高光譜成像技術(shù)在生物物證領(lǐng)域的研究進(jìn)展1.0

  1、引言

  隨著現(xiàn)代光譜技術(shù)的發(fā)展，一些新型分析手段在生物領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用，并逐漸拓展到法庭科學(xué)研究領(lǐng)域，如高光譜成像技術(shù)，可有效彌補(bǔ)刑事技術(shù)手段對(duì)于生物物證及時(shí)發(fā)現(xiàn)、提取、檢驗(yàn)與鑒定的不足。生物物證是指能夠以其生物成分和特性來證明案件事實(shí)的生物物質(zhì)，包括常見的血液(斑)、精液(斑)、陰道分泌液(斑)、唾液(斑)、毛發(fā)、指甲、骨骼及內(nèi)部器官組織碎塊等。高光譜成像技術(shù)是基于窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，融合成像技術(shù)與光譜技術(shù)，探測(cè)目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得采集物品的圖像數(shù)據(jù)信息以及圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，即高光譜數(shù)據(jù)三維立方體。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，可應(yīng)用于多種物證檢驗(yàn)與鑒定。

  在不同種生物物證的檢驗(yàn)與鑒定中，近年來衍生出高光譜融合處理技術(shù)、虛擬高光譜成像(VHI)、高光譜明視場(chǎng)成像系統(tǒng)等多種高光譜成像分析技術(shù)和方法，極大程度地?cái)U(kuò)展了高光譜技術(shù)的應(yīng)用。作為新一代光電檢測(cè)技術(shù)，高光譜成像是一項(xiàng)安全、環(huán)保、前沿的光學(xué)技術(shù)，具有傳統(tǒng)成像與光譜技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)捕獲被檢測(cè)物質(zhì)的空間信息和光譜信息，即被測(cè)物質(zhì)的外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)，并同時(shí)提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象的化學(xué)和物理特征，具有良好的空間分辨以及成像系統(tǒng)多樣化、研究對(duì)象廣泛化、臨床診斷實(shí)用化和分析方法精準(zhǔn)化等特征。利用高光譜成像技術(shù)對(duì)各種生物物證進(jìn)行檢驗(yàn)與鑒定時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生物物證的存在位置并能實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，既能為案件偵破提供必要的導(dǎo)向又能為訴訟活動(dòng)提供可靠的證據(jù)支撐。

  2、高光譜成像技術(shù)

  2.1 基本原理與主要構(gòu)成

  高光譜成像興起于20世紀(jì)80年代的光電探測(cè)技術(shù)。高光譜成像可以在同一時(shí)間獲得被測(cè)目標(biāo)的圖像信息和光譜信息。高光譜成像技術(shù)通過獲取相鄰窄光譜波段的一系列圖像和重建圖像的每個(gè)像素的反射光譜，可在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，按照光譜分辨率將二維的平面圖像連續(xù)組成一個(gè)三維數(shù)據(jù)，其包含光譜信息(λ波長(zhǎng))和二維空間信息(x行和y列)。高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、成像高光譜儀、相機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成，其中典型光源包括鹵素?zé)簟l(fā)光二極管、激光器和可調(diào)光源。光源作為光學(xué)檢查系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生光信號(hào)作為信息載體來激發(fā)照亮目標(biāo)，其產(chǎn)生的光信號(hào)被檢測(cè)物體吸收或散射后成為信息的載體，通過相機(jī)中的光譜成像儀將光信號(hào)映射到檢測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集、處理、分析及存儲(chǔ)高光譜圖像數(shù)據(jù)。高光譜成像系統(tǒng)的分辨率高，其波長(zhǎng)范圍包括紫外光、可見光、近紅外光及更大波長(zhǎng)的區(qū)域。

  2.2 高光譜圖像數(shù)據(jù)處理

  2.2.1 光譜圖像數(shù)據(jù)采集

  依據(jù)高光譜圖像采集方式的異同，掃描可分為：

  (1)點(diǎn)掃描，也被稱為攪拌掃帚法。單次掃描只能獲取一個(gè)像素點(diǎn)的光譜，適用于檢測(cè)微觀對(duì)象，不適用于快速檢測(cè)，且需要先進(jìn)的定位硬件才可確?？芍貜?fù)性。

  (2)線掃描，每次掃描可以獲得掃描線上的光譜，適用于傳輸帶上物體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，是檢測(cè)中最常用的圖像采集方法。

  (3)區(qū)域掃描，也稱為波段順序方法或波長(zhǎng)掃描。這種方法保持了視圖的固定，掃描會(huì)在整個(gè)波段范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，可產(chǎn)生一組單波段的圖像，具有完整的二維單色圖像信息。區(qū)域掃描的一個(gè)缺點(diǎn)是，不適用于移動(dòng)樣品或?qū)崟r(shí)交付的檢驗(yàn)。

  (4)單鏡頭法，使用一個(gè)帶有一次曝光率的大面積探測(cè)器來捕獲圖像，可以同時(shí)記錄空間信息和光譜信息，然而，其仍處于發(fā)展的早期階段且其空間維度分辨率有限。

  通常高光譜成像有3種常見的傳感模式，即反射模式、透射模式和電抗模式。在反射模式下，探測(cè)器捕捉反射光從發(fā)光的樣本中獲得一個(gè)特殊的構(gòu)象，通過使用反射模型檢測(cè)其外部質(zhì)量特征。在透射模式下，探測(cè)器位于光源的對(duì)面，并捕獲透過樣本的傳輸光線，攜帶有價(jià)值的內(nèi)部信息，通常可用于確定固體樣本的內(nèi)部成分和液體物質(zhì)的內(nèi)部濃度。在電抗模式下，光源和探測(cè)器都被定位在樣品的同一側(cè)，在這種設(shè)置的基礎(chǔ)上，電抗模式可以檢測(cè)更深層的信息，并具有較少的表面效應(yīng)，此外，電抗模式減少了信息通量厚度，具有傳輸?shù)膶?shí)際優(yōu)勢(shì)。

  2.2.2數(shù)據(jù)處理與分析

  高光譜成像數(shù)據(jù)處理分為圖像數(shù)據(jù)處理和光譜數(shù)據(jù)處理。前者包含圖像預(yù)處理、圖像分割和特征提取，后者包括導(dǎo)數(shù)法、散射效應(yīng)校正、數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法等。圖像預(yù)處理是獲得高質(zhì)量圖像的前提，主要通過直方圖均值化或主成分分析(PCA)法消除壞點(diǎn)、背景信息及邊緣效應(yīng)，或基于小波變換(WT)降低圖像噪聲與邊緣模糊效應(yīng)。圖像分割的目的是為感興趣區(qū)域的提取、定性、定量分析提供基礎(chǔ)。圖像特征提取包括紋理特征提取、顏色特征提取和形態(tài)特征提取。對(duì)于高光譜成像，通常需要在建模之前對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其目的是除去無用信息和噪聲的影響，進(jìn)一步優(yōu)化光譜信息，提高模型的穩(wěn)健性。

  2.2.3特征波長(zhǎng)提取與模型構(gòu)建

  在高光譜成像中，Hughes現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致模型構(gòu)建性能差、效率低，對(duì)于特征波長(zhǎng)的提取及無關(guān)信息的去除可提高模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，對(duì)模型穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性的評(píng)估常依賴于高光譜成像數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證。高光譜數(shù)據(jù)具有多波段、大數(shù)據(jù)、強(qiáng)冗余性的特點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)冗余性需要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行定性與定量分析，定性分析主要包括監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類、參數(shù)分類與非參數(shù)分類等，定量分析主要采用多元變量回歸。

  3、高光譜成像技術(shù)在生物物證檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

  3.1 血液(斑)檢驗(yàn)

  血液是傷害性案件現(xiàn)場(chǎng)中最常見的生物檢材，由血漿和血細(xì)胞共同組成。在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，血液常呈噴濺狀、跌落狀、擦拭狀等血跡或血泊。隨著案發(fā)時(shí)間的推移，血液會(huì)經(jīng)歷凝固期、凝膠期、膠-固混合期、固體期、完全干燥期的變化，而后形成血斑黏附在地面或附著于其他載體上。對(duì)于清洗過的血跡通過分析現(xiàn)場(chǎng)并與相應(yīng)衣物、被罩、作案工具等進(jìn)行比對(duì)常不難發(fā)現(xiàn)可能的出血或積血部位。由于血液極易受環(huán)境污染且短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生腐敗降解，所以需要及時(shí)有效地對(duì)其進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、提取和檢測(cè)。高光譜成像技術(shù)的無損、非接觸特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)血液的分析、檢測(cè)、記錄并獲得血跡的光譜數(shù)據(jù)和圖像信息，彌補(bǔ)以往血跡的化學(xué)組分與空間結(jié)構(gòu)信息欠缺的問題。

  依據(jù)各波段下血跡形態(tài)特征的差異，高光譜成像技術(shù)可對(duì)案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)潛在血跡進(jìn)行特征提取、連續(xù)成像和圖像融合處理，再現(xiàn)“圖譜合一”的特點(diǎn)。高光譜融合處理技術(shù)對(duì)于案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)不同介質(zhì)上潛在血跡的精準(zhǔn)定位和檢材的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、提取及DNA擴(kuò)增后續(xù)處理十分重要，在一定時(shí)空上可減少血跡成分的污染與降解。研究人員利用高光譜成像技術(shù)記錄了血跡的吸收譜線和高光譜圖像，通過不同波段下的吸收譜線進(jìn)行不同介質(zhì)上血跡的成功識(shí)別與鑒定，其靈敏度高達(dá)95%。對(duì)于血痕的種屬鑒別，基于譜成像儀搭載光譜影像分析軟件，可實(shí)現(xiàn)不同載體上人血、動(dòng)物血及混合血的顯現(xiàn)。利用血液中各成分物理和化學(xué)性質(zhì)的差異在特定波長(zhǎng)光源下的反射率與吸光度不同這一特性，VHI可實(shí)現(xiàn)血液中各組分的物理、化學(xué)及生物分析;新式高光譜顯微鏡具有亞微米的空間分辨率和約10nm的光譜分辨率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥血滴濃度及透光強(qiáng)度變化的顯示等。高光譜成像技術(shù)在血跡檢驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)顯著：

  (1)相比于傳統(tǒng)光譜分析法、化學(xué)試劑法，具有“圖譜合一”的顯著特點(diǎn);

  (2)能進(jìn)行潛在血跡顯現(xiàn)、血跡組分分析、血跡分類識(shí)別及血跡陳舊度檢測(cè);

  (3)可實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜背景下的血指紋圖像分割提取;

  (4)可實(shí)現(xiàn)血跡的無損檢測(cè)。目前依據(jù)不同個(gè)體、不同介質(zhì)、不同環(huán)境的影響，研發(fā)出智能化、高精度、便攜式、多功能高光譜儀是血跡檢驗(yàn)的重點(diǎn)。

不同樣本平均光譜曲線圖

  盡管在血跡的識(shí)別與檢測(cè)中，高光譜成像具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其在應(yīng)用過程中也存在著諸多技術(shù)難點(diǎn)。高檢測(cè)靈敏度、高分類識(shí)別速度及對(duì)形成時(shí)間的高預(yù)測(cè)精度，使得高光譜數(shù)據(jù)冗積量極大，增加了數(shù)據(jù)預(yù)處理階段數(shù)據(jù)降維及模型構(gòu)建的復(fù)雜性;對(duì)于數(shù)據(jù)分析過程，由于血跡所附著介質(zhì)、顏色背景的不同及檢材的污染使得光譜混合較為復(fù)雜，高光譜圖像出現(xiàn)多種物質(zhì)干擾，常表現(xiàn)為混合譜;對(duì)于血液的多種識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)，目前都還處于實(shí)驗(yàn)室的初步探索階段，納入實(shí)踐應(yīng)用較少。目前高光譜技術(shù)與反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和支持向量機(jī)(SVM)模型的結(jié)合為血跡的分類識(shí)別提供了新的方向，相關(guān)研究表明，其準(zhǔn)確率可達(dá)99.82%。對(duì)于復(fù)雜背景下的血指紋痕跡物證，采用常規(guī)方法進(jìn)行背景消除的可控性受限，依據(jù)血指紋的吸收與反射差異，采用光譜儀、遙感圖像處理平臺(tái)(ENVI)、管理信息系統(tǒng)等開發(fā)新軟件，選擇理想波段下對(duì)應(yīng)的灰度圖像加以人工分析，可視為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血指紋準(zhǔn)確分割的新途徑。

分類后效果圖(紅色區(qū)域?yàn)槿梭w血液，綠色區(qū)域?yàn)獒u油，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橛推?

  3.2 精液(斑)檢驗(yàn)

  精液由精子和精漿組成。性侵案件中常提取到的是精液和陰道分泌液所組成的精-陰混合斑，廣義的混合斑是指兩種或兩種以上個(gè)體的體液混合干燥后形成的斑痕?？蓪⒒旌习叻譃閮纱箢悾阂活愂怯刹煌瑐€(gè)體的不同體液或組織混合而成，其中最常見的為性犯罪案件中男性精液與女性受害者陰道分泌液組成的混合斑，以及頭發(fā)、皮膚、唾液、指甲或口腔脫落細(xì)胞等的混合;另一類是由不同個(gè)體的同一種體液或組織混合而成。在性侵犯案件中，精-陰混合斑的附著載體常為內(nèi)褲、被褥、床單、衛(wèi)生紙、避孕套等。隨著時(shí)間的推移，新鮮精液會(huì)逐漸形成干燥斑痕，在淺色背景上呈淡黃色、深色背景上呈乳白色。精液、陰道分泌液之間的混合物按來源個(gè)體不同其組成有所不同，特別是在輪奸案或受害人有多個(gè)性伙伴的性侵案件中，通常提取物為多個(gè)體精-陰混合斑，采用常規(guī)分離提取方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易損失檢材，尤其對(duì)于微量、超微量精-陰混合斑檢材常無法進(jìn)行后續(xù)相關(guān)檢驗(yàn)。在精-陰混合斑的檢驗(yàn)中，高光譜成像技術(shù)提供了一種新的快速無損檢驗(yàn)方法。

  目前精-陰混合斑分離、提取主要依賴于非免疫學(xué)方法和免疫學(xué)方法，如改良差異裂解法、改良硅珠法、雙差異裂解法、激光捕獲顯微切割技術(shù)(LCM)、顯微操作法、微流控芯片技術(shù)、免疫磁珠法等。這些分離與提取方法時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備要求高，對(duì)操作人員要求嚴(yán)格且相關(guān)試劑盒的成本高昂，同時(shí)對(duì)于案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的精-陰混合斑往往無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)檢測(cè)，而且相對(duì)隱蔽性的檢材更不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。相對(duì)而言，高光譜成像技術(shù)在等額成本下具有更大的價(jià)值回饋，對(duì)操作人員沒有嚴(yán)格的要求和限制，所用儀器更便捷，檢測(cè)與分析耗時(shí)更短。激光捕獲顯微切割技術(shù)對(duì)來源于單一個(gè)體的精-陰混合斑和多個(gè)體的精-陰混合斑檢驗(yàn)鑒定的靈敏度高、特異性好且受腐敗影響小，尤其適用于多個(gè)體精-陰混合斑檢驗(yàn)。

  不足之處在于，目前還沒有構(gòu)建激光捕獲顯微切割技術(shù)與高光譜成像技術(shù)相結(jié)合的理論基礎(chǔ)，若能實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備和技術(shù)的融合發(fā)展，必將解決公安實(shí)踐中類似輪奸案件現(xiàn)場(chǎng)物證檢驗(yàn)的關(guān)鍵性難題。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)對(duì)精-陰混合斑檢測(cè)還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，針對(duì)輪奸案或受害人有多個(gè)性伙伴的性侵案件中的多個(gè)體精-陰混合斑檢驗(yàn)鑒定，高光譜成像技術(shù)還處于空白階段，有待深入研究和探索。如何能夠及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并無損檢測(cè)案件現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的精-陰混合斑，在不損失檢材的同時(shí)獲得光譜數(shù)據(jù)、圖像信息和DNA檢測(cè)結(jié)果是當(dāng)前技術(shù)結(jié)合的難點(diǎn)?？傮w而言，高光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)精斑的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

  (1)高光譜圖像再現(xiàn)可初步實(shí)現(xiàn)精斑的種屬鑒別，利于后續(xù)相關(guān)檢驗(yàn);

  (2)微控、自動(dòng)化、便攜式可減少實(shí)驗(yàn)室的操作流程;

  (3)快速、靈活、綠色環(huán)保。

  高光譜明視場(chǎng)成像系統(tǒng)可從低劑量、有噪聲的數(shù)據(jù)中集中獲取高質(zhì)量的能量色散斷層圖，實(shí)現(xiàn)固定生物樣品中的瘢痕分布繪制，可為精液(斑)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別與檢測(cè)提供新的研究理論指導(dǎo)。一些新興技術(shù)，如微流控芯片技術(shù)、自動(dòng)化芯片技術(shù)等若能與高光譜技術(shù)融合必將使混合斑的檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。

  4、總結(jié)

  高光譜成像是一種可以快速、高效、可靠測(cè)量不同生物樣品物質(zhì)屬性及其空間分布的前沿性技術(shù)。通過將空間信息和光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，高光譜成像技術(shù)可以同時(shí)查詢?cè)S多光譜連續(xù)頻帶中的空間圖像，以形成三維高光譜立方體，預(yù)測(cè)生物樣品屬性的映射分布，生成更好的特性描述。目前，對(duì)于新形勢(shì)下犯罪手段的更新與反偵查能力的增強(qiáng)，根據(jù)不同狀態(tài)下生物物證提取方法的差異，運(yùn)用高光譜成像技術(shù)對(duì)生物物證進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的挖掘和圖像的分析與重建，有利于遺留現(xiàn)場(chǎng)微量或超微量物證信息的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與捕獲。

  在血液檢驗(yàn)方面，高光譜技術(shù)能更好地從細(xì)胞層面和分子層面對(duì)檢材進(jìn)行定位捕獲和定性、定量分析，實(shí)現(xiàn)血液理化性質(zhì)與3D立體構(gòu)建結(jié)合，再現(xiàn)血液檢驗(yàn)“圖譜合一”的特點(diǎn)。

  精液混合斑的提取分離方法較多，但無法在短時(shí)間內(nèi)得到DNA圖譜，且與高光譜技術(shù)的融合較困難。微流控芯片技術(shù)的發(fā)展將可能實(shí)現(xiàn)精液混合斑的提取分離與高光譜成像技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)再現(xiàn)精液混合斑的光譜數(shù)據(jù)、立體圖像和DNA檢測(cè)圖譜。

  推薦：

  便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR/WNIR

  專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。

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  一款基于小型多旋翼無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊等部分組成。無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)通過獨(dú)特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機(jī)搭載推掃式高光譜照相機(jī)時(shí)，由于振動(dòng)引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

  便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000

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