高光譜成像技術(shù)在生物物證領域的研究進展1.0-萊森光學

引言

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域得到了良好應用，并逐漸拓展到法庭科學研究領域，如高光譜成像技術(shù)，可有效彌補刑事技術(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)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。當前高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，可應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，近年來衍生出高光譜融合處理技術(shù)、虛擬高光譜成像（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，極大程度地擴展了高光譜技術(shù)的應用。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)，并同時提供實驗對象的化學和物理特征，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化等特征。利用高光譜成像技術(shù)對各種生物物證進行檢驗與鑒定時，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，既能為案件偵破提供必要的導向又能為訴訟活動提供可靠的證據(jù)支撐。

高光譜成像技術(shù)

2.1 基本原理與主要構(gòu)成

高光譜成像興起于20世紀80年代的光電探測技術(shù)。高光譜成像可以在同一時間獲得被測目標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）。高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、成像高光譜儀、相機、圖像采集系統(tǒng)和計算機等組成，其中典型光源包括鹵素燈、發(fā)光二極管、激光器和可調(diào)光源。光源作為光學檢查系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責產(chǎn)生光信號作為信息載體來激發(fā)照亮目標，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，通過相機中的光譜成像儀將光信號映射到檢測器上，由計算機采集、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。

2.2 高光譜圖像數(shù)據(jù)處理

2.2.1 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，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，且需要先進的定位硬件才可確?？芍貜托?。

（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)重復進行，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。

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。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)，在這種設置的基礎上，電抗模式可以檢測更深層的信息，并具有較少的表面效應，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。

2.2.2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。前者包含圖像預處理、圖像分割和特征提取，后者包括導數(shù)法、散射效應校正、數(shù)據(jù)增強算法等。圖像預處理是獲得高質(zhì)量圖像的前提，主要通過直方圖均值化或主成分分析（PCA）法消除壞點、背景信息及邊緣效應，或基于小波變換（WT）降低圖像噪聲與邊緣模糊效應。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。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。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)進行預處理，其目的是除去無用信息和噪聲的影響，進一步優(yōu)化光譜信息，提高模型的穩(wěn)健性。

2.2.3特征波長提取與模型構(gòu)建

在高光譜成像中，Hughes現(xiàn)象會導致模型構(gòu)建性能差、效率低，對于特征波長的提取及無關信息的去除可提高模型的穩(wěn)健性和準確性，對模型穩(wěn)健性和準確性的評估常依賴于高光譜成像數(shù)據(jù)模型驗證。高光譜數(shù)據(jù)具有多波段、大數(shù)據(jù)、強冗余性的特點，基于數(shù)據(jù)冗余性需要運用統(tǒng)計學方法進行定性與定量分析，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。

高光譜成像技術(shù)在生物物證檢驗中的應用研究

3.1 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，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)場并與相應衣物、被罩、作案工具等進行比對常不難發(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，彌補以往血跡的化學組分與空間結(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)上潛在血跡的精準定位和檢材的及時發(fā)現(xiàn)、提取及DNA擴增后續(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。研究人員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行不同介質(zhì)上血跡的成功識別與鑒定，其靈敏度高達95%。對于血痕的種屬鑒別，基于譜成像儀搭載光譜影像分析軟件，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、化學及生物分析；新式高光譜顯微鏡具有亞微米的空間分辨率和約10nm的光譜分辨率，可實現(xiàn)對干燥血滴濃度及透光強度變化的顯示等。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、化學試劑法，具有“圖譜合一”的顯著特點；

（2）能進行潛在血跡顯現(xiàn)、血跡組分分析、血跡分類識別及血跡陳舊度檢測；

（3）可實現(xiàn)不同復雜背景下的血指紋圖像分割提??；

（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。

不同樣本平均光譜曲線圖

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)預處理階段數(shù)據(jù)降維及模型構(gòu)建的復雜性；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，納入實踐應用較少。目前高光譜技術(shù)與反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡模型和支持向量機（SVM）模型的結(jié)合為血跡的分類識別提供了新的方向，相關研究表明，其準確率可達99.82%。對于復雜背景下的血指紋痕跡物證，采用常規(guī)方法進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（ENVI）、管理信息系統(tǒng)等開發(fā)新軟件，選擇理想波段下對應的灰度圖像加以人工分析，可視為實現(xiàn)復雜背景下血指紋準確分割的新途徑。

分類后效果圖（紅色區(qū)域為人體血液，綠色區(qū)域為醬油，藍色區(qū)域為油漆）

3.2 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。可將混合斑分為兩大類：一類是由不同個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行后續(xù)相關檢驗。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方法和免疫學方法，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)（LCM）、顯微操作法、微流控芯片技術(shù)、免疫磁珠法等。這些分離與提取方法時間較長，設備要求高，對操作人員要求嚴格且相關試劑盒的成本高昂，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，若能實現(xiàn)相關知識儲備和技術(shù)的融合發(fā)展，必將解決公安實踐中類似輪奸案件現(xiàn)場物證檢驗的關鍵性難題。當前高光譜成像技術(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)果是當前技術(shù)結(jié)合的難點。總體而言，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)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。一些新興技術(shù)，如微流控芯片技術(shù)、自動化芯片技術(shù)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。

總結(jié)

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，預測生物樣品屬性的映射分布，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，根據(jù)不同狀態(tài)下生物物證提取方法的差異，運用高光譜成像技術(shù)對生物物證進行光譜數(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)能更好地從細胞層面和分子層面對檢材進行定位捕獲和定性、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。

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審核編輯黃宇