基于高光谱成像的法医痕迹非接触分析-电子发烧友网

近年来，高光谱成像（HIS）组件的技术进步为其在法医学应用中提供了广阔的前景。当HSI被引入法医学案件调查时，它能够帮助调查人员无损地检测、可视化和识别重要的痕迹。

高光谱成像（HSI）集成了传统的成像和光谱学，帮助使用者能够从标本中获得空间和光谱信息。这种技术使研究人员能够分析痕迹的化学成分，并同时可视化它们的空间分布，可用于估算痕迹存在的时间，为调查人员提供有价值的信息，有助于重建事件的时间线。HSI的快速、无损和非接触性特征标志着其作为法医科学分析工具的适用性。

01高光谱成像

高光谱成像最初是为遥感应用开发的，但后来在食品科学、制药和医学诊断等领域也得到了应用。与光谱学一样，HSI可以应用于电磁波谱的不同部分，如紫外线（UV）、可见光（Vis）、近红外（NIR）、中红外（IR）甚至热红外范围。在这些区域，反射、透射、光致发光、荧光或拉曼散射可以通过具有类似于微型光谱仪的光谱分辨率的高光谱相机进行记录。

图1光与样品的相互作用可能导致(a)镜面反射，(b)弹性散射然后是漫反射，(c)非弹性散射然后是拉曼位移光的发射（虚线），(d)吸收，(e)吸收然后是光致发光发射（虚线）

光与标本之间的相互作用由标本的光学特性和入射光决定。由于高光谱成像测量了这种相互作用，它可用于表征材料。在实际操作中，这涉及对待研究物体的照明。通常，光的第一次相互作用会发生在标本表面，其中一部分光会被反射（图1a）。这部分光包含的关于介质内部的信息很少，主要由介质之间的折射率差异决定。进入材料后，光可以被散射或吸收。散射是光与标本中的结构相互作用并导致传播方向改变的过程，具体取决于波长、粒子的大小和折射率差异（图1b）。大多数光以与入射光相同的波长散射，这个过程被称为弹性散射。也有一小部分光会发生非弹性散射（拉曼散射），这会导致与标本中分子振动态相对应的波长变化（图1c）。通过测量拉曼散射，可以对散射标本进行化学分析。化合物的吸收特性依赖于波长。在可见光波长范围内的吸收与分子的电子状态相关，而在近红外（NIR）和红外（IR）波段的吸收则由分子的振动模式决定。

图4 示意图显示HSI系统的组成部分

典型的高光谱成像系统由以下组件组成：物镜、波长调制器、探测器、照明系统和数据采集系统（见图4）。

所有这些组件都可以根据具体应用进行调整。法医学的分析环境可能从实验室到现场环境不等，分析的区域可能从微观到宏观尺度不等。线扫描方式在大规模的法医学应用中具有潜力，探测器可以在大型静态区域（如墙壁、地板或整个犯罪现场）上移动，而不需要使用移动平台或传送带来移动标本（见图5）。

图5 模拟犯罪现场的高光谱成像系统

02高光谱成像法医学应用

虽然高光谱成像主要用于指纹分析，但其他几种法医痕迹的研究也有报道，包括药物、头发、牙釉质、瘀伤、血迹、避孕套、墨水、磁带、火器推进剂、油漆和纤维。这些应用总结在表1中，并进行了更详细的描述。

表1 不同检测目标的测量方式、波长范围、波数范围和参考值

2.1指纹

潜在的指纹是由手指上的汗腺分泌物和来自接触其他身体部位（如面部）的皮脂物质混合形成的复杂物质。汗腺分泌物主要由氨基酸、无机化合物和蛋白质组成，而皮脂物质主要由脂肪酸酯构成。这些残留物的化学成分因个体而异，随着年龄增长，皮脂物质的含量也会增加。指纹检测技术的目的是在指纹的脊线细节与其所处的背景之间产生对比。与可见光高光谱成像不同，近红外（NIR）和红外（IR）高光谱成像能够提供关于分子振动模式的额外信息，从而揭示所研究材料的化学成分。红外高光谱成像技术有检测各种多孔背景（复印纸、香烟纸、美元钞票、明信片）和非多孔背景（垃圾袋、汽水罐、胶带）上未经处理的潜在指纹的能力。例如，在汽水罐和黑色垃圾袋上，通过查看波长为9842 nm的强度图像时，指纹清晰可见（见图7）。

图7 带有指印的易拉罐

2.2其他痕迹

除了指纹的分析外，高光谱成像（HSI）还可以用于分析许多其他在法医学中具有重要意义的痕迹。通过利用光谱差异，可以检测和可视化潜在的痕迹，以获得最佳的痕迹与背景对比度。个别光谱可以提供标本的化学成分信息，这对于识别、定量分析或时间估算非常有用。在纤维、油漆碎片或墨水等对比研究中，高光谱成像同时提供光谱和空间信息，是确定两者是否有共同来源的有利工具。

图9 模拟犯罪现场，其中新鲜和较老的血迹被自动检测出来，并根据反射光谱自动检测和区分（左）（右）。

通过血液污渍的反射光谱进行光谱解混，可以得出血液污渍中氧合血红蛋白、正铁血红蛋白和高铁血红蛋白的相对含量。通过将高光谱成像数据中的光谱与血红蛋白衍生物的理论光谱进行非线性最小二乘拟合，可以在模拟犯罪现场中识别出血迹，并能够将其与类似颜色的物质区分开来。此外，血红蛋白衍生物的量的时间行为提供了有关化学变化的信息，可以用于估算血液污渍的年龄。图9显示了一个模拟的犯罪现场，通过这种方法区分了新鲜和陈旧的血液污渍。

03结论

近年来，高光谱成像（HSI）组件的技术进步为其在法医学应用中提供了广阔的前景。快速采集、便携式、高分辨率的系统逐渐兴起，促进了HSI从实验室向现场的应用转变。近期已成功探索了若干高光谱成像在法医学中的应用。当HSI被引入法医学案件调查时，它能够帮助调查人员无损地检测、可视化和识别重要的痕迹。