基於高光譜成像技術的血跡形態及陳舊度研究

基於高光譜成像技術的血跡形態及陳舊度研究

0 引言

命案現場中最常見的痕跡物證就是血跡。血跡作為刑事訴訟證據具有客觀

、穩定、廣泛、複(fu)雜(za)的(de)特(te)點(dian)，在(zai)法(fa)庭(ting)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)中(zhong)一(yi)直(zhi)被(bei)當(dang)作(zuo)極(ji)具(ju)采(cai)信(xin)力(li)的(de)重(zhong)要(yao)物(wu)證(zheng)之(zhi)一(yi)。由(you)於(yu)血(xue)跡(ji)既(ji)具(ju)有(you)痕(hen)跡(ji)的(de)特(te)點(dian)又(you)具(ju)有(you)物(wu)證(zheng)的(de)特(te)點(dian)，其(qi)痕(hen)跡(ji)和(he)物(wu)證(zheng)的(de)雙(shuang)重(zhong)特(te)點(dian)也(ye)充(chong)分(fen)反(fan)映(ying)出(chu)血(xue)跡(ji)在(zai)犯(fan)罪(zui)現(xian)場(chang)上(shang)的(de)重(zhong)要(yao)地(di)位(wei)和(he)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。針對血跡的痕跡特點
，通過對現場血跡的形態物理特征的測量和觀察，它能反映出受害人狀況和流血以後的活動路徑及嫌疑人沾染現場血跡後的移動軌跡，這一切使其在犯罪現場重塑和案情分析推斷中發揮出如指紋

、鞋印等傳統痕跡無法比擬的作用。針對其法醫物證特點，利用血跡的物理及生物學特性，即血跡的陳舊度、種屬、血型、性別以及DNA等deng參can數shu，可ke實shi現xian現xian場chang血xue跡ji的de來lai源yuan認ren定ding。在zai犯fan罪zui現xian場chang血xue跡ji搜sou尋xun和he定ding位wei識shi別bie檢jian測ce方fang麵mian己ji有you較jiao多duo的de研yan究jiu，但dan由you於yu技ji術shu手shou段duan落luo後hou和he犯fan罪zui現xian場chang複fu雜za等deng因yin素su的de影ying響xiang，在zai實shi際ji的de現xian場chang實shi現xian血xue跡ji形xing態tai物wu理li特te征zheng可ke視shi化hua仍reng存cun在zai許xu多duo困kun難nan。

隨(sui)著(zhe)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)的(de)逐(zhu)漸(jian)成(cheng)熟(shu)，它(ta)己(ji)經(jing)被(bei)應(ying)用(yong)到(dao)很(hen)多(duo)領(ling)域(yu)，這(zhe)些(xie)領(ling)域(yu)大(da)到(dao)航(hang)天(tian)航(hang)空(kong)，小(xiao)到(dao)醫(yi)學(xue)的(de)舌(she)苔(tai)成(cheng)像(xiang)
，豬(zhu)肉(rou)的(de)細(xi)菌(jun)檢(jian)測(ce)等(deng)等(deng)，其(qi)功(gong)能(neng)的(de)強(qiang)大(da)性(xing)己(ji)經(jing)漸(jian)漸(jian)顯(xian)現(xian)出(chu)來(lai)，也(ye)獲(huo)得(de)了(le)各(ge)國(guo)的(de)重(zhong)視(shi)。傳(chuan)統(tong)的(de)血(xue)跡(ji)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)如(ru)觀(guan)察(cha)法(fa)隻(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)血(xue)跡(ji)較(jiao)為(wei)明(ming)顯(xian)的(de)現(xian)場(chang)，而(er)試(shi)劑(ji)法(fa)通(tong)過(guo)加(jia)入(ru)化(hua)學(xue)試(shi)劑(ji)發(fa)生(sheng)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)達(da)到(dao)顯(xian)示(shi)血(xue)跡(ji)的(de)目(mu)的(de)，這(zhe)會(hui)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)破(po)壞(huai)血(xue)跡(ji)中(zhong)的(de)DNA成cheng分fen
，為wei後hou續xu的de法fa醫yi學xue檢jian測ce帶dai來lai影ying響xiang。而er高gao光guang譜pu圖tu像xiang技ji術shu不bu僅jin能neng夠gou分fen析xi檢jian測ce血xue跡ji很hen明ming顯xian的de現xian場chang
，特te別bie是shi對dui潛qian在zai血xue跡ji也ye能neng夠gou在zai不bu同tong波bo段duan進jin行xing成cheng像xiang，將jiang二er維wei圖tu片pian信xin息xi與yu一yi維wei的de光guang譜pu信xin息xi結jie合he起qi來lai構gou成cheng三san維wei的de數shu據ju立li方fang體ti
，由you於yu血xue跡ji形xing態tai特te征zheng在zai不bu同tong波bo段duan下xia成cheng像xiang清qing晰xi度du不bu一yi樣yang，經jing過guo特te征zheng提ti取qu和he圖tu像xiang融rong合he可ke以yi得de到dao清qing晰xi的de血xue跡ji圖tu像xiang，同tong時shi得de到dao的de光guang譜pu圖tu像xiang可ke以yi進jin行xing血xue跡ji的de生sheng理li特te征zheng如ru血xue跡ji陳chen舊jiu度du的de分fen析xi。陳chen祖zu林lin等deng對dui血xue液ye吸xi收shou光guang譜pu的de研yan究jiu發fa現xian，血xue液ye在zai波bo長chang為wei578 nm, 416 nm, 278 nm處出現了高尖的吸收峰，ABO血型係統中不同血型血液的吸收光譜無明顯差異
，不同血型之間血液各成分的吸收

、透射規律相似。李偉等應用分光光度法研究了在577 nm,416 nm,275 nm波長下大鼠右心血漿吸光度與死亡時間的關係，發現大鼠死後右心血漿在577 nm,416 nm,275 nm波長下的吸光度(n)與yu死si亡wang時shi間jian呈cheng正zheng相xiang關guan。因yin此ci基ji於yu高gao光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu的de血xue跡ji形xing態tai特te征zheng及ji陳chen舊jiu度du的de研yan究jiu具ju有you寬kuan廣guang的de研yan究jiu空kong間jian和he應ying用yong前qian景jing
，本ben研yan究jiu利li用yong不bu同tong介jie質zhi上shang的de血xue跡ji進jin一yi步bu分fen析xi不bu同tong介jie質zhi形xing態tai特te征zheng及ji其qi血xue跡ji歲sui時shi間jian的de變bian化hua規gui律lv。

1、 材料與方法

實驗采用四川雙利合譜科技有限公司的GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀
，光譜測定範圍400-1000nm，采樣間隔為0.58 nm

，光譜分辨率為4nm，實驗在室內進行，溫度控製為20℃
，以減少外界環境對光譜采集的幹擾，光源采用鹵鎢燈，可提供215-2500 nm的紫外/可見/近紅外波段的高效、高穩定性的連續輸出光譜，實驗數據以raw格式輸出，分析軟件為SpecView和ENVI/IDL5.3。

實驗樣品為手指末梢采集的新鮮血液，分別滴在不同的介質上，如光盤、白紙
、木屑、紅布


、快遞單
、書籍、手機等。利用GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀每隔一段時間分別獲取不同介質上血液的高光譜影像。整個采集過程中
，光譜儀
、光源、樣本放置的位置固定。GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢係統的外觀尺寸圖和實體圖如圖1所示。其成像光譜儀參數如表1所示。

圖1為GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢係統的外觀尺寸圖和實體圖

表1   GaiaSorter 高光譜分選儀係統參數

在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

(1)

式中
，R_ref  是校正過的圖像，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。

試驗得到的光譜含有由儀器和試驗條件等引起的噪聲

，對這些噪聲的處理有助於減少噪聲對光譜分析的影響
，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據中的隨機噪聲
，消噪效果受平滑點數的影響，本文中選擇SG二次多項式7點平滑對光譜數據進行處理。

2.1 不同介質的血跡光譜曲線圖

經過黑白針校正
、光譜降噪等預處理
，分別獲取白紙
、紅布
、木塊、紅色印尼
、書籍封麵、快遞單等六種介質上的血跡在400-1000 nm的光譜反射率，如圖2A-F所示為血液滴在不同介質上1 h後的光譜曲線圖。從圖2A可知在白紙介質上，血跡與背景的光譜曲線在可見光差異較大
，血液滴在白紙上，在可見光區域形成“兩峰三穀”的現象，在590-620 nm之間形成一個陡坡，在近紅外區域
，血跡與白紙的變化趨勢大致相同，但是反射率低於白紙。當血液滴在紅布時，在400-1000 nm範圍內，其光譜反射率小於紅布的光譜反射率，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範圍內，形成90度“S”變化趨勢，而血跡則呈緩慢上升趨勢。當血液滴在木塊上時，血跡在可見光區域的變化規律與血液滴在白紙上相似，也有“兩峰三穀”的現象
，且峰與穀的位置大致相同
；然而，血液滴在木塊上時
，其在580-680 nm處形成的陡坡斜率小於血液滴在白紙上的陡坡斜率。當血液滴在紅色字體上時，其主要區別還是在400-600 nm之間，血液滴在紅色字體上時，有兩峰三穀的現象，而紅色字體隻有一穀，如圖2D所示。當血液滴在書籍封麵時，以血液滴在綠皮封麵為例
，從圖2E所suo示shi，從cong圖tu形xing變bian化hua趨qu勢shi來lai看kan，兩liang者zhe變bian化hua趨qu勢shi相xiang似si

，血xue跡ji的de光guang譜pu反fan射she率lv小xiao於yu背bei景jing的de光guang譜pu反fan射she率lv，在zai可ke見jian光guang區qu域yu血xue跡ji與yu背bei景jing差cha異yi較jiao大da，易yi區qu分fen。當dang血xue液ye滴di在zai快kuai遞di單dan上shang時shi，其qi血xue跡ji得de光guang譜pu曲qu線xian有you較jiao為wei明ming顯xian的de“兩峰三穀”現象，而快遞單的紅色區域的光譜曲線有較為顯著的一穀
，位於575 nm附近，在該處，血跡也有一吸收穀，隻不過穀的深度較低而已。

圖2  不同介質的血跡光譜曲線圖

圖2分析了不同介質上的血跡與其背景的光譜在400-1000 nmdebianhuaguilv，congfenxizhongkezhi，butongjiezhishangdexuejiyubeijingdeguangpuquxianchayixianzhu

，junnengjiaohaodequfenchulai。weilejinyibutantaobutongjiezhishang，xiangtongshijiandexuejideguangpuquxianbianhuaguilv
，benjiejiangbaizhishangdexueji、紅布上的血跡、快遞單上的血跡
、書籍封麵上的血跡
、紅色字體上的血跡以及木塊上的血跡共六種不同介質的血跡進行討論分析，探討不同介質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、書籍封麵血跡、木塊血跡
、白紙血跡、紅色字體血跡這五種介質上的血跡在553.45 nm處有一吸收穀
；快遞單血跡
、木塊血跡
、白紙血跡、紅色字體血跡這四種介質上的血跡在542.54 nm附近有一小峰值，在525.63 nm附近有一小吸收穀；白紙血跡、快遞單血跡
、書籍封麵血跡以及木塊血跡這四種介質上的血跡在505.19 nm附近有一峰值；快遞單血跡、書籍封麵血跡
、紅色字體血跡、木塊血跡這五種介質在425 nm附近有一吸收穀。在400-1000 nm範圍內，不同介質上的血跡都形成了“陡坡”現象
，隻是陡坡的位置不太相似。從分析中可知
，由於介質白紙
、快遞單（紙質）、書籍、木(mu)塊(kuai)的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)均(jun)為(wei)樹(shu)木(mu)
，所(suo)以(yi)這(zhe)四(si)種(zhong)介(jie)質(zhi)實(shi)際(ji)上(shang)其(qi)材(cai)料(liao)相(xiang)似(si)，因(yin)此(ci)，血(xue)液(ye)滴(di)在(zai)這(zhe)四(si)種(zhong)介(jie)質(zhi)上(shang)
，其(qi)血(xue)跡(ji)的(de)光(guang)譜(pu)有(you)一(yi)定(ding)的(de)相(xiang)似(si)性(xing)

，然(ran)而(er)，雖(sui)然(ran)介(jie)質(zhi)相(xiang)似(si)
，但(dan)由(you)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)介(jie)質(zhi)上(shang)，其(qi)添(tian)加(jia)了(le)不(bu)同(tong)的(de)成(cheng)分(fen)
，如(ru)書(shu)籍(ji)封(feng)麵(mian)、快遞單等添加了不同的顏料，其血跡光譜及介質光譜都受到了一定程度的影響，如圖2所示。

圖3 相同時間不同介質上血跡的光譜曲線圖

死亡時間(PMI)是指死後經曆時間，或稱死後時間間隔，即發現、檢查屍體時距死亡發生時的時間間隔。PMI推斷是法醫命案現場首先需要解決的最重要問題之一。PMI的(de)準(zhun)確(que)推(tui)斷(duan)對(dui)縮(suo)小(xiao)偵(zhen)察(cha)領(ling)域(yu)
，確(que)定(ding)犯(fan)罪(zui)嫌(xian)疑(yi)人(ren)有(you)無(wu)作(zuo)案(an)時(shi)間(jian)，重(zhong)建(jian)案(an)件(jian)現(xian)場(chang)等(deng)方(fang)而(er)都(dou)有(you)重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。隨(sui)著(zhe)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，許(xu)多(duo)法(fa)醫(yi)學(xue)者(zhe)應(ying)用(yong)多(duo)種(zhong)技(ji)術(shu)手(shou)段(duan)研(yan)究(jiu)屍(shi)體(ti)的(de)各(ge)種(zhong)指(zhi)標(biao)變(bian)化(hua)，提(ti)出(chu)了(le)多(duo)種(zhong)推(tui)斷(duan)PMI的方法。但由於PMI推斷受到很多外界因素幹擾，目前仍無很精確的方法。由於血跡形成時間與案發時間、死亡時間密切相關
，故可通過判斷血跡形成時間來間接地推斷死亡時間。有研究表明通過檢測和分析血液的散射光譜、吸(xi)收(shou)光(guang)譜(pu)和(he)發(fa)射(she)光(guang)譜(pu)
，能(neng)獲(huo)得(de)一(yi)些(xie)反(fan)映(ying)血(xue)液(ye)狀(zhuang)態(tai)和(he)內(nei)部(bu)物(wu)質(zhi)構(gou)成(cheng)情(qing)況(kuang)的(de)信(xin)息(xi)。本(ben)節(jie)采(cai)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)，通(tong)過(guo)探(tan)索(suo)不(bu)同(tong)介(jie)質(zhi)上(shang)的(de)血(xue)跡(ji)隨(sui)時(shi)間(jian)的(de)光(guang)譜(pu)變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)，推(tui)測(ce)其(qi)與(yu)死(si)亡(wang)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)的(de)關(guan)係(xi)。

以白紙、紅布兩種介質上的血跡為研究對象
，分析白紙血跡

、紅布血跡隨時間的變化規律
，如圖4所示。從圖4A中可知，白紙上的血跡隨時間的變化（0 h、1 h、3 h

、20 h
、24 h）
，其在400-600 nm處仍有較為顯著的“兩峰三穀”的現象，但無顯著變化規律；在580-640 nm範圍內，不同時間段的白紙上的血跡均形成陡坡，在600-740 nm範圍內，隨著血跡時間的推移，其光譜反射率下降

，陡坡位置發生了“紅移”；在血液滴在白紙上的0-3 h內，在760 nm處有一峰，但在20-24 h內，該峰值消失。圖4B為紅布上的血液隨時間的推移其光譜曲線的變化規律，從圖中可知
，在400-570 nm範圍內
，紅布血跡並無規律變化，0-24 h內，紅布血跡的光譜反射率變化差異不大，在600-1000 nm範圍內
，隨著時間的推移，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
，在760 nm處也有一峰值。

圖4 相同介質不同時間血跡的光譜反射率變化曲線圖

以白紙血跡、hongbuxuejiweili
，fenxixuejizaigeboduandeguangpufanshelvyuxuejishijiandexiangguanxing
，bingzonghebaizhihehongbudexuejiguangpu
，tantaozonghebutongjiezhixuejideguangpufanshelvyuxuejishijiandeguanxi，rutu5所示。由於白紙血跡隻有（0 h、1 h、3 h
、20 h
、24h）5個數據，紅布血跡隻有（0 h
、1 h、3 h、24h）4個數據，因此分析結果僅供參考。從圖5可知，與血跡時間變化相關性較高的波段主要集中在600 nm以後的波段。

圖5 白紙
、紅布血跡各波段反射率與時間的相關性統計分析

以快遞單上的血跡為例

，快速識別快遞單上的血跡形態

，如圖6所示。根據快遞單血跡的光譜特征與背景光譜特征的差異，構建差值指數，然後運用閾值分割算法獲取血跡的位置的形態特征
，如圖6所示。

圖6 快遞單上血跡的快速提取

本實驗利用成像高光譜技術，對白紙、紅布、木塊、紅色印尼、書籍封麵、快遞單等六種介質上的血跡的進行分析，探討其與不同介質上血跡的光譜差異，並分析白紙、紅布上的血跡光譜反射率與時間推移的關係。研究發現這兩種介質上的血跡隨時間推移，在580-1000 nm，與死亡時間密切關係。這是由於死後呼吸及血液循環停止而導致細胞代謝異常、細胞膜結構異常
、反應酶與蛋白質異常，加上實驗環境中細菌的汙染
、血液滲透壓和血液內 pH值(zhi)變(bian)化(hua)作(zuo)用(yong)於(yu)白(bai)細(xi)胞(bao)及(ji)補(bu)體(ti)成(cheng)份(fen)而(er)導(dao)致(zhi)溶(rong)血(xue)。溶(rong)血(xue)過(guo)程(cheng)使(shi)血(xue)紅(hong)蛋(dan)白(bai)從(cong)細(xi)胞(bao)內(nei)釋(shi)入(ru)血(xue)漿(jiang)，吸(xi)光(guang)度(du)相(xiang)應(ying)的(de)隨(sui)之(zhi)增(zeng)加(jia)，從(cong)而(er)反(fan)射(she)率(lv)降(jiang)低(di)。由(you)於(yu)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)力(li)有(you)限(xian)，本(ben)實(shi)驗(yan)的(de)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)僅(jin)供(gong)短(duan)期(qi)內(nei)的(de)血(xue)跡(ji)陳(chen)舊(jiu)度(du)判(pan)斷(duan)作(zuo)參(can)考(kao)，其(qi)餘(yu)分(fen)析(xi)如(ru)想(xiang)進(jin)一(yi)步(bu)了(le)解(jie)歡(huan)迎(ying)隨(sui)時(shi)與(yu)我(wo)們(men)取(qu)得(de)聯(lian)係(xi)。