高光谱成像技术在生物物证领域的研究进展1.0-莱森光学

引言

随着现代光谱技术的发展，一些新型分析手段在生物领域得到了良好应用，并逐渐拓展到法庭科学研究领域，如高光谱成像技术，可有效弥补刑事技术手段对于生物物证及时发现、提取、检验与鉴定的不足。生物物证是指能够以其生物成分和特性来证明案件事实的生物物质，包括常见的血液（斑）、精液（斑）、阴道分泌液（斑）、唾液（斑）、毛发、指甲、骨骼及内部器官组织碎块等。高光谱成像技术是基于窄波段的影像数据技术，融合成像技术与光谱技术，探测目标的二维几何空间及一维光谱数据，同时获得采集物品的图像数据信息以及图像中每个像素点的光谱信息，即高光谱数据三维立方体。当前高光谱成像技术发展迅速，可应用于多种物证检验与鉴定。

在不同种生物物证的检验与鉴定中，近年来衍生出高光谱融合处理技术、虚拟高光谱成像（VHI）、高光谱明视场成像系统等多种高光谱成像分析技术和方法，极大程度地扩展了高光谱技术的应用。作为新一代光电检测技术，高光谱成像是一项安全、环保、前沿的光学技术，具有传统成像与光谱技术的双重优点，能同时捕获被检测物质的空间信息和光谱信息，即被测物质的外部品质和内部品质，并同时提供实验对象的化学和物理特征，具有良好的空间分辨以及成像系统多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法精准化等特征。利用高光谱成像技术对各种生物物证进行检验与鉴定时，可及时发现生物物证的存在位置并能实现无损检测，既能为案件侦破提供必要的导向又能为诉讼活动提供可靠的证据支撑。

高光谱成像技术

2.1 基本原理与主要构成

高光谱成像兴起于20世纪80年代的光电探测技术。高光谱成像可以在同一时间获得被测目标的图像信息和光谱信息。高光谱成像技术通过获取相邻窄光谱波段的一系列图像和重建图像的每个像素的反射光谱，可在一定的波长范围内，按照光谱分辨率将二维的平面图像连续组成一个三维数据，其包含光谱信息（λ波长）和二维空间信息（x行和y列）。高光谱成像系统主要由光源、成像高光谱仪、相机、图像采集系统和计算机等组成，其中典型光源包括卤素灯、发光二极管、激光器和可调光源。光源作为光学检查系统的重要组成部分，主要负责产生光信号作为信息载体来激发照亮目标，其产生的光信号被检测物体吸收或散射后成为信息的载体，通过相机中的光谱成像仪将光信号映射到检测器上，由计算机采集、处理、分析及存储高光谱图像数据。高光谱成像系统的分辨率高，其波长范围包括紫外光、可见光、近红外光及更大波长的区域。

2.2 高光谱图像数据处理

2.2.1 光谱图像数据采集

依据高光谱图像采集方式的异同，扫描可分为：

（1）点扫描，也被称为搅拌扫帚法。单次扫描只能获取一个像素点的光谱，适用于检测微观对象，不适用于快速检测，且需要先进的定位硬件才可确保可重复性。

（2）线扫描，每次扫描可以获得扫描线上的光谱，适用于传输带上物体的实时检测，是检测中最常用的图像采集方法。

（3）区域扫描，也称为波段顺序方法或波长扫描。这种方法保持了视图的固定，扫描会在整个波段范围内重复进行，可产生一组单波段的图像，具有完整的二维单色图像信息。区域扫描的一个缺点是，不适用于移动样品或实时交付的检验。

（4）单镜头法，使用一个带有一次曝光率的大面积探测器来捕获图像，可以同时记录空间信息和光谱信息，然而，其仍处于发展的早期阶段且其空间维度分辨率有限。

通常高光谱成像有3种常见的传感模式，即反射模式、透射模式和电抗模式。在反射模式下，探测器捕捉反射光从发光的样本中获得一个特殊的构象，通过使用反射模型检测其外部质量特征。在透射模式下，探测器位于光源的对面，并捕获透过样本的传输光线，携带有价值的内部信息，通常可用于确定固体样本的内部成分和液体物质的内部浓度。在电抗模式下，光源和探测器都被定位在样品的同一侧，在这种设置的基础上，电抗模式可以检测更深层的信息，并具有较少的表面效应，此外，电抗模式减少了信息通量厚度，具有传输的实际优势。

2.2.2数据处理与分析

高光谱成像数据处理分为图像数据处理和光谱数据处理。前者包含图像预处理、图像分割和特征提取，后者包括导数法、散射效应校正、数据增强算法等。图像预处理是获得高质量图像的前提，主要通过直方图均值化或主成分分析（PCA）法消除坏点、背景信息及边缘效应，或基于小波变换（WT）降低图像噪声与边缘模糊效应。图像分割的目的是为感兴趣区域的提取、定性、定量分析提供基础。图像特征提取包括纹理特征提取、颜色特征提取和形态特征提取。对于高光谱成像，通常需要在建模之前对原始光谱数据进行预处理，其目的是除去无用信息和噪声的影响，进一步优化光谱信息，提高模型的稳健性。

2.2.3特征波长提取与模型构建

在高光谱成像中，Hughes现象会导致模型构建性能差、效率低，对于特征波长的提取及无关信息的去除可提高模型的稳健性和准确性，对模型稳健性和准确性的评估常依赖于高光谱成像数据模型验证。高光谱数据具有多波段、大数据、强冗余性的特点，基于数据冗余性需要运用统计学方法进行定性与定量分析，定性分析主要包括监督分类与非监督分类、参数分类与非参数分类等，定量分析主要采用多元变量回归。

高光谱成像技术在生物物证检验中的应用研究

3.1 血液(斑)检验

血液是伤害性案件现场中最常见的生物检材，由血浆和血细胞共同组成。在案发现场，血液常呈喷溅状、跌落状、擦拭状等血迹或血泊。随着案发时间的推移，血液会经历凝固期、凝胶期、胶-固混合期、固体期、完全干燥期的变化，而后形成血斑黏附在地面或附着于其他载体上。对于清洗过的血迹通过分析现场并与相应衣物、被罩、作案工具等进行比对常不难发现可能的出血或积血部位。由于血液极易受环境污染且短时间内就会发生腐败降解，所以需要及时有效地对其进行发现、提取和检测。高光谱成像技术的无损、非接触特点，可实现对血液的分析、检测、记录并获得血迹的光谱数据和图像信息，弥补以往血迹的化学组分与空间结构信息欠缺的问题。

依据各波段下血迹形态特征的差异，高光谱成像技术可对案发现场潜在血迹进行特征提取、连续成像和图像融合处理，再现“图谱合一”的特点。高光谱融合处理技术对于案发现场不同介质上潜在血迹的精准定位和检材的及时发现、提取及DNA扩增后续处理十分重要，在一定时空上可减少血迹成分的污染与降解。研究人员利用高光谱成像技术记录了血迹的吸收谱线和高光谱图像，通过不同波段下的吸收谱线进行不同介质上血迹的成功识别与鉴定，其灵敏度高达95%。对于血痕的种属鉴别，基于谱成像仪搭载光谱影像分析软件，可实现不同载体上人血、动物血及混合血的显现。利用血液中各成分物理和化学性质的差异在特定波长光源下的反射率与吸光度不同这一特性，VHI可实现血液中各组分的物理、化学及生物分析；新式高光谱显微镜具有亚微米的空间分辨率和约10nm的光谱分辨率，可实现对干燥血滴浓度及透光强度变化的显示等。高光谱成像技术在血迹检验中优势显著：

（1）相比于传统光谱分析法、化学试剂法，具有“图谱合一”的显著特点；

（2）能进行潜在血迹显现、血迹组分分析、血迹分类识别及血迹陈旧度检测；

（3）可实现不同复杂背景下的血指纹图像分割提取；

（4）可实现血迹的无损检测。目前依据不同个体、不同介质、不同环境的影响，研发出智能化、高精度、便携式、多功能高光谱仪是血迹检验的重点。

不同样本平均光谱曲线图

尽管在血迹的识别与检测中，高光谱成像具有显著的优势，但其在应用过程中也存在着诸多技术难点。高检测灵敏度、高分类识别速度及对形成时间的高预测精度，使得高光谱数据冗积量极大，增加了数据预处理阶段数据降维及模型构建的复杂性；对于数据分析过程，由于血迹所附着介质、颜色背景的不同及检材的污染使得光谱混合较为复杂，高光谱图像出现多种物质干扰，常表现为混合谱；对于血液的多种识别与检测技术，目前都还处于实验室的初步探索阶段，纳入实践应用较少。目前高光谱技术与反向传播（BP）神经网络模型和支持向量机（SVM）模型的结合为血迹的分类识别提供了新的方向，相关研究表明，其准确率可达99.82%。对于复杂背景下的血指纹痕迹物证，采用常规方法进行背景消除的可控性受限，依据血指纹的吸收与反射差异，采用光谱仪、遥感图像处理平台（ENVI）、管理信息系统等开发新软件，选择理想波段下对应的灰度图像加以人工分析，可视为实现复杂背景下血指纹准确分割的新途径。

分类后效果图（红色区域为人体血液，绿色区域为酱油，蓝色区域为油漆）

3.2 精液(斑)检验

精液由精子和精浆组成。性侵案件中常提取到的是精液和阴道分泌液所组成的精-阴混合斑，广义的混合斑是指两种或两种以上个体的体液混合干燥后形成的斑痕。可将混合斑分为两大类：一类是由不同个体的不同体液或组织混合而成，其中最常见的为性犯罪案件中男性精液与女性受害者阴道分泌液组成的混合斑，以及头发、皮肤、唾液、指甲或口腔脱落细胞等的混合；另一类是由不同个体的同一种体液或组织混合而成。在性侵犯案件中，精-阴混合斑的附着载体常为内裤、被褥、床单、卫生纸、避孕套等。随着时间的推移，新鲜精液会逐渐形成干燥斑痕，在浅色背景上呈淡黄色、深色背景上呈乳白色。精液、阴道分泌液之间的混合物按来源个体不同其组成有所不同，特别是在轮奸案或受害人有多个性伙伴的性侵案件中，通常提取物为多个体精-阴混合斑，采用常规分离提取方法费时费力，且易损失检材，尤其对于微量、超微量精-阴混合斑检材常无法进行后续相关检验。在精-阴混合斑的检验中，高光谱成像技术提供了一种新的快速无损检验方法。

目前精-阴混合斑分离、提取主要依赖于非免疫学方法和免疫学方法，如改良差异裂解法、改良硅珠法、双差异裂解法、激光捕获显微切割技术（LCM）、显微操作法、微流控芯片技术、免疫磁珠法等。这些分离与提取方法时间较长，设备要求高，对操作人员要求严格且相关试剂盒的成本高昂，同时对于案发现场的精-阴混合斑往往无法实现及时检测，而且相对隐蔽性的检材更不能及时被发现。相对而言，高光谱成像技术在等额成本下具有更大的价值回馈，对操作人员没有严格的要求和限制，所用仪器更便捷，检测与分析耗时更短。激光捕获显微切割技术对来源于单一个体的精-阴混合斑和多个体的精-阴混合斑检验鉴定的灵敏度高、特异性好且受腐败影响小，尤其适用于多个体精-阴混合斑检验。

不足之处在于，目前还没有构建激光捕获显微切割技术与高光谱成像技术相结合的理论基础，若能实现相关知识储备和技术的融合发展，必将解决公安实践中类似轮奸案件现场物证检验的关键性难题。当前高光谱成像技术对精-阴混合斑检测还处于实验室探索阶段，针对轮奸案或受害人有多个性伙伴的性侵案件中的多个体精-阴混合斑检验鉴定，高光谱成像技术还处于空白阶段，有待深入研究和探索。如何能够及时、准确发现并无损检测案件现场出现的精-阴混合斑，在不损失检材的同时获得光谱数据、图像信息和DNA检测结果是当前技术结合的难点。总体而言，高光谱成像技术检验精斑的优势体现在：

（1）高光谱图像再现可初步实现精斑的种属鉴别，利于后续相关检验；

（2）微控、自动化、便携式可减少实验室的操作流程；

（3）快速、灵活、绿色环保。

高光谱明视场成像系统可从低剂量、有噪声的数据中集中获取高质量的能量色散断层图，实现固定生物样品中的瘢痕分布绘制，可为精液（斑）发现、识别与检测提供新的研究理论指导。一些新兴技术，如微流控芯片技术、自动化芯片技术等若能与高光谱技术融合必将使混合斑的检验实现质的突破。

总结

高光谱成像是一种可以快速、高效、可靠测量不同生物样品物质属性及其空间分布的前沿性技术。通过将空间信息和光谱数据相结合，高光谱成像技术可以同时查询许多光谱连续频带中的空间图像，以形成三维高光谱立方体，预测生物样品属性的映射分布，生成更好的特性描述。目前，对于新形势下犯罪手段的更新与反侦查能力的增强，根据不同状态下生物物证提取方法的差异，运用高光谱成像技术对生物物证进行光谱数据的挖掘和图像的分析与重建，有利于遗留现场微量或超微量物证信息的及时发现与捕获。

在血液检验方面，高光谱技术能更好地从细胞层面和分子层面对检材进行定位捕获和定性、定量分析，实现血液理化性质与3D立体构建结合，再现血液检验“图谱合一”的特点。

精液混合斑的提取分离方法较多，但无法在短时间内得到DNA图谱，且与高光谱技术的融合较困难。微流控芯片技术的发展将可能实现精液混合斑的提取分离与高光谱成像技术的结合，同时再现精液混合斑的光谱数据、立体图像和DNA检测图谱。

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审核编辑 黄宇