高毅，黃濤，郝靜如，馬越

1.中國(guó)刑事警察學(xué)院 痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110035；2.北京市公安司法鑒定中心，北京 100054

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(lái)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)[1]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[2]。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(lái)衍生出CRi Nuance 光譜成像儀、超緊湊型手持式高光譜成像儀、高光譜融合處理技術(shù)、虛擬高光譜成像（vir?tual hyperspectral imaging，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)[3]，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(wú)損檢測(cè)[4-5]，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。

當(dāng)前高光譜成像技術(shù)與生物物證的結(jié)合可為偵破陳年積案和大數(shù)據(jù)時(shí)代下的新型犯罪提供新的契機(jī)，但同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于儀器的性能而言，高光譜成像儀的靈敏度和空間分辨率譜段覆蓋范圍及信息實(shí)時(shí)處理能力尚不能滿足相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用需求。高光譜成像光譜儀雖具有更多的通道數(shù)、更寬的光譜范圍和更高的光譜精細(xì)度，但是每個(gè)通道對(duì)光譜的利用率和準(zhǔn)確性并不高，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)近距離采集的主要原因[6]。高光譜成像技術(shù)所包含的豐富圖像信息會(huì)增加數(shù)據(jù)后處理的難度，而且由于模型構(gòu)建涵蓋大量的樣本數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致降維處理所需數(shù)據(jù)模型更為復(fù)雜，一定程度上也限制了高光譜成像技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用[7]。目前高光譜成像技術(shù)主要應(yīng)用于食品安全、醫(yī)學(xué)診斷、航天等領(lǐng)域，在生物物證領(lǐng)域涉足較少，相關(guān)生物物證的檢驗(yàn)與鑒定還處于空白，伴隨著高光譜成像技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展，未來(lái)將可在生物物證領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

1 高光譜成像技術(shù)

1.1 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)[8]。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）[9]。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)?、發(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(lái)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[10]。

1.2 高光譜圖像數(shù)據(jù)處理

1.2.1 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[11]，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(lái)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[12]。

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[13]。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)。

1.2.2 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[14]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（principalcomponent analysis，PCA）法消除壞點(diǎn)、背景信息及邊緣效應(yīng)，或基于小波變換（wavelet transform，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[15]。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(wú)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。

1.2.3 特征波長(zhǎng)提取與模型構(gòu)建

在高光譜成像中，Hughes 現(xiàn)象[16]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(wú)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[17-18]。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[19]。

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

2.1 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[20]，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(wú)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[21-22]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。JANCHAYSANG 等[23]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[24]，基于CRi Nuance 光譜成像儀搭載MISytem 3.0 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[25]；新式高光譜顯微鏡具有亞微米的空間分辨率和約10 nm 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)[26]；（3）可實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜背景下的血指紋[27]圖像分割提?。唬?）可實(shí)現(xiàn)血跡的無(wú)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)。

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（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）模型[28]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[29]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)（environment for visualizing images，ENVI）、管理信息系統(tǒng)[30]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。

2.2 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[31]?？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(lái)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(wú)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(wú)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)（laser capture microdissection，LCM）、顯微操作法、微流控芯片技術(shù)、免疫磁珠法[32-33]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(wú)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(lái)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(wú)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)。總體而言，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)[34]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)[35]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。

2.3 唾液（斑）檢驗(yàn)

唾液是一種易收集、易儲(chǔ)存且富含生物學(xué)信息的體液，其特定的可溶性生物標(biāo)志物在個(gè)體識(shí)別中發(fā)揮著重要作用。唾液含有其自身特有的成分，如唾液淀粉酶、黏多糖、黏蛋白及溶菌酶。唾液干燥后形成唾液斑，常附著于杯口、煙頭、牙刷、食物殘?jiān)?、性侵犯受害人的乳頭上等。

唾液斑通常和其他體液一起出現(xiàn)在犯罪現(xiàn)場(chǎng)，由于DNA 在干燥狀態(tài)下相對(duì)穩(wěn)定，利用拉曼顯微光譜[36]對(duì)唾液斑檢驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)單、可重復(fù)且無(wú)損傷的定性定量分析，?？梢杂脕?lái)查找和確認(rèn)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的嫌疑人。由于高光譜技術(shù)用于唾液斑檢驗(yàn)太少，對(duì)于混合唾液斑的檢測(cè)更是空白，所以需要更深入的學(xué)習(xí)和探索。為了更好地實(shí)現(xiàn)唾液斑的及時(shí)、無(wú)損檢測(cè)，需要更快速、靈敏和無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)技術(shù)，特別是當(dāng)傳統(tǒng)的活檢可以被唾液等體液分析所取代時(shí)，高光譜成像技術(shù)在其應(yīng)用上顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）有利于快速檢測(cè)分析案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的唾液斑；（2）對(duì)于考慮中毒致死的案例可實(shí)現(xiàn)毒物檢測(cè)的快速排除；（3）利用光譜特征可對(duì)不同唾液樣本進(jìn)行識(shí)別；（4）依據(jù)唾液斑的光譜數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)輔助性病理診斷。

當(dāng)前研究結(jié)果[37]顯示，超緊湊型手持式高光譜成像儀覆蓋了從藍(lán)色至近紅外波長(zhǎng)的一個(gè)寬區(qū)域波段，可實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)光譜成像，可有效識(shí)別進(jìn)口礦產(chǎn)品中各化學(xué)元素的成分及其含量，改良后可運(yùn)用于唾液斑的檢驗(yàn)，有效識(shí)別唾液中各無(wú)機(jī)鹽離子及分泌型抗原的成分及其含量，進(jìn)行唾液（斑）的種屬認(rèn)定。

2.4 毛發(fā)檢驗(yàn)

毛發(fā)屬于案件現(xiàn)場(chǎng)的常規(guī)生物檢材，毛發(fā)檢驗(yàn)是法醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要方面。人體代謝時(shí)刻進(jìn)行，毛發(fā)也處于周期性更替之中。人體的毛發(fā)依據(jù)分化特性不同可分為硬毛和毳毛。硬毛粗硬、色澤濃、含髓質(zhì)，包括長(zhǎng)毛（頭發(fā)、腋毛、陰毛等）和短毛（眉毛、鼻毛等）。毳毛細(xì)軟、色澤淡、無(wú)髓質(zhì)，多見于軀干的汗毛。人體大部分都覆蓋毛發(fā)，毛的粗細(xì)、長(zhǎng)短、疏密與顏色隨部位、年齡、性別、生理狀態(tài)、種族等呈現(xiàn)出差異。結(jié)合高光譜成像技術(shù)對(duì)毛發(fā)進(jìn)行檢驗(yàn)可獲得更豐富的信息。

在對(duì)生物物證的研究進(jìn)展中，高光譜成像技術(shù)無(wú)疑是毛發(fā)快速無(wú)損檢驗(yàn)的新方法。對(duì)比分析檢測(cè)獲得的融合圖像、灰度平均圖像和全波段下不同毛發(fā)的圖像，經(jīng)處理可得到目標(biāo)體的最佳影像。利用可見光和近紅外波段光譜的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高光譜成像系統(tǒng)對(duì)野生動(dòng)物毛發(fā)不同長(zhǎng)度和顏色的檢測(cè)[38]。研究[39]結(jié)果顯示，在不同的圖像處理方式下，對(duì)特征集進(jìn)行篩選后加以分類，可實(shí)現(xiàn)高光譜成像系統(tǒng)對(duì)黑色毛發(fā)的精準(zhǔn)識(shí)別，識(shí)別率可達(dá)到100%。難點(diǎn)是相關(guān)技術(shù)涉及毛發(fā)檢驗(yàn)太少，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)和研究探索，且當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)主要停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)人的毛發(fā)檢驗(yàn)幾乎屬于空白。因此，需要深入學(xué)習(xí)、研究和探索人類毛發(fā)檢測(cè)與高光譜成像技術(shù)的結(jié)合方式，使其更早被應(yīng)用于毛發(fā)的檢驗(yàn)與鑒定。結(jié)合高光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)毛發(fā)的優(yōu)勢(shì)為：（1）有利于微量、疑難毛發(fā)的搜尋和種屬的鑒別與診斷；（2）有利于分析毛發(fā)的內(nèi)部化學(xué)成分、空間結(jié)構(gòu)及各元素分布狀態(tài)等信息；（3）有利于毛發(fā)組織來(lái)源與顏色的辨別和表面單類難檢雜質(zhì)的鑒定。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化醫(yī)學(xué)高光譜數(shù)據(jù)采集及分析方法，可實(shí)現(xiàn)顯微高光譜技術(shù)在毛發(fā)種屬領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用以及毛發(fā)表面單類難檢雜質(zhì)的高光譜圖像檢測(cè)。共聚焦顯微高光譜技術(shù)對(duì)毛發(fā)的檢驗(yàn)可在毛發(fā)405 nm 處激發(fā)自顯熒光[40]，用于獲得廣泛的毛發(fā)虛擬橫截面，有助于確定毛發(fā)的可能軀體起源或來(lái)自的人群種族，可作為技術(shù)結(jié)合的良好指引。

2.5 指甲檢驗(yàn)

指甲為表皮角質(zhì)化后的結(jié)締組織，主要成分是角蛋白，起保護(hù)指端的作用。指甲是案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)重要的生物物證，在扼死、捂死、勒死等窒息性死亡或其他傷害性案件中，受害者常與嫌疑人發(fā)生撕扯或肢體接觸，受害者的指甲縫中通常含有大量嫌疑人的表皮脫落細(xì)胞，及時(shí)對(duì)指甲縫內(nèi)容物進(jìn)行檢測(cè)可為案件偵破提供有力導(dǎo)向。

采用常規(guī)的Chelex-100 法、磁珠法對(duì)受害人進(jìn)行指甲內(nèi)容物的提取與檢驗(yàn)可獲得嫌疑人的DNA 圖譜，對(duì)比DNA 數(shù)據(jù)庫(kù)，通過大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)篩查實(shí)現(xiàn)以物找人。死亡案件現(xiàn)場(chǎng)的指甲內(nèi)容物會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸被尸體自身因素或其他因素所污染、破壞，故及時(shí)有效提取指甲內(nèi)容物十分重要。高光譜成像技術(shù)是指甲檢驗(yàn)的最佳選擇，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)指甲特征光譜的提取，又可對(duì)指甲內(nèi)容物進(jìn)行元素分析。指甲檢驗(yàn)主要是對(duì)指甲中的脫落細(xì)胞進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)成功與否與眾多因素相關(guān)。通常嫌疑人與受害人肢體接觸的程度、時(shí)間、次數(shù)以及個(gè)體差異都會(huì)影響檢測(cè)的結(jié)果。接觸程度越強(qiáng)、時(shí)間越長(zhǎng)、次數(shù)越多、個(gè)體新陳代謝越旺盛，指甲中殘留的脫落細(xì)胞越多，用于DNA檢驗(yàn)的檢材越充分，所得DNA 圖譜效果越好。當(dāng)前已有基于多光譜成像技術(shù)[39-40]的宮頸脫落細(xì)胞及胃液脫落細(xì)胞的DNA 定量分析研究，對(duì)于指甲分析用于脫落細(xì)胞DNA 檢驗(yàn)的高光譜成像技術(shù)還處于探索階段，且其與DNA 檢驗(yàn)不能一體化是當(dāng)前高光譜成像技術(shù)結(jié)合脫落細(xì)胞學(xué)檢驗(yàn)研究的難點(diǎn)。指甲檢驗(yàn)結(jié)合高光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：（1）簡(jiǎn)單方便，省時(shí)省力，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)、無(wú)損檢驗(yàn)；（2）多指標(biāo)光譜數(shù)據(jù)分析，有利于提高物證的實(shí)用性；（3）有利于減少檢材的污染，適用于多數(shù)情況下微量的脫落細(xì)胞DNA 圖譜分析。

基于液晶可調(diào)濾光片（liquid crystaltunable fil?ter，LCTF）多光譜成像技術(shù)[41-42]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)[43]的發(fā)展，可為人體指甲的特征光譜提取及人體指甲中微量元素的分析提供契機(jī)，利用拉曼光譜技術(shù)[44]對(duì)指甲中角蛋白進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)毒物、藥物的檢測(cè)，同時(shí)捕獲的男女性手指指甲分子結(jié)構(gòu)的差異可作為未來(lái)性別判斷的輔助指標(biāo)，為高光譜成像技術(shù)在指甲檢驗(yàn)中的研究開辟了新方向。對(duì)于正常指甲與病理指甲存在的不同提取特征，可用于受害者生前是否患有某種疾病的分析，應(yīng)用紅外光譜儀[45]等設(shè)備對(duì)青年、老年指甲的表面結(jié)構(gòu)、形貌、水含量和力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過所顯示出的不同特征，在一定程度上有助于年齡、性別的推斷等。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)人體指甲檢測(cè)的佐證，進(jìn)一步促進(jìn)了高光譜技術(shù)在生物體檢測(cè)中的應(yīng)用。

2.6 骨骼檢驗(yàn)

骨骼往往是白骨化尸體所保留的最后生物物證，一般埋于土中的尸體經(jīng)過2～3 年，骨骼即可完全暴露。白骨化是指尸體骨骼從開始暴露到完全暴露的過程，可伴有軟組織軟化、液化、消失及毛發(fā)和指（趾）甲脫落。依據(jù)其發(fā)生發(fā)展可分為4 個(gè)階段[46]：一是開始白骨化，即高度腐敗尸體的顱骨表面及四肢末端開始出現(xiàn)白骨；二是部分白骨化，即軀干、胸骨及肋骨開始暴露；三是基本白骨化，即各器官消失，全身骨骼裸露僅有軟組織附著；四是完全白骨化，即軟組織完全消失僅剩下骨骼。尸體白骨化在個(gè)體識(shí)別方面同樣具有重要的法醫(yī)學(xué)意義。

近年來(lái)，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)[47]、X 射線熒光光譜分析儀[48]、拉曼光譜[49-51]在骨骼成像與檢驗(yàn)中也有涉足。由于白骨化的骨骼受不同地理環(huán)境、土壤性質(zhì)和各種動(dòng)、植物活動(dòng)的影響，同時(shí)不同地區(qū)、不同人類活動(dòng)、不同風(fēng)俗習(xí)慣常有相互交織作用，不同種骨骼的紅外吸收光譜常并非完全一致，在鑒別中需要綜合相關(guān)骨骼的各種數(shù)據(jù)，且會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的預(yù)處理過程和數(shù)據(jù)的冗余問題。對(duì)尸體骨骼檢驗(yàn)結(jié)合高光譜成像技術(shù)可有顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）可及時(shí)發(fā)現(xiàn)尸骨上殘留的細(xì)微損傷痕跡，如劃痕、刺痕、槍彈創(chuàng)、骨折等[52]；（2）對(duì)于某些金屬毒物中毒，毒素可長(zhǎng)久留存于骨質(zhì)中，若采用高光譜儀對(duì)骨密質(zhì)進(jìn)行微量化學(xué)元素分析，結(jié)合貝葉斯概率法的輔助篩查，可有助于毒物及時(shí)檢測(cè)、推斷和鑒別死因；（3）在個(gè)體識(shí)別方面，可根據(jù)骨骼的空間結(jié)構(gòu)特征和平面數(shù)據(jù)信息，采用高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)死者的年齡、性別、身高、體質(zhì)量等信息預(yù)判以及顱像重合或面貌復(fù)原等。

此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合DNA 甲基化方法[53-54]、AI 結(jié)合貝葉斯概率法等在骨圖像識(shí)別和骨齡評(píng)估中還處于理論的展望階段，如何快速有效地識(shí)別、分析白骨化骨骼的各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行死者信息的準(zhǔn)確判斷是當(dāng)前亟須解決的難題。目前采用AI 結(jié)合多種尸骨現(xiàn)象并基于檢材的大數(shù)據(jù)分析可進(jìn)行死亡時(shí)間的大致推斷。骨骼檢驗(yàn)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)偶聯(lián)DNA 甲基化、全基因組關(guān)聯(lián)分析[55-56]等方法有望進(jìn)行骨骼局部特征的刻畫以及年齡和性別的預(yù)判。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)對(duì)白骨化尸體無(wú)損檢測(cè)的研究較少，新的傅里葉變換紅外光譜技術(shù)在白骨化尸體分析中的運(yùn)用還處于實(shí)驗(yàn)室階段，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可突破高光譜成像技術(shù)與骨骼檢驗(yàn)相結(jié)合的瓶頸，彌補(bǔ)其在白骨化尸體骨骼檢驗(yàn)實(shí)踐中的空白。

3 總結(jié)與展望

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[57-59]，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[60]和分子層面[61]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(wú)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。唾液、毛發(fā)、指甲、骨骼含有大量的個(gè)體信息，但基于高光譜技術(shù)的研究還處于探索階段，如何實(shí)現(xiàn)檢材的無(wú)損檢測(cè)和圖譜再現(xiàn)仍是研究的難點(diǎn)。在實(shí)際案例中附著物、污染痕跡對(duì)生物物證光譜檢測(cè)也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，相對(duì)于較為成熟的近紅外高光譜成像技術(shù)，紫外、紅外、可見光成像技術(shù)在生物物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用不足，且高光譜自身數(shù)據(jù)冗余、模型構(gòu)建復(fù)雜，所要求的高檢測(cè)靈敏度和高空間分辨率也限制了其發(fā)展。針對(duì)高光譜成像系統(tǒng)的復(fù)雜性以及較高的成本，構(gòu)建便攜式、多種生物物證檢測(cè)、智能化、低成本的高光譜成像系統(tǒng)對(duì)于推廣其在法庭科學(xué)中的應(yīng)用也具有重要意義。本文對(duì)高光譜成像技術(shù)進(jìn)行了介紹并就其在常見生物物證方面的應(yīng)用進(jìn)行了概述，分析了高光譜成像技術(shù)在生物物證檢測(cè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和當(dāng)前研究中的難題。相信在未來(lái)高光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新必將突破技術(shù)發(fā)展的各種瓶頸，實(shí)現(xiàn)在生物物證領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用以及在法庭科學(xué)領(lǐng)域的更大實(shí)用價(jià)值。