高毅，黃濤，郝靜如，馬越

1.中國刑事警察學(xué)院 痕跡檢驗鑒定技術(shù)公安部重點實驗室，遼寧 沈陽 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)手段對于生物物證及時發(fā)現(xiàn)、提取、檢驗與鑒定的不足。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)，探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜數(shù)據(jù)，同時獲得采集物品的圖像數(shù)據(jù)信息以及圖像中每個像素點的光譜信息，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)用于多種物證檢驗與鑒定。

在不同種生物物證的檢驗與鑒定中，近年來衍生出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，極大程度地擴(kuò)展了高光譜技術(shù)的應(yīng)用。作為新一代光電檢測技術(shù)，高光譜成像是一項安全、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，能同時捕獲被檢測物質(zhì)的空間信息和光譜信息，即被測物質(zhì)的外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)[3]，并同時提供實驗對象的化學(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、研究對象廣泛化、臨床診斷實用化和分析方法精準(zhǔn)化等特征。利用高光譜成像技術(shù)對各種生物物證進(jìn)行檢驗與鑒定時，可及時發(fā)現(xiàn)生物物證的存在位置并能實現(xiàn)無損檢測[4-5]，既能為案件偵破提供必要的導(dǎo)向又能為訴訟活動提供可靠的證據(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)時代下的新型犯罪提供新的契機(jī)，但同時也提出了新的挑戰(zhàn)。對于儀器的性能而言，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時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，但是每個通道對光譜的利用率和準(zhǔn)確性并不高，這是無法實現(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)在實際檢測中的應(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 年代的光電探測技術(shù)[8]。高光譜成像可以在同一時間獲得被測目標(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像素的反射光譜，可在一定的波長范圍內(nèi)，按照光譜分辨率將二維的平面圖像連續(xù)組成一個三維數(shù)據(jù)，其包含光譜信息（λ 波長）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)生光信號作為信息載體來激發(fā)照亮目標(biāo)，其產(chǎn)生的光信號被檢測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映射到檢測器上，由計算機(jī)采集、處理、分析及存儲高光譜圖像數(shù)據(jù)。高光譜成像系統(tǒng)的分辨率高，其波長范圍包括紫外光、可見光、近紅外光及更大波長的區(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）點掃描，也被稱為攪拌掃帚法。單次掃描只能獲取一個像素點的光譜，適用于檢測微觀對象，不適用于快速檢測，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時檢測，是檢測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掃描。這種方法保持了視圖的固定，掃描會在整個波段范圍內(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)域掃描的一個缺點是，不適用于移動樣品或?qū)崟r交付的檢驗。（4）單鏡頭法，使用一個帶有一次曝光率的大面積探測器來捕獲圖像，可以同時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，探測器捕捉反射光從發(fā)光的樣本中獲得一個特殊的構(gòu)象，通過使用反射模型檢測其外部質(zhì)量特征。在透射模式下，探測器位于光源的對面，并捕獲透過樣本的傳輸光線，攜帶有價值的內(nèi)部信息，通?？捎糜诖_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)膶嶋H優(yōu)勢。

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、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]。對于高光譜成像，通常需要在建模之前對原始光譜數(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。

1.2.3 特征波長提取與模型構(gòu)建

在高光譜成像中，Hughes 現(xiàn)象[16]會導(dǎo)致模型構(gòu)建性能差、效率低，對于特征波長的提取及無關(guān)信息的去除可提高模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，對模型穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性的評估常依賴于高光譜成像數(shù)據(jù)模型驗證[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，基于數(shù)據(jù)冗余性需要運(yùn)用統(tǒng)計學(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)在生物物證檢驗中的應(yīng)用研究

2.1 血液（斑）檢驗

血液是傷害性案件現(xiàn)場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，血液常呈噴濺狀、跌落狀、擦拭狀等血跡或血泊。隨著案發(fā)時間的推移，血液會經(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。對于清洗過的血跡通過分析現(xiàn)場并與相應(yīng)衣物、被罩、作案工具等進(jìn)行比對常不難發(fā)現(xiàn)可能的出血或積血部位。由于血液極易受環(huán)境污染且短時間內(nèi)就會發(fā)生腐敗降解，所以需要及時有效地對其進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、提取和檢測。高光譜成像技術(shù)的無損、非接觸特點，可實現(xiàn)對血液的分析、檢測、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)可對案發(fā)現(xiàn)場潛在血跡進(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。高光譜融合處理技術(shù)對于案發(fā)現(xiàn)場不同介質(zhì)上潛在血跡的精準(zhǔn)定位[21-22]和檢材的及時發(fā)現(xiàn)、提取及DNA 擴(kuò)增后續(xù)處理十分重要，在一定時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)上血跡的成功識別與鑒定，其靈敏度高達(dá)95%。對于血痕的種屬鑒別[24]，基于CRi Nuance 光譜成像儀搭載MISytem 3.0 光譜影像分析軟件，可實現(xiàn)不同載體上人血、動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)的差異在特定波長光源下的反射率與吸光度不同這一特性，VHI 可實現(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，可實現(xiàn)對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)在血跡檢驗中優(yōu)勢顯著：（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；（2）能進(jìn)行潛在血跡顯現(xiàn)、血跡組分分析、血跡分類識別及血跡陳舊度檢測[26]；（3）可實現(xiàn)不同復(fù)雜背景下的血指紋[27]圖像分割提??；（4）可實現(xiàn)血跡的無損檢測。目前依據(jù)不同個體、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的重點。

盡管在血跡的識別與檢測中，高光譜成像具有顯著的優(yōu)勢，但其在應(yīng)用過程中也存在著諸多技術(shù)難點。高檢測靈敏度、高分類識別速度及對形成時間的高預(yù)測精度，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；對于血液的多種識別與檢測技術(shù)，目前都還處于實驗室的初步探索階段，納入實踐應(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（environment for visualizing images，ENVI）、管理信息系統(tǒng)[30]等開發(fā)新軟件，選擇理想波段下對應(yīng)的灰度圖像加以人工分析，可視為實現(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

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€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。隨著時間的推移，新鮮精液會逐漸形成干燥斑痕，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體不同其組成有所不同，特別是在輪奸案或受害人有多個性伙伴的性侵案件中，通常提取物為多個體精-陰混合斑，采用常規(guī)分離提取方法費時費力，且易損失檢材，尤其對于微量、超微量精-陰混合斑檢材常無法進(jìn)行后續(xù)相關(guān)檢驗。在精-陰混合斑的檢驗中，高光譜成像技術(shù)提供了一種新的快速無損檢驗方法。

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間較長，設(shè)備要求高，對操作人員要求嚴(yán)格且相關(guān)試劑盒的成本高昂，同時對于案發(fā)現(xiàn)場的精-陰混合斑往往無法實現(xiàn)及時檢測，而且相對隱蔽性的檢材更不能及時被發(fā)現(xiàn)。相對而言，高光譜成像技術(shù)在等額成本下具有更大的價值回饋，對操作人員沒有嚴(yán)格的要求和限制，所用儀器更便捷，檢測與分析耗時更短。激光捕獲顯微切割技術(shù)對來源于單一個體的精-陰混合斑和多個體的精-陰混合斑檢驗鑒定的靈敏度高、特異性好且受腐敗影響小，尤其適用于多個體精-陰混合斑檢驗。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)，若能實現(xiàn)相關(guān)知識儲備和技術(shù)的融合發(fā)展，必將解決公安實踐中類似輪奸案件現(xiàn)場物證檢驗的關(guān)鍵性難題。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)對精-陰混合斑檢測還處于實驗室探索階段，針對輪奸案或受害人有多個性伙伴的性侵案件中的多個體精-陰混合斑檢驗鑒定，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、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并無損檢測案件現(xiàn)場出現(xiàn)的精-陰混合斑，在不損失檢材的同時獲得光譜數(shù)據(jù)、圖像信息和DNA 檢測結(jié)果是當(dāng)前技術(shù)結(jié)合的難點?？傮w而言，高光譜成像技術(shù)檢驗精斑的優(yōu)勢體現(xiàn)在：（1）高光譜圖像再現(xiàn)可初步實現(xiàn)精斑的種屬鑒別，利于后續(xù)相關(guān)檢驗；（2）微控、自動化、便攜式可減少實驗室的操作流程；（3）快速、靈活、綠色環(huán)保。

高光譜明視場成像系統(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)、識別與檢測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實現(xiàn)質(zhì)的突破。

2.3 唾液（斑）檢驗

唾液是一種易收集、易儲存且富含生物學(xué)信息的體液，其特定的可溶性生物標(biāo)志物在個體識別中發(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、食物殘渣、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，由于DNA 在干燥狀態(tài)下相對穩(wěn)定，利用拉曼顯微光譜[36]對唾液斑檢驗可實現(xiàn)快速、簡單、可重復(fù)且無損傷的定性定量分析，?？梢杂脕聿檎液痛_認(rèn)犯罪現(xiàn)場的嫌疑人。由于高光譜技術(shù)用于唾液斑檢驗太少，對于混合唾液斑的檢測更是空白，所以需要更深入的學(xué)習(xí)和探索。為了更好地實現(xiàn)唾液斑的及時、無損檢測，需要更快速、靈敏和無創(chuàng)的檢測技術(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，高光譜成像技術(shù)在其應(yīng)用上顯示了其獨特的優(yōu)勢：（1）有利于快速檢測分析案發(fā)現(xiàn)場的唾液斑；（2）對于考慮中毒致死的案例可實現(xiàn)毒物檢測的快速排除；（3）利用光譜特征可對不同唾液樣本進(jìn)行識別；（4）依據(jù)唾液斑的光譜數(shù)據(jù)可實現(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)色至近紅外波長的一個寬區(qū)域波段，可實現(xiàn)寬場光譜成像，可有效識別進(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，有效識別唾液中各無機(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

毛發(fā)屬于案件現(xiàn)場的常規(guī)生物檢材，毛發(fā)檢驗是法醫(yī)學(xué)的一個重要方面。人體代謝時刻進(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)對毛發(fā)進(jìn)行檢驗可獲得更豐富的信息。

在對生物物證的研究進(jìn)展中，高光譜成像技術(shù)無疑是毛發(fā)快速無損檢驗的新方法。對比分析檢測獲得的融合圖像、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，可實現(xiàn)高光譜成像系統(tǒng)對野生動物毛發(fā)不同長度和顏色的檢測[38]。研究[39]結(jié)果顯示，在不同的圖像處理方式下，對特征集進(jìn)行篩選后加以分類，可實現(xiàn)高光譜成像系統(tǒng)對黑色毛發(fā)的精準(zhǔn)識別，識別率可達(dá)到100%。難點是相關(guān)技術(shù)涉及毛發(fā)檢驗太少，缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)和研究探索，且當(dāng)前的實驗主要停留在動物實驗階段，對人的毛發(fā)檢驗幾乎屬于空白。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)的檢驗與鑒定。結(jié)合高光譜成像技術(shù)檢驗毛發(fā)的優(yōu)勢為：（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。共聚焦顯微高光譜技術(shù)對毛發(fā)的檢驗可在毛發(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

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，及時對指甲縫內(nèi)容物進(jìn)行檢測可為案件偵破提供有力導(dǎo)向。

采用常規(guī)的Chelex-100 法、磁珠法對受害人進(jìn)行指甲內(nèi)容物的提取與檢驗可獲得嫌疑人的DNA 圖譜，對比DNA 數(shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)信息平臺篩查實現(xiàn)以物找人。死亡案件現(xiàn)場的指甲內(nèi)容物會隨著時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)是指甲檢驗的最佳選擇，既可實現(xiàn)對指甲特征光譜的提取，又可對指甲內(nèi)容物進(jìn)行元素分析。指甲檢驗主要是對指甲中的脫落細(xì)胞進(jìn)行檢驗，檢驗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、時間、次數(shù)以及個體差異都會影響檢測的結(jié)果。接觸程度越強(qiáng)、時間越長、次數(shù)越多、個體新陳代謝越旺盛，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，對于指甲分析用于脫落細(xì)胞DNA 檢驗的高光譜成像技術(shù)還處于探索階段，且其與DNA 檢驗不能一體化是當(dāng)前高光譜成像技術(shù)結(jié)合脫落細(xì)胞學(xué)檢驗研究的難點。指甲檢驗結(jié)合高光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢為：（1）簡單方便，省時省力，可實現(xiàn)及時、無損檢驗；（2）多指標(biāo)光譜數(shù)據(jù)分析，有利于提高物證的實用性；（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]對指甲中角蛋白進(jìn)行分析，實現(xiàn)毒物、藥物的檢測，同時捕獲的男女性手指指甲分子結(jié)構(gòu)的差異可作為未來性別判斷的輔助指標(biāo)，為高光譜成像技術(shù)在指甲檢驗中的研究開辟了新方向。對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)對人體指甲檢測的佐證，進(jìn)一步促進(jìn)了高光譜技術(shù)在生物體檢測中的應(yīng)用。

2.6 骨骼檢驗

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。尸體白骨化在個體識別方面同樣具有重要的法醫(yī)學(xué)意義。

近年來，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、植物活動的影響，同時不同地區(qū)、不同人類活動、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)，且會出現(xiàn)復(fù)雜的預(yù)處理過程和數(shù)據(jù)的冗余問題。對尸體骨骼檢驗結(jié)合高光譜成像技術(shù)可有顯著的優(yōu)勢：（1）可及時發(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）對于某些金屬毒物中毒，毒素可長久留存于骨質(zhì)中，若采用高光譜儀對骨密質(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，可有助于毒物及時檢測、推斷和鑒別死因；（3）在個體識別方面，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別和骨齡評估中還處于理論的展望階段，如何快速有效地識別、分析白骨化骨骼的各項指標(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)行死亡時間的大致推斷。骨骼檢驗結(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)對白骨化尸體無損檢測的研究較少，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)用還處于實驗室階段，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可突破高光譜成像技術(shù)與骨骼檢驗相結(jié)合的瓶頸，彌補(bǔ)其在白骨化尸體骨骼檢驗實踐中的空白。

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)可以同時查詢許多光譜連續(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，對于新形勢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)場微量或超微量物證信息的及時發(fā)現(xiàn)與捕獲。在血液檢驗方面，高光譜技術(shù)能更好地從細(xì)胞層面[60]和分子層面[61]對檢材進(jìn)行定位捕獲和定性、定量分析，實現(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“圖譜合一”的特點。精液混合斑的提取分離方法較多，但無法在短時間內(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，同時再現(xiàn)精液混合斑的光譜數(shù)據(jù)、立體圖像和DNA 檢測圖譜。唾液、毛發(fā)、指甲、骨骼含有大量的個體信息，但基于高光譜技術(shù)的研究還處于探索階段，如何實現(xiàn)檢材的無損檢測和圖譜再現(xiàn)仍是研究的難點。在實際案例中附著物、污染痕跡對生物物證光譜檢測也會產(chǎn)生不同程度的影響，相對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，所要求的高檢測靈敏度和高空間分辨率也限制了其發(fā)展。針對高光譜成像系統(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、智能化、低成本的高光譜成像系統(tǒng)對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)在生物物證檢測領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和當(dāng)前研究中的難題。相信在未來高光譜成像技術(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)域的更大實用價值。