基于高光譜成像的法醫(yī)痕跡非接觸分析

高光譜成像（HSI）集成了傳統(tǒng)的成像和光譜學(xué)，幫助使用者能夠從標(biāo)本中獲得空間和光譜信息。這種技術(shù)使研究人員能夠分析痕跡的化學(xué)成分，并同時(shí)可視化它們的空間分布，可用于估算痕跡存在的時(shí)間，為調(diào)查人員提供有價(jià)值的信息，有助于重建事件的時(shí)間線。HSI的快速、無損和非接觸性特征標(biāo)志著其作為法醫(yī)科學(xué)分析工具的適用性。

01高光譜成像

高光譜成像最初是為遙感應(yīng)用開發(fā)的，但后來在食品科學(xué)、制藥和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。與光譜學(xué)一樣，HSI可以應(yīng)用于電磁波譜的不同部分，如紫外線（UV）、可見光（Vis）、近紅外（NIR）、中紅外（IR）甚至熱紅外范圍。在這些區(qū)域，反射、透射、光致發(fā)光、熒光或拉曼散射可以通過具有類似于微型光譜儀的光譜分辨率的高光譜相機(jī)進(jìn)行記錄。

圖1光與樣品的相互作用可能導(dǎo)致(a)鏡面反射，(b)彈性散射然后是漫反射，(c)非彈性散射然后是拉曼位移光的發(fā)射（虛線），(d)吸收，(e)吸收然后是光致發(fā)光發(fā)射（虛線）

光與標(biāo)本之間的相互作用由標(biāo)本的光學(xué)特性和入射光決定。由于高光譜成像測(cè)量了這種相互作用，它可用于表征材料。在實(shí)際操作中，這涉及對(duì)待研究物體的照明。通常，光的第一次相互作用會(huì)發(fā)生在標(biāo)本表面，其中一部分光會(huì)被反射（圖1a）。這部分光包含的關(guān)于介質(zhì)內(nèi)部的信息很少，主要由介質(zhì)之間的折射率差異決定。進(jìn)入材料后，光可以被散射或吸收。散射是光與標(biāo)本中的結(jié)構(gòu)相互作用并導(dǎo)致傳播方向改變的過程，具體取決于波長、粒子的大小和折射率差異（圖1b）。大多數(shù)光以與入射光相同的波長散射，這個(gè)過程被稱為彈性散射。也有一小部分光會(huì)發(fā)生非彈性散射（拉曼散射），這會(huì)導(dǎo)致與標(biāo)本中分子振動(dòng)態(tài)相對(duì)應(yīng)的波長變化（圖1c）。通過測(cè)量拉曼散射，可以對(duì)散射標(biāo)本進(jìn)行化學(xué)分析?；衔锏奈仗匦砸蕾囉诓ㄩL。在可見光波長范圍內(nèi)的吸收與分子的電子狀態(tài)相關(guān)，而在近紅外（NIR）和紅外（IR）波段的吸收則由分子的振動(dòng)模式?jīng)Q定。

圖4 示意圖顯示HSI系統(tǒng)的組成部分

典型的高光譜成像系統(tǒng)由以下組件組成：物鏡、波長調(diào)制器、探測(cè)器、照明系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖4）。

所有這些組件都可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。法醫(yī)學(xué)的分析環(huán)境可能從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不等，分析的區(qū)域可能從微觀到宏觀尺度不等。線掃描方式在大規(guī)模的法醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有潛力，探測(cè)器可以在大型靜態(tài)區(qū)域（如墻壁、地板或整個(gè)犯罪現(xiàn)場(chǎng)）上移動(dòng)，而不需要使用移動(dòng)平臺(tái)或傳送帶來移動(dòng)標(biāo)本（見圖5）。

圖5 模擬犯罪現(xiàn)場(chǎng)的高光譜成像系統(tǒng)

02高光譜成像法醫(yī)學(xué)應(yīng)用

雖然高光譜成像主要用于指紋分析，但其他幾種法醫(yī)痕跡的研究也有報(bào)道，包括藥物、頭發(fā)、牙釉質(zhì)、瘀傷、血跡、避孕套、墨水、磁帶、火器推進(jìn)劑、油漆和纖維。這些應(yīng)用總結(jié)在表1中，并進(jìn)行了更詳細(xì)的描述。

表1 不同檢測(cè)目標(biāo)的測(cè)量方式、波長范圍、波數(shù)范圍和參考值

2.1指紋

潛在的指紋是由手指上的汗腺分泌物和來自接觸其他身體部位（如面部）的皮脂物質(zhì)混合形成的復(fù)雜物質(zhì)。汗腺分泌物主要由氨基酸、無機(jī)化合物和蛋白質(zhì)組成，而皮脂物質(zhì)主要由脂肪酸酯構(gòu)成。這些殘留物的化學(xué)成分因個(gè)體而異，隨著年齡增長，皮脂物質(zhì)的含量也會(huì)增加。指紋檢測(cè)技術(shù)的目的是在指紋的脊線細(xì)節(jié)與其所處的背景之間產(chǎn)生對(duì)比。與可見光高光譜成像不同，近紅外（NIR）和紅外（IR）高光譜成像能夠提供關(guān)于分子振動(dòng)模式的額外信息，從而揭示所研究材料的化學(xué)成分。紅外高光譜成像技術(shù)有檢測(cè)各種多孔背景（復(fù)印紙、香煙紙、美元鈔票、明信片）和非多孔背景（垃圾袋、汽水罐、膠帶）上未經(jīng)處理的潛在指紋的能力。例如，在汽水罐和黑色垃圾袋上，通過查看波長為9842 nm的強(qiáng)度圖像時(shí)，指紋清晰可見（見圖7）。

圖7 帶有指印的易拉罐

2.2其他痕跡

除了指紋的分析外，高光譜成像（HSI）還可以用于分析許多其他在法醫(yī)學(xué)中具有重要意義的痕跡。通過利用光譜差異，可以檢測(cè)和可視化潛在的痕跡，以獲得最佳的痕跡與背景對(duì)比度。個(gè)別光譜可以提供標(biāo)本的化學(xué)成分信息，這對(duì)于識(shí)別、定量分析或時(shí)間估算非常有用。在纖維、油漆碎片或墨水等對(duì)比研究中，高光譜成像同時(shí)提供光譜和空間信息，是確定兩者是否有共同來源的有利工具。

圖9 模擬犯罪現(xiàn)場(chǎng)，其中新鮮和較老的血跡被自動(dòng)檢測(cè)出來，并根據(jù)反射光譜自動(dòng)檢測(cè)和區(qū)分（左）（右）

通過血液污漬的反射光譜進(jìn)行光譜解混，可以得出血液污漬中氧合血紅蛋白、正鐵血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的相對(duì)含量。通過將高光譜成像數(shù)據(jù)中的光譜與血紅蛋白衍生物的理論光譜進(jìn)行非線性最小二乘擬合，可以在模擬犯罪現(xiàn)場(chǎng)中識(shí)別出血跡，并能夠?qū)⑵渑c類似顏色的物質(zhì)區(qū)分開來。此外，血紅蛋白衍生物的量的時(shí)間行為提供了有關(guān)化學(xué)變化的信息，可以用于估算血液污漬的年齡。圖9顯示了一個(gè)模擬的犯罪現(xiàn)場(chǎng)，通過這種方法區(qū)分了新鮮和陳舊的血液污漬。

03結(jié)論

近年來，高光譜成像（HSI）組件的技術(shù)進(jìn)步為其在法醫(yī)學(xué)應(yīng)用中提供了廣闊的前景?？焖俨杉⒈銛y式、高分辨率的系統(tǒng)逐漸興起，促進(jìn)了HSI從實(shí)驗(yàn)室向現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用轉(zhuǎn)變。近期已成功探索了若干高光譜成像在法醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。當(dāng)HSI被引入法醫(yī)學(xué)案件調(diào)查時(shí)，它能夠幫助調(diào)查人員無損地檢測(cè)、可視化和識(shí)別重要的痕跡。