基于高光譜成像技術(shù)的血跡形態(tài)及陳舊度研究

基于高光譜成像技術(shù)的血跡形態(tài)及陳舊度研究

0 引言

命案現(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的痕跡物證就是血跡。血跡作為刑事訴訟證據(jù)具有客觀、穩(wěn)定、廣泛、復(fù)雜的特點(diǎn)，在法庭科學(xué)技術(shù)中一直被當(dāng)作極具采信力的重要物證之一。由于血跡既具有痕跡的特點(diǎn)又具有物證的特點(diǎn)，其痕跡和物證的雙重特點(diǎn)也充分反映出血跡在犯罪現(xiàn)場(chǎng)上的重要地位和重要作用。針對(duì)血跡的痕跡特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)血跡的形態(tài)物理特征的測(cè)量和觀察，它能反映出受害人狀況和流血以后的活動(dòng)路徑及嫌疑人沾染現(xiàn)場(chǎng)血跡后的移動(dòng)軌跡，這一切使其在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重塑和案情分析推斷中發(fā)揮出如指紋、鞋印等傳統(tǒng)痕跡無(wú)法比擬的作用。針對(duì)其法醫(yī)物證特點(diǎn)，利用血跡的物理及生物學(xué)特性，即血跡的陳舊度、種屬、血型、性別以及DNA等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)血跡的來(lái)源認(rèn)定。在犯罪現(xiàn)場(chǎng)血跡搜尋和定位識(shí)別檢測(cè)方面己有較多的研究，但由于技術(shù)手段落后和犯罪現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜等因素的影響，在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)血跡形態(tài)物理特征可視化仍存在許多困難。

隨著高光譜成像技術(shù)的逐漸成熟，它己經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，這些領(lǐng)域大到航天航空，小到醫(yī)學(xué)的舌苔成像，豬肉的細(xì)菌檢測(cè)等等，其功能的強(qiáng)大性己經(jīng)漸漸顯現(xiàn)出來(lái)，也獲得了各國(guó)的重視。傳統(tǒng)的血跡檢測(cè)方法如觀察法只適用于血跡較為明顯的現(xiàn)場(chǎng)，而試劑法通過(guò)加入化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到顯示血跡的目的，這會(huì)一定程度上破壞血跡中的DNA成分，為后續(xù)的法醫(yī)學(xué)檢測(cè)帶來(lái)影響。而高光譜圖像技術(shù)不僅能夠分析檢測(cè)血跡很明顯的現(xiàn)場(chǎng)，特別是對(duì)潛在血跡也能夠在不同波段進(jìn)行成像，將二維圖片信息與一維的光譜信息結(jié)合起來(lái)構(gòu)成三維的數(shù)據(jù)立方體，由于血跡形態(tài)特征在不同波段下成像清晰度不一樣，經(jīng)過(guò)特征提取和圖像融合可以得到清晰的血跡圖像，同時(shí)得到的光譜圖像可以進(jìn)行血跡的生理特征如血跡陳舊度的分析。陳祖林等對(duì)血液吸收光譜的研究發(fā)現(xiàn)，血液在波長(zhǎng)為578 nm, 416 nm, 278 nm處出現(xiàn)了高尖的吸收峰，ABO血型系統(tǒng)中不同血型血液的吸收光譜無(wú)明顯差異，不同血型之間血液各成分的吸收、透射規(guī)律相似。李偉等應(yīng)用分光光度法研究了在577 nm,416 nm,275 nm波長(zhǎng)下大鼠右心血漿吸光度與死亡時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大鼠死后右心血漿在577 nm,416 nm,275 nm波長(zhǎng)下的吸光度(n)與死亡時(shí)間呈正相關(guān)。因此基于高光譜成像技術(shù)的血跡形態(tài)特征及陳舊度的研究具有寬廣的研究空間和應(yīng)用前景，本研究利用不同介質(zhì)上的血跡進(jìn)一步分析不同介質(zhì)形態(tài)特征及其血跡歲時(shí)間的變化規(guī)律。

1、 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用江蘇雙利合譜科技有限公司的GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀，光譜測(cè)定范圍400-1000nm，采樣間隔為0.58 nm，光譜分辨率為4nm，實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，溫度控制為20℃，以減少外界環(huán)境對(duì)光譜采集的干擾，光源采用鹵鎢燈，可提供215-2500 nm的紫外/可見(jiàn)/近紅外波段的高效、高穩(wěn)定性的連續(xù)輸出光譜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以raw格式輸出，分析軟件為SpecView和ENVI/IDL5.3。

實(shí)驗(yàn)樣品為手指末梢采集的新鮮血液，分別滴在不同的介質(zhì)上，如光盤、白紙、木屑、紅布、快遞單、書籍、手機(jī)等。利用GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀每隔一段時(shí)間分別獲取不同介質(zhì)上血液的高光譜影像。整個(gè)采集過(guò)程中，光譜儀、光源、樣本放置的位置固定。GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢系統(tǒng)的外觀尺寸圖和實(shí)體圖如圖1所示。其成像光譜儀參數(shù)如表1所示。

圖1為GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢系統(tǒng)的外觀尺寸圖和實(shí)體圖

表1   GaiaSorter 高光譜分選儀系統(tǒng)參數(shù)

在進(jìn)行圖像處理之前，先要對(duì)采集的光譜圖像進(jìn)行圖像校正，圖像校正公式如下：

(1)

式中，R_ref  是校正過(guò)的圖像，DN_raw 是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark 是黑板校正圖像。

試驗(yàn)得到的光譜含有由儀器和試驗(yàn)條件等引起的噪聲，對(duì)這些噪聲的處理有助于減少噪聲對(duì)光譜分析的影響，突出光譜的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消減光譜數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲，消噪效果受平滑點(diǎn)數(shù)的影響，本文中選擇SG二次多項(xiàng)式7點(diǎn)平滑對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 不同介質(zhì)的血跡光譜曲線圖

經(jīng)過(guò)黑白針校正、光譜降噪等預(yù)處理，分別獲取白紙、紅布、木塊、紅色印尼、書籍封面、快遞單等六種介質(zhì)上的血跡在400-1000 nm的光譜反射率，如圖2A-F所示為血液滴在不同介質(zhì)上1 h后的光譜曲線圖。從圖2A可知在白紙介質(zhì)上，血跡與背景的光譜曲線在可見(jiàn)光差異較大，血液滴在白紙上，在可見(jiàn)光區(qū)域形成“兩峰三谷”的現(xiàn)象，在590-620 nm之間形成一個(gè)陡坡，在近紅外區(qū)域，血跡與白紙的變化趨勢(shì)大致相同，但是反射率低于白紙。當(dāng)血液滴在紅布時(shí)，在400-1000 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率小于紅布的光譜反射率，與血液滴在白紙上相似，在590-620 nm處，紅布上的血跡形成陡坡；紅布在620-1000 nm范圍內(nèi)，形成90度“S”變化趨勢(shì)，而血跡則呈緩慢上升趨勢(shì)。當(dāng)血液滴在木塊上時(shí)，血跡在可見(jiàn)光區(qū)域的變化規(guī)律與血液滴在白紙上相似，也有“兩峰三谷”的現(xiàn)象，且峰與谷的位置大致相同；然而，血液滴在木塊上時(shí)，其在580-680 nm處形成的陡坡斜率小于血液滴在白紙上的陡坡斜率。當(dāng)血液滴在紅色字體上時(shí)，其主要區(qū)別還是在400-600 nm之間，血液滴在紅色字體上時(shí)，有兩峰三谷的現(xiàn)象，而紅色字體只有一谷，如圖2D所示。當(dāng)血液滴在書籍封面時(shí)，以血液滴在綠皮封面為例，從圖2E所示，從圖形變化趨勢(shì)來(lái)看，兩者變化趨勢(shì)相似，血跡的光譜反射率小于背景的光譜反射率，在可見(jiàn)光區(qū)域血跡與背景差異較大，易區(qū)分。當(dāng)血液滴在快遞單上時(shí)，其血跡得光譜曲線有較為明顯的“兩峰三谷”現(xiàn)象，而快遞單的紅色區(qū)域的光譜曲線有較為顯著的一谷，位于575 nm附近，在該處，血跡也有一吸收谷，只不過(guò)谷的深度較低而已。

圖2  不同介質(zhì)的血跡光譜曲線圖

圖2分析了不同介質(zhì)上的血跡與其背景的光譜在400-1000 nm的變化規(guī)律，從分析中可知，不同介質(zhì)上的血跡與背景的光譜曲線差異顯著，均能較好的區(qū)分出來(lái)。為了進(jìn)一步探討不同介質(zhì)上，相同時(shí)間的血跡的光譜曲線變化規(guī)律，本節(jié)將白紙上的血跡、紅布上的血跡、快遞單上的血跡、書籍封面上的血跡、紅色字體上的血跡以及木塊上的血跡共六種不同介質(zhì)的血跡進(jìn)行討論分析，探討不同介質(zhì)上血跡光譜曲線的共同之處與不同之處，如圖3所示。從圖3可知快遞單血跡、書籍封面血跡、木塊血跡、白紙血跡、紅色字體血跡這五種介質(zhì)上的血跡在553.45 nm處有一吸收谷；快遞單血跡、木塊血跡、白紙血跡、紅色字體血跡這四種介質(zhì)上的血跡在542.54 nm附近有一小峰值，在525.63 nm附近有一小吸收谷；白紙血跡、快遞單血跡、書籍封面血跡以及木塊血跡這四種介質(zhì)上的血跡在505.19 nm附近有一峰值；快遞單血跡、書籍封面血跡、紅色字體血跡、木塊血跡這五種介質(zhì)在425 nm附近有一吸收谷。在400-1000 nm范圍內(nèi)，不同介質(zhì)上的血跡都形成了“陡坡”現(xiàn)象，只是陡坡的位置不太相似。從分析中可知，由于介質(zhì)白紙、快遞單（紙質(zhì)）、書籍、木塊的原材料均為樹(shù)木，所以這四種介質(zhì)實(shí)際上其材料相似，因此，血液滴在這四種介質(zhì)上，其血跡的光譜有一定的相似性，然而，雖然介質(zhì)相似，但由于不同的介質(zhì)上，其添加了不同的成分，如書籍封面、快遞單等添加了不同的顏料，其血跡光譜及介質(zhì)光譜都受到了一定程度的影響，如圖2所示。

圖3 相同時(shí)間不同介質(zhì)上血跡的光譜曲線圖

死亡時(shí)間(PMI)是指死后經(jīng)歷時(shí)間，或稱死后時(shí)間間隔，即發(fā)現(xiàn)、檢查尸體時(shí)距死亡發(fā)生時(shí)的時(shí)間間隔。PMI推斷是法醫(yī)命案現(xiàn)場(chǎng)首先需要解決的最重要問(wèn)題之一。PMI的準(zhǔn)確推斷對(duì)縮小偵察領(lǐng)域，確定犯罪嫌疑人有無(wú)作案時(shí)間，重建案件現(xiàn)場(chǎng)等方而都有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多法醫(yī)學(xué)者應(yīng)用多種技術(shù)手段研究尸體的各種指標(biāo)變化，提出了多種推斷PMI的方法。但由于PMI推斷受到很多外界因素干擾，目前仍無(wú)很精確的方法。由于血跡形成時(shí)間與案發(fā)時(shí)間、死亡時(shí)間密切相關(guān)，故可通過(guò)判斷血跡形成時(shí)間來(lái)間接地推斷死亡時(shí)間。有研究表明通過(guò)檢測(cè)和分析血液的散射光譜、吸收光譜和發(fā)射光譜，能獲得一些反映血液狀態(tài)和內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成情況的信息。本節(jié)采用高光譜成像技術(shù)，通過(guò)探索不同介質(zhì)上的血跡隨時(shí)間的光譜變化規(guī)律，推測(cè)其與死亡時(shí)間推移的關(guān)系。

以白紙、紅布兩種介質(zhì)上的血跡為研究對(duì)象，分析白紙血跡、紅布血跡隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4A中可知，白紙上的血跡隨時(shí)間的變化（0 h、1 h、3 h、20 h、24 h），其在400-600 nm處仍有較為顯著的“兩峰三谷”的現(xiàn)象，但無(wú)顯著變化規(guī)律；在580-640 nm范圍內(nèi)，不同時(shí)間段的白紙上的血跡均形成陡坡，在600-740 nm范圍內(nèi)，隨著血跡時(shí)間的推移，其光譜反射率下降，陡坡位置發(fā)生了“紅移”；在血液滴在白紙上的0-3 h內(nèi)，在760 nm處有一峰，但在20-24 h內(nèi)，該峰值消失。圖4B為紅布上的血液隨時(shí)間的推移其光譜曲線的變化規(guī)律，從圖中可知，在400-570 nm范圍內(nèi)，紅布血跡并無(wú)規(guī)律變化，0-24 h內(nèi)，紅布血跡的光譜反射率變化差異不大，在600-1000 nm范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，紅布血跡的光譜反射率降低，與白紙上的血跡的光譜變化特征相似，在血液滴在紅布上的0-3 h內(nèi)，在760 nm處也有一峰值。

圖4 相同介質(zhì)不同時(shí)間血跡的光譜反射率變化曲線圖

以白紙血跡、紅布血跡為例，分析血跡在各波段的光譜反射率與血跡時(shí)間的相關(guān)性，并綜合白紙和紅布的血跡光譜，探討綜合不同介質(zhì)血跡的光譜反射率與血跡時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示。由于白紙血跡只有（0 h、1 h、3 h、20 h、24h）5個(gè)數(shù)據(jù)，紅布血跡只有（0 h、1 h、3 h、24h）4個(gè)數(shù)據(jù)，因此分析結(jié)果僅供參考。從圖5可知，與血跡時(shí)間變化相關(guān)性較高的波段主要集中在600 nm以后的波段。

圖5 白紙、紅布血跡各波段反射率與時(shí)間的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析

以快遞單上的血跡為例，快速識(shí)別快遞單上的血跡形態(tài)，如圖6所示。根據(jù)快遞單血跡的光譜特征與背景光譜特征的差異，構(gòu)建差值指數(shù)，然后運(yùn)用閾值分割算法獲取血跡的位置的形態(tài)特征，如圖6所示。

圖6 快遞單上血跡的快速提取

本實(shí)驗(yàn)利用成像高光譜技術(shù)，對(duì)白紙、紅布、木塊、紅色印尼、書籍封面、快遞單等六種介質(zhì)上的血跡的進(jìn)行分析，探討其與不同介質(zhì)上血跡的光譜差異，并分析白紙、紅布上的血跡光譜反射率與時(shí)間推移的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)這兩種介質(zhì)上的血跡隨時(shí)間推移，在580-1000 nm，與死亡時(shí)間密切關(guān)系。這是由于死后呼吸及血液循環(huán)停止而導(dǎo)致細(xì)胞代謝異常、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)異常、反應(yīng)酶與蛋白質(zhì)異常，加上實(shí)驗(yàn)環(huán)境中細(xì)菌的污染、血液滲透壓和血液內(nèi) pH值變化作用于白細(xì)胞及補(bǔ)體成份而導(dǎo)致溶血。溶血過(guò)程使血紅蛋白從細(xì)胞內(nèi)釋入血漿，吸光度相應(yīng)的隨之增加，從而反射率降低。由于時(shí)間和精力有限，本實(shí)驗(yàn)的研究成果僅供短期內(nèi)的血跡陳舊度判斷作參考，其余分析如想進(jìn)一步了解歡迎隨時(shí)與我們?nèi)〉寐?lián)系。