一、引言

當前高光譜成像技術(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，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度，但是每個通道對光譜的利用率和準確性并不高，這是無法實現(xiàn)近距離采集的主要原因。

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)會導致降維處理所需數(shù)據(jù)模型更為復雜，一定程度上也限制了高光譜成像技術(shù)在實際檢測中的應用。目前高光譜成像技術(shù)主要應用于食品安全、醫(yī)學診斷、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)出巨大的應用潛力。

二、高光譜成像技術(shù)在生物物證檢驗中的應用研究

2.1 唾液（斑）檢驗

唾液是一種易收集、易儲存且富含生物學信息的體液，其特定的可溶性生物標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。

健康對照(HC 綠色)、放射治療患者(RD 藍色)和干病患者(SjD 紅色)的唾液預處理平均拉曼光譜

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，利用拉曼顯微光譜對唾液斑檢驗可實現(xiàn)快速、簡單、可重復且無損傷的定性定量分析，常可以用來查找和確認犯罪現(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習和探索。

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。

天然（上）和干燥（下）狀態(tài)下的血漿（左）和唾液（右）的癌性樣品（紫色）和對照樣品（綠色）的總體平均值和標準差

當前研究結(jié)果顯示，超緊湊型手持式高光譜成像儀覆蓋了從藍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，可有效識別進口礦產(chǎn)品中各化學元素的成分及其含量，改良后可運用于唾液斑的檢驗，有效識別唾液中各無機鹽離子及分泌型抗原的成分及其含量，進行唾液（斑）的種屬認定。

2.2 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)學的一個重要方面。人體代謝時刻進行，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、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)進行檢驗可獲得更豐富的信息。

在對生物物證的研究進展中，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。研究結(jié)果顯示，在不同的圖像處理方式下，對特征集進行篩選后加以分類，可實現(xiàn)高光譜成像系統(tǒng)對黑色毛發(fā)的精準識別，識別率可達到100％。

a. 控制發(fā)絲和 b. 測試發(fā)絲的 FTIR 光譜

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)標準化醫(yī)學高光譜數(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)405nm處激發(fā)自顯熒光，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。

2.3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胞，及時對指甲縫內(nèi)容物進行檢測可為案件偵破提供有力導向。采用常規(guī)的Chelex-100法、磁珠法對受害人進行指甲內(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)容物進行元素分析。指甲檢驗主要是對指甲中的脫落細胞進行檢驗，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、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胞越多，用于DNA檢驗的檢材越充分，所得DNA圖譜效果越好。當前已有基于多光譜成像技術(shù)的宮頸脫落細胞及胃液脫落細胞的DNA定量分析研究，對于指甲分析用于脫落細胞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前高光譜成像技術(shù)結(jié)合脫落細胞學檢驗研究的難點。

分別與 1 mL 0.9% 氯化鈉溶液、5% 葡萄糖溶液和 10% 葡萄糖溶液孵育后指甲粉的紅外光譜。

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胞DNA圖譜分析。

基于液晶可調(diào)濾光片（LCTF）多光譜成像技術(shù)、激光誘導擊穿光譜儀（LIBS）技術(shù)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，利用拉曼光譜技術(shù)對指甲中角蛋白進行分析，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，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，應用紅外光譜儀等設(shè)備對青年、老年指甲的表面結(jié)構(gòu)、形貌、水含量和力學性能進行分析，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。激光誘導擊穿光譜技術(shù)對人體指甲檢測的佐證，進一步促進了高光譜技術(shù)在生物體檢測中的應用。

2.4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：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)學意義。

兩個骨骼樣品的 FTIR 光譜顯示了可歸因于酰胺、磷酸鹽和碳酸鹽基團的特征振動帶

綠線：穩(wěn)定氣候（洞穴）環(huán)境保存完好的骨骼；紅線：溫帶環(huán)境保存不佳的骨骼

近年來，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、X射線熒光光譜分析儀、拉曼光譜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、不同風俗習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)復雜的預處理過程和數(shù)據(jù)的幾余問題。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:

可及時發(fā)現(xiàn)尸骨上殘留的細微損傷痕跡，如劃痕、刺痕、槍彈創(chuàng)、骨折等；

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)進行微量化學元素分析，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；

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)量等信息預判以及顱像重合或面貌復原等。

考古牙根（藍線）和現(xiàn)代骨骼樣本（紅線）中膠原蛋白FTIR 光譜

此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合DNA甲基化方法、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，進行死者信息的準確判斷是當前亟須解決的難題。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)分析等方法有望進行骨骼局部特征的刻畫以及年齡和性別的預判。當前高光譜成像技術(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用還處于實驗室階段，深度學習技術(shù)可突破高光譜成像技術(shù)與骨骼檢驗相結(jié)合的瓶頸，彌補其在白骨化尸體骨骼檢驗實踐中的空白。

三、展望

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)域的應用不足，且高光譜自身數(shù)據(jù)冗余、模型構(gòu)建復雜，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中的應用也具有重要意義。

本文對高光譜成像技術(shù)進行了介紹并就其在常見生物物證方面的應用進行了概述，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)域更廣泛的應用以及在法庭科學領(lǐng)域的更大實用價值。

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審核編輯 黃宇