一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置的研發(fā)

鄭吉龍，溫洪洋，章彪，鞏京慧，騰月，李忠洋，5

（1.中國(guó)刑事警察學(xué)院法醫(yī)學(xué)系，遼寧 沈陽(yáng) 110035；2.中國(guó)刑事警察學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心，遼寧 沈陽(yáng)110035；3.上海市公安局刑偵總隊(duì)刑事技術(shù)中心法醫(yī)室，上海 200000；4.貴州警察學(xué)院刑事技術(shù)系，貴州 貴陽(yáng) 550005；5.饒河縣公安局，黑龍江 雙鴨山 155700）

血痕是暴力犯罪現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的生物物證之一[1]，作為犯罪現(xiàn)場(chǎng)的一種客觀存在，包含了極豐富的犯罪信息，是判斷案件性質(zhì)、分析作案過(guò)程、確定偵查方向和證實(shí)犯罪的重要證據(jù)。目前對(duì)血痕在以下兩方面研究較多：一是通過(guò)分析血痕的形態(tài)進(jìn)行案件重建[2]，二是提取血痕中的DNA進(jìn)行個(gè)體識(shí)別[3]。近年來(lái)，血痕遺留時(shí)間推斷逐漸成為國(guó)內(nèi)外法醫(yī)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。在分子層面，有應(yīng)用RNA分析[4]、電子順磁共振[5]、單細(xì)胞凝膠電泳[6]等方法推斷血痕遺留時(shí)間的研究報(bào)道，但檢測(cè)條件嚴(yán)格，對(duì)檢驗(yàn)者專業(yè)要求高，且對(duì)血痕形態(tài)多有破壞，不適合現(xiàn)場(chǎng)微量血痕的快速時(shí)間推斷。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者利用高效液相色譜法[7]、近紅外光譜[8]、紫外可見(jiàn)光譜[9]、反射譜[10]和高光譜圖像[11]、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）和衰減全反射（attenuated total reflection，ATR）[12]等技術(shù)推斷血痕遺留時(shí)間，檢測(cè)方法簡(jiǎn)便，檢測(cè)條件要求不高，但儀器設(shè)備價(jià)格較高，故推廣性不強(qiáng)。本研究團(tuán)隊(duì)在前期利用紅外熱成像技術(shù)[13]和血痕顏色變化[14]推斷血痕遺留時(shí)間的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種在不破壞血痕形態(tài)的前提下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)血痕遺留時(shí)間進(jìn)行智能推斷的一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置。

1 材料與方法

1.1 血痕樣本

血痕樣本來(lái)源于20名健康志愿者新鮮的肘靜脈血（志愿者均簽署知情同意書(shū)），志愿者中男女性比例為1∶1，平均年齡為26歲，無(wú)吸煙史，飲食正常。取血時(shí)女性均處于非月經(jīng)期。

抽取靜脈血后，在室溫條件下（溫度為25～30℃，濕度為30%～60%）立即用移液器吸取100 μL血液，于1.0 cm高處垂直滴到實(shí)木地板（柞木地板，購(gòu)自圣象集團(tuán)有限公司）上，形成直徑約為2cm的規(guī)則圓形血痕。

建立血痕遺留時(shí)間推斷方程的實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)（即刻至12 h每隔0.5 h，12～72 h每隔1 h，72～894 h每隔6 h，共計(jì)222個(gè)時(shí)間點(diǎn)）制作10個(gè)血痕樣本，共計(jì)2220個(gè)樣本?？尚行则?yàn)證實(shí)驗(yàn)中，另制作血痕樣本90個(gè)，隨機(jī)分為3組，每組30個(gè)，分別保存于自然光照密閉（A組）、黑暗密閉（B組）、自然光照通風(fēng)（C組）環(huán)境中。

1.2 主要儀器

移動(dòng)終端（P8，GRA-UL10，1300萬(wàn)像素，分辨率為1920×1080，華為公司）。

1.3 方法

1.3.1 研發(fā)一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置

眾所周知，任何圖像都是由顏色構(gòu)成的，RGB和CMY是兩種不同的色彩模式，在不同方面反映了圖像的顏色構(gòu)成。實(shí)踐中，血液一旦離開(kāi)人體，血液中的含氧血紅蛋白發(fā)生自氧化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，血痕的顏色由鮮紅色逐漸變成深紅色直至黑褐色。

基于以上原理，本研究利用移動(dòng)終端采集不同遺留時(shí)間血痕圖像，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)血痕6項(xiàng)顏色參數(shù)［R（x1）、G（x2）、B（x3）、C（x4）、Y（x5）、M（x6）］隨時(shí)間（y）的變化，建立血痕遺留時(shí)間推斷的回歸方程，開(kāi)發(fā)血痕遺留時(shí)間智能推斷專家決策輔助系統(tǒng)軟件，研發(fā)出一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置。

1.3.2 血痕遺留時(shí)間推斷方程的建立

使用移動(dòng)終端，于不同血痕遺留時(shí)間對(duì)室溫環(huán)境中血痕樣本進(jìn)行圖像采集，應(yīng)用SPSS 22.0軟件對(duì)血痕6項(xiàng)顏色參數(shù)（R、G、B、C、Y、M）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理與分析，得到其與遺留時(shí)間的回歸方程，進(jìn)一步通過(guò)聚類和判別分析，建立多參數(shù)血痕遺留時(shí)間綜合推斷方程。

1.3.3 可行性驗(yàn)證

于不同遺留時(shí)間對(duì)血痕樣本進(jìn)行檢測(cè)。為了體現(xiàn)盲測(cè)實(shí)驗(yàn)中樣本抽取的隨機(jī)性，對(duì)各組樣本編號(hào)記錄后，每組隨機(jī)抽取20個(gè)樣本。采用一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置進(jìn)行圖像采集及智能分析，并與實(shí)際遺留時(shí)間進(jìn)行比較。如實(shí)際遺留時(shí)間在裝置測(cè)得的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為檢測(cè)準(zhǔn)確，反之則認(rèn)為不準(zhǔn)確。將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算裝置盲測(cè)檢驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

2 結(jié) 果

2.1 一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置的成功研發(fā)

一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。該裝置包括箱體、照明燈、移動(dòng)終端固定柱、移動(dòng)終端和血痕放置器。其特征在于：箱體內(nèi)裝有泡沫形成泡沫箱（大小為27.5 cm×17.0 cm×17.0cm）；內(nèi)置冷光源環(huán)形LED燈（功率為12W，色溫為6 500 K），固定在箱體的上方；移動(dòng)終端用固定柱固定在箱體內(nèi)環(huán)形LED燈的中心；泡沫箱頂部設(shè)有小孔（孔徑為1.1cm），大小剛好適合移動(dòng)終端的攝像頭（1200萬(wàn)像素）透過(guò)小孔進(jìn)行拍攝。拍攝時(shí)血痕置于箱體底部的中心，恰好滿足垂直拍攝。泡沫箱頂部的成像孔徑與泡沫箱深度的比例是1∶15～1∶20。

圖1 一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置示意圖

根據(jù)圖像色彩分析的原理，結(jié)合圖像處理識(shí)別技術(shù)，使用Android語(yǔ)言成功研制出移動(dòng)終端分析系統(tǒng)軟件。軟件自動(dòng)接收移動(dòng)終端拍攝的血痕圖像數(shù)據(jù)后，基于數(shù)字圖像分析技術(shù)，利用編程對(duì)接收的圖像進(jìn)行程序化處理，對(duì)血痕有效區(qū)域隨機(jī)抽取多個(gè)像素點(diǎn)分別提取相關(guān)血痕顏色參數(shù)（R、G、B、C、Y、M），提取5次后，將數(shù)字圖像中的關(guān)鍵參數(shù)信息按照程序預(yù)設(shè)的多參數(shù)血痕遺留時(shí)間綜合推斷方程進(jìn)行擬合和分析，并以小時(shí)為單位進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換后，綜合計(jì)算5次結(jié)果平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，用floor（argu×10.0+0.5）/10.0精確至小數(shù)點(diǎn)后一位并取整得出血痕遺留時(shí)間，以±s的形式在終端設(shè)備中顯示。

2.2 血痕遺留時(shí)間推斷方程

建立的血痕6項(xiàng)顏色參數(shù)（R、G、B、C、Y、M）與遺留時(shí)間的回歸方程及多參數(shù)血痕遺留時(shí)間綜合推斷方程見(jiàn)表1。

表1 血痕6項(xiàng)顏色參數(shù)與遺留時(shí)間的回歸方程及多參數(shù)綜合推斷方程

2.3 可行性驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)3種環(huán)境下血痕遺留時(shí)間的盲測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。A組和B組中，除了A26與B29血痕樣本實(shí)際遺留時(shí)間在裝置測(cè)得的時(shí)間區(qū)間外，其他各樣本實(shí)際遺留時(shí)間均落在測(cè)量時(shí)間所在的區(qū)間內(nèi)，總體檢測(cè)準(zhǔn)確度均為95%。C組中，C01、C04、C05、C07血痕樣本檢測(cè)時(shí)間區(qū)間超過(guò)實(shí)際時(shí)間，總體檢測(cè)準(zhǔn)確度為80%。

表2 3種環(huán)境下血痕遺留時(shí)間的可行性驗(yàn)證結(jié)果 （n=5，±s，h）

表2 3種環(huán)境下血痕遺留時(shí)間的可行性驗(yàn)證結(jié)果 （n=5，±s，h）

注：編號(hào)中A、B、C分別代表自然光照密閉環(huán)境、黑暗密閉環(huán)境、自然光照通風(fēng)環(huán)境

編號(hào)A01 A02 A03 A05 A07 A08 A09 A11 A12 A14 A15 A16 A17 A19 A21 A23 A24 A26 A28 A30測(cè)量時(shí)間5.0±0.5 11.5±1.0 18.5±1.5 46.0±2.5 63.5±3.0 74.0±3.5 121.0±6.0 148.5±8.5 188.5±10.0 230.5±11.5 270.5±12.5 293.5±22.0 352.5±24.0 432.5±41.0 494.0±47.5 584.5±50.5 621.5±53.0 592.0±60.5 754.0±75.5 709.5±85.5實(shí)際時(shí)間5 12 19 48 65 72 125 150 183 236 278 302 344 401 467 552 592 657 706 781編號(hào)B02 B03 B05 B06 B08 B09 B11 B13 B15 B16 B17 B18 B20 B21 B22 B23 B25 B27 B28 B29測(cè)量時(shí)間9.5±1.0 17.5±1.5 30.0±2.0 49.5±2.5 70.5±3.5 99.0±4.5 165.5±9.0 239.5±12.0 342.0±24.0 362.0±30.5 452.5±45.5 423.5±47.0 555.5±48.0 614.5±52.5 561.0±53.5 573.5±56.5 624.0±60.0 771.5±76.5 771.5±80.0 887.0±88.0實(shí)際時(shí)間10 18 32 48 72 95 172 246 328 384 427 463 532 583 595 609 656 714 747 785編號(hào)C01 C04 C05 C07 C09 C10 C11 C12 C14 C15 C17 C19 C20 C21 C23 C24 C25 C26 C28 C30測(cè)量時(shí)間7.5±1.0 24.0±1.5 32.0±2.0 91.0±4.0 111.0±5.0 129.5±6.0 174.0±8.5 206.0±10.5 284.5±12.5 331.5±23.5 369.5±31.0 447.0±46.5 438.0±47.0 529.0±50.5 599.5±52.0 617.0±58.5 634.5±67.0 739.0±70.5 702.5±85.0 782.5±96.0實(shí)際時(shí)間6 21 27 85 108 125 167 203 275 321 389 428 466 492 574 637 667 692 755 821

3 討 論

以往對(duì)現(xiàn)場(chǎng)血痕的圖像采集主要采用數(shù)碼相機(jī)照相的方法。雖然該方法方便快捷，但是采集圖像時(shí)的環(huán)境、拍攝高度、拍攝角度未加以固定，難以形成標(biāo)準(zhǔn)化的血痕圖像。為保證采集圖像的穩(wěn)定性、清晰度和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本裝置中固定尺寸的箱體遮蔽了環(huán)境光線對(duì)于血痕成像的干擾，配合環(huán)形LED光源的照明使用，使得成像條件較傳統(tǒng)方法[15]大為改善，圖像質(zhì)量、信噪比獲得有效提升。裝置使用的照明元件是環(huán)形LED燈，提供環(huán)形照明光束，可保證覆蓋血痕及整個(gè)箱底。如果只使用線性照明燈組，則會(huì)在血痕的背光側(cè)形成陰影，影響參數(shù)的提取。此外，裝置頂部的成像孔徑為1.1cm，暗箱深度為17cm，孔徑與暗箱深度比約為1∶15，可有效消除照明投影、圖像采集范圍不完整等相關(guān)問(wèn)題。在血痕圖像采集方面，裝置的設(shè)計(jì)滿足在固定暗室環(huán)境中以固定光源、固定角度攝取血痕圖像。本研究結(jié)果表明，該一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)微量血痕進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)攝取數(shù)字圖像。

目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)血痕遺留時(shí)間的分析鑒定主要是檢案人員根據(jù)血痕形態(tài)、顏色進(jìn)行分析推斷，是一種經(jīng)驗(yàn)性的運(yùn)用模式，對(duì)血痕遺留時(shí)間及影響因素缺乏足夠的量化依據(jù)?；谘垲伾S血痕遺留時(shí)間延長(zhǎng)而變化的特征，本研究設(shè)計(jì)了與圖像采集裝置配套使用的移動(dòng)終端分析系統(tǒng)，通過(guò)“基于移動(dòng)終端的血痕經(jīng)過(guò)時(shí)間智能推斷專家決策輔助系統(tǒng)”軟件，自動(dòng)分析血痕數(shù)字圖像6項(xiàng)顏色參數(shù)（R、G、B、C、Y、M）并進(jìn)行時(shí)間推斷。

本研究使用的血痕載體為實(shí)木地板，因家庭室內(nèi)地板、家具多為實(shí)木，且室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)常在木質(zhì)家具或者地板上遺留血跡。

盲測(cè)結(jié)果顯示，自然光照密閉環(huán)境和黑暗密閉環(huán)境下血痕遺留時(shí)間推斷準(zhǔn)確度均達(dá)到95%。一方面，利用一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置采集血痕圖像時(shí)，固定了光源以及攝取圖像的高度與角度，使采集圖像進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化；另一方面，該設(shè)備可以智能地對(duì)圖像進(jìn)行處理、參數(shù)值提取與定量分析，避免主觀因素對(duì)推斷結(jié)果的影響，使結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。此外，在溫度、濕度、密閉環(huán)境相同的情況下，自然光的有無(wú)對(duì)推斷的結(jié)果影響不大。但盲測(cè)結(jié)果也顯示，自然光照通風(fēng)環(huán)境下檢測(cè)的準(zhǔn)確度僅為80%，在血痕遺留時(shí)間的早期推斷中準(zhǔn)確度較低，分析這與通風(fēng)的環(huán)境有關(guān)，在其他環(huán)境因素相同的情況下，血痕上方的空氣流動(dòng)速度越快，血痕凝固時(shí)間越短，從而造成早期測(cè)量時(shí)間大于實(shí)際時(shí)間。環(huán)境的差異是影響血痕遺留時(shí)間推斷準(zhǔn)確與否的主要因素。因此，該裝置在時(shí)間推斷精確性方面還有提升空間，仍需進(jìn)一步擴(kuò)充數(shù)據(jù)采集數(shù)量，豐富各種不同檢測(cè)環(huán)境，綜合考量多種因素對(duì)血痕時(shí)間推斷的影響，以便建立更有效的血痕遺留時(shí)間綜合推斷回歸方程，進(jìn)一步提高裝置檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

總之，本研究成果顯示，研發(fā)的一體化微量血痕成像及遺留時(shí)間分析裝置具有質(zhì)量輕、性價(jià)比高、便于現(xiàn)場(chǎng)操作、客觀分析等特點(diǎn)，適合基層公安機(jī)關(guān)應(yīng)用，且因不破壞現(xiàn)場(chǎng)血痕原始形態(tài)，也為進(jìn)行其他后續(xù)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)提供了條件。在今后的研究中，還可以進(jìn)一步加強(qiáng)移動(dòng)終端的智能化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步在血痕自動(dòng)識(shí)別、人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)、功能拓展等方面積極探索，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息技術(shù)與傳統(tǒng)法醫(yī)學(xué)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)的深度融合。