringarna i segment.

I lagets senaste studie, publicerad i January Forensic Science International, forskarna använde för första gången CMPS-metoden för att undersöka deformerade kulor. Teamet avfyrade 57 kulor med varierande grad av fragmentering från samma 9 mm pistol in i en vattentank. För att skapa kulfragment med olika grader av deformation, forskarna riktade pistolen i en liten vinkel, så att kulorna träffade sidorna av ett tungt stålrör placerat framför vattentanken istället för att skjuta rakt ner i vattnet.

Teamet genomförde två typer av tester med hjälp av programvaran för bildrekonstruktion och CMPS-algoritmen. Forskarna jämförde kraftigt förvrängda markeringar på kulor med de som är märkta på nästan orörda referenskulor som sköts direkt in i vattentanken. De jämförde också deformerade kulor före och efter bildrekonstruktion som rätade ut de förvrängda markeringarna. Forskarna fann att tillsammans, bildrekonstruktion och CMPS förbättrade avsevärt förmågan att matcha markeringarna på deformerade kulor med varandra och med de orörda kulorna.

Teamet planerar nu att genomföra ytterligare studier för att testa CMPS-metoden. Med friheten – och kanske livet – för en åtalad hängande i vågskålen, dessa studier är avgörande för att avgöra om – och när – CMPS rutinmässigt kan införlivas i analys och vittnesmål från skjutvapenexperter, säger Soons.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.