高光谱成像技术在生物物证领域的研究进展2.0

一、引言

当前高光谱成像技术与生物物证的结合可为侦破陈年积案和大数据时代下的新型犯罪提供新的契机，但同时也提出了新的挑战。对于仪器的性能而言，高光谱成像仪的灵敏度和空间分辨率谱段覆盖范围及信息实时处理能力尚不能满足相关技术的应用需求。高光谱成像光谱仪虽具有更多的通道数、更宽的光谱范围和更高的光谱精细度，但是每个通道对光谱的利用率和准确性并不高，这是无法实现近距离采集的主要原因。

高光谱成像技术所包含的丰富图像信息会增加数据后处理的难度，而且由于模型构建涵盖大量的样本数据会导致降维处理所需数据模型更为复杂，一定程度上也限制了高光谱成像技术在实际检测中的应用。目前高光谱成像技术主要应用于食品安全、医学诊断、航天等领域，在生物物证领域涉足较少，相关生物物证的检验与鉴定还处于空白，伴随着高光谱成像技术不断创新与发展，未来将可在生物物证领域展现出巨大的应用潜力。

二、高光谱成像技术在生物物证检验中的应用研究

2.1 唾液（斑）检验

唾液是一种易收集、易储存且富含生物学信息的体液，其特定的可溶性生物标志物在个体识别中发挥着重要作用。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，常附着于杯口、烟头、牙刷、食物残渣、性侵犯受害人的乳头上等。

健康对照(HC 绿色)、放射治疗患者(RD 蓝色)和干病患者(SjD 红色)的唾液预处理平均拉曼光谱

唾液斑通常和其他体液一起出现在犯罪现场，由于DNA在干燥状态下相对稳定，利用拉曼显微光谱对唾液斑检验可实现快速、简单、可重复且无损伤的定性定量分析，常可以用来查找和确认犯罪现场的嫌疑人。由于高光谱技术用于唾液斑检验太少，对于混合唾液斑的检测更是空白，所以需要更深入的学习和探索。

为了更好地实现唾液斑的及时、无损检测，需要更快速、灵敏和无创的检测技术，特别是当传统的活检可以被唾液等体液分析所取代时，高光谱成像技术在其应用上显示了其独特的优势：

（1）有利于快速检测分析案发现场的唾液斑；

（2）对于考虑中毒致死的案例可实现毒物检测的快速排除；

（3）利用光谱特征可对不同唾液样本进行识别；

（4）依据唾液斑的光谱数据可实现辅助性病理诊断。

天然（上）和干燥（下）状态下的血浆（左）和唾液（右）的癌性样品（紫色）和对照样品（绿色）的总体平均值和标准差

当前研究结果显示，超紧凑型手持式高光谱成像仪覆盖了从蓝色至近红外波长的一个宽区域波段，可实现宽场光谱成像，可有效识别进口矿产品中各化学元素的成分及其含量，改良后可运用于唾液斑的检验，有效识别唾液中各无机盐离子及分泌型抗原的成分及其含量，进行唾液（斑）的种属认定。

2.2 毛发检验

毛发属于案件现场的常规生物检材，毛发检验是法医学的一个重要方面。人体代谢时刻进行，毛发也处于周期性更替之中。人体的毛发依据分化特性不同可分为硬毛和毳毛。硬毛粗硬、色泽浓、含髓质，包括长毛（头发、腋毛、阴毛等）和短毛（眉毛、鼻毛等）。毳毛细软、色泽淡、无髓质，多见于躯干的汗毛。人体大部分都覆盖毛发，毛的粗细、长短、疏密与颜色随部位、年龄、性别、生理状态、种族等呈现出差异。结合高光谱成像技术对毛发进行检验可获得更丰富的信息。

在对生物物证的研究进展中，高光谱成像技术无疑是毛发快速无损检验的新方法。对比分析检测获得的融合图像、灰度平均图像和全波段下不同毛发的图像，经处理可得到目标体的最佳影像。利用可见光和近红外波段光谱的特点，可实现高光谱成像系统对野生动物毛发不同长度和颜色的检测。研究结果显示，在不同的图像处理方式下，对特征集进行筛选后加以分类，可实现高光谱成像系统对黑色毛发的精准识别，识别率可达到100％。

a. 控制发丝和 b. 测试发丝的 FTIR 光谱

结合高光谱成像技术检验毛发的优势为：

（1）有利于微量、疑难毛发的搜寻和种属的鉴别与诊断；

（2）有利于分析毛发的内部化学成分、空间结构及各元素分布状态等信息；

（3）有利于毛发组织来源与颜色的辨别和表面单类难检杂质的鉴定。

依据标准化医学高光谱数据采集及分析方法，可实现显微高光谱技术在毛发种属领域的创新应用以及毛发表面单类难检杂质的高光谱图像检测。共聚焦显微高光谱技术对毛发的检验可在毛发405nm处激发自显荧光，用于获得广泛的毛发虚拟横截面，有助于确定毛发的可能躯体起源或来自的人群种族，可作为技术结合的良好指引。

2.3指甲检验

指甲为表皮角质化后的结缔组织，主要成分是角蛋白，起保护指端的作用。指甲是案发现场重要的生物物证，在扼死、捂死、勒死等窒息性死亡或其他伤害性案件中，受害者常与嫌疑人发生撕扯或肢体接触，受害者的指甲缝中通常含有大量嫌疑人的表皮脱落细胞，及时对指甲缝内容物进行检测可为案件侦破提供有力导向。采用常规的Chelex-100法、磁珠法对受害人进行指甲内容物的提取与检验可获得嫌疑人的DNA图谱，对比DNA数据库，通过大数据信息平台筛查实现以物找人。

死亡案件现场的指甲内容物会随着时间的推移逐渐被尸体自身因素或其他因素所污染、破坏，故及时有效提取指甲内容物十分重要。高光谱成像技术是指甲检验的最佳选择，既可实现对指甲特征光谱的提取，又可对指甲内容物进行元素分析。指甲检验主要是对指甲中的脱落细胞进行检验，检验成功与否与众多因素相关。

通常嫌疑人与受害人肢体接触的程度、时间、次数以及个体差异都会影响检测的结果。接触程度越强、时间越长、次数越多、个体新陈代谢越旺盛，指甲中残留的脱落细胞越多，用于DNA检验的检材越充分，所得DNA图谱效果越好。当前已有基于多光谱成像技术的宫颈脱落细胞及胃液脱落细胞的DNA定量分析研究，对于指甲分析用于脱落细胞DNA检验的高光谱成像技术还处于探索阶段，且其与DNA检验不能一体化是当前高光谱成像技术结合脱落细胞学检验研究的难点。

分别与 1 mL 0.9% 氯化钠溶液、5% 葡萄糖溶液和 10% 葡萄糖溶液孵育后指甲粉的红外光谱。

指甲检验结合高光谱成像技术的优势为：

（1）简单方便，省时省力，可实现及时、无损检验；

（2）多指标光谱数据分析，有利于提高物证的实用性；

（3）有利于减少检材的污染，适用于多数情况下微量的脱落细胞DNA图谱分析。

基于液晶可调滤光片（LCTF）多光谱成像技术、激光诱导击穿光谱仪（LIBS）技术的发展，可为人体指甲的特征光谱提取及人体指甲中微量元素的分析提供契机，利用拉曼光谱技术对指甲中角蛋白进行分析，实现毒物、药物的检测，同时捕获的男女性手指指甲分子结构的差异可作为未来性别判断的辅助指标，为高光谱成像技术在指甲检验中的研究开辟了新方向。

对于正常指甲与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种疾病的分析，应用红外光谱仪等设备对青年、老年指甲的表面结构、形貌、水含量和力学性能进行分析，通过所显示出的不同特征，在一定程度上有助于年龄、性别的推断等。激光诱导击穿光谱技术对人体指甲检测的佐证，进一步促进了高光谱技术在生物体检测中的应用。

2.4骨骼检验

骨骼往往是白骨化尸体所保留的最后生物物证，一般埋于土中的尸体经过2~3年，骨骼即可完全暴露。白骨化是指尸体骨骼从开始暴露到完全暴露的过程，可伴有软组织软化、液化、消失及毛发和指（趾）甲脱落。依据其发生发展可分为4个阶段：一是开始白骨化，即高度腐败尸体的颅骨表面及四肢末端开始出现白骨；二是部分白骨化，即躯干、胸骨及肋骨开始暴露；三是基本白骨化，即各器官消失，全身骨骼裸露仅有软组织附着；四是完全白骨化，即软组织完全消失仅剩下骨骼。尸体白骨化在个体识别方面同样具有重要的法医学意义。

两个骨骼样品的 FTIR 光谱显示了可归因于酰胺、磷酸盐和碳酸盐基团的特征振动带

绿线：稳定气候（洞穴）环境保存完好的骨骼；红线：温带环境保存不佳的骨骼

近年来，傅里叶变换红外光谱技术、X射线荧光光谱分析仪、拉曼光谱在骨骼成像与检验中也有涉足。由于白骨化的骨骼受不同地理环境、土壤性质和各种动、植物活动的影响，同时不同地区、不同人类活动、不同风俗习惯常有相互交织作用，不同种骨骼的红外吸收光谱常并非完全一致，在鉴别中需要综合相关骨骼的各种数据，且会出现复杂的预处理过程和数据的几余问题。对尸体骨骼检验结合高光谱成像技术可有显著的优势:

可及时发现尸骨上残留的细微损伤痕迹，如划痕、刺痕、枪弹创、骨折等；

对于某些金属毒物中毒，毒素可长久留存于骨质中，若采用高光谱仪对骨密质进行微量化学元素分析，结合贝叶斯概率法的辅助筛查，可有助于毒物及时检测、推断和鉴别死因；

在个体识别方面，可根据骨骼的空间结构特征和平面数据信息，采用高光谱成像技术实现死者的年龄、性别、身高、体质量等信息预判以及颅像重合或面貌复原等。

考古牙根（蓝线）和现代骨骼样本（红线）中胶原蛋白FTIR 光谱

此外，神经网络联合DNA甲基化方法、AI结合贝叶斯概率法等在骨图像识别和骨龄评估中还处于理论的展望阶段，如何快速有效地识别、分析白骨化骨骼的各项指标，进行死者信息的准确判断是当前亟须解决的难题。目前采用AI结合多种尸骨现象并基于检材的大数据分析可进行死亡时间的大致推断。骨骼检验结合神经网络偶联DNA甲基化、全基因组关联分析等方法有望进行骨骼局部特征的刻画以及年龄和性别的预判。当前高光谱成像技术对白骨化尸体无损检测的研究较少，新的傅里叶变换红外光谱技术在白骨化尸体分析中的运用还处于实验室阶段，深度学习技术可突破高光谱成像技术与骨骼检验相结合的瓶颈，弥补其在白骨化尸体骨骼检验实践中的空白。

三、展望

唾液、毛发、指甲、骨骼含有大量的个体信息，但基于高光谱技术的研究还处于探索阶段，如何实现检材的无损检测和图谱再现仍是研究的难点。在实际案例中附着物、污染痕迹对生物物证光谱检测也会产生不同程度的影响，相对于较为成熟的近红外高光谱成像技术，紫外、红外、可见光成像技术在生物物证鉴定领域的应用不足，且高光谱自身数据冗余、模型构建复杂，所要求的高检测灵敏度和高空间分辨率也限制了其发展。针对高光谱成像系统的复杂性以及较高的成本，构建便携式、多种生物物证检测、智能化、低成本的高光谱成像系统对于推广其在法庭科学中的应用也具有重要意义。

本文对高光谱成像技术进行了介绍并就其在常见生物物证方面的应用进行了概述，分析了高光谱成像技术在生物物证检测领域的研究现状、发展趋势和当前研究中的难题。相信在未来高光谱成像技术的不断发展与创新必将突破技术发展的各种瓶颈，实现在生物物证领域更广泛的应用以及在法庭科学领域的更大实用价值。

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审核编辑 黄宇