近年來，高光譜成像（HIS）組件的技術進步為其在法醫學應用中提供了廣闊的前景。當HSI被引入法醫學案件調查時，它能夠幫助調查人員無損地檢測、可視化和識別重要的痕跡。

高光譜成像（HSI）集成了傳統的成像和光譜學，幫助使用者能夠從標本中獲得空間和光譜信息。這種技術使研究人員能夠分析痕跡的化學成分，并同時可視化它們的空間分布，可用于估算痕跡存在的時間，為調查人員提供有價值的信息，有助于重建事件的時間線。HSI的快速、無損和非接觸性特征標志著其作為法醫科學分析工具的適用性。

01高光譜成像

高光譜成像最初是為遙感應用開發的，但后來在食品科學、制藥和醫學診斷等領域也得到了應用。與光譜學一樣，HSI可以應用于電磁波譜的不同部分，如紫外線（UV）、可見光（Vis）、近紅外（NIR）、中紅外（IR）甚至熱紅外范圍。在這些區域，反射、透射、光致發光、熒光或拉曼散射可以通過具有類似于微型光譜儀的光譜分辨率的高光譜相機進行記錄。

圖1光與樣品的相互作用可能導致(a)鏡面反射，(b)彈性散射然后是漫反射，(c)非彈性散射然后是拉曼位移光的發射（虛線），(d)吸收，(e)吸收然后是光致發光發射（虛線）

光與標本之間的相互作用由標本的光學特性和入射光決定。由于高光譜成像測量了這種相互作用，它可用于表征材料。在實際操作中，這涉及對待研究物體的照明。通常，光的第一次相互作用會發生在標本表面，其中一部分光會被反射（圖1a）。這部分光包含的關于介質內部的信息很少，主要由介質之間的折射率差異決定。進入材料后，光可以被散射或吸收。散射是光與標本中的結構相互作用并導致傳播方向改變的過程，具體取決于波長、粒子的大小和折射率差異（圖1b）。大多數光以與入射光相同的波長散射，這個過程被稱為彈性散射。也有一小部分光會發生非彈性散射（拉曼散射），這會導致與標本中分子振動態相對應的波長變化（圖1c）。通過測量拉曼散射，可以對散射標本進行化學分析。化合物的吸收特性依賴于波長。在可見光波長范圍內的吸收與分子的電子狀態相關，而在近紅外（NIR）和紅外（IR）波段的吸收則由分子的振動模式決定。

圖4 示意圖顯示HSI系統的組成部分

典型的高光譜成像系統由以下組件組成：物鏡、波長調制器、探測器、照明系統和數據采集系統（見圖4）。

所有這些組件都可以根據具體應用進行調整。法醫學的分析環境可能從實驗室到現場環境不等，分析的區域可能從微觀到宏觀尺度不等。線掃描方式在大規模的法醫學應用中具有潛力，探測器可以在大型靜態區域（如墻壁、地板或整個犯罪現場）上移動，而不需要使用移動平臺或傳送帶來移動標本（見圖5）。

圖5 模擬犯罪現場的高光譜成像系統

02高光譜成像法醫學應用

雖然高光譜成像主要用于指紋分析，但其他幾種法醫痕跡的研究也有報道，包括藥物、頭發、牙釉質、瘀傷、血跡、避孕套、墨水、磁帶、火器推進劑、油漆和纖維。這些應用總結在表1中，并進行了更詳細的描述。

表1 不同檢測目標的測量方式、波長范圍、波數范圍和參考值

2.1指紋

潛在的指紋是由手指上的汗腺分泌物和來自接觸其他身體部位（如面部）的皮脂物質混合形成的復雜物質。汗腺分泌物主要由氨基酸、無機化合物和蛋白質組成，而皮脂物質主要由脂肪酸酯構成。這些殘留物的化學成分因個體而異，隨著年齡增長，皮脂物質的含量也會增加。指紋檢測技術的目的是在指紋的脊線細節與其所處的背景之間產生對比。與可見光高光譜成像不同，近紅外（NIR）和紅外（IR）高光譜成像能夠提供關于分子振動模式的額外信息，從而揭示所研究材料的化學成分。紅外高光譜成像技術有檢測各種多孔背景（復印紙、香煙紙、美元鈔票、明信片）和非多孔背景（垃圾袋、汽水罐、膠帶）上未經處理的潛在指紋的能力。例如，在汽水罐和黑色垃圾袋上，通過查看波長為9842 nm的強度圖像時，指紋清晰可見（見圖7）。

圖7 帶有指印的易拉罐

2.2其他痕跡

除了指紋的分析外，高光譜成像（HSI）還可以用于分析許多其他在法醫學中具有重要意義的痕跡。通過利用光譜差異，可以檢測和可視化潛在的痕跡，以獲得最佳的痕跡與背景對比度。個別光譜可以提供標本的化學成分信息，這對于識別、定量分析或時間估算非常有用。在纖維、油漆碎片或墨水等對比研究中，高光譜成像同時提供光譜和空間信息，是確定兩者是否有共同來源的有利工具。

圖9 模擬犯罪現場，其中新鮮和較老的血跡被自動檢測出來，并根據反射光譜自動檢測和區分（左）（右）。

通過血液污漬的反射光譜進行光譜解混，可以得出血液污漬中氧合血紅蛋白、正鐵血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的相對含量。通過將高光譜成像數據中的光譜與血紅蛋白衍生物的理論光譜進行非線性最小二乘擬合，可以在模擬犯罪現場中識別出血跡，并能夠將其與類似顏色的物質區分開來。此外，血紅蛋白衍生物的量的時間行為提供了有關化學變化的信息，可以用于估算血液污漬的年齡。圖9顯示了一個模擬的犯罪現場，通過這種方法區分了新鮮和陳舊的血液污漬。

03結論

近年來，高光譜成像（HSI）組件的技術進步為其在法醫學應用中提供了廣闊的前景。快速采集、便攜式、高分辨率的系統逐漸興起，促進了HSI從實驗室向現場的應用轉變。近期已成功探索了若干高光譜成像在法醫學中的應用。當HSI被引入法醫學案件調查時，它能夠幫助調查人員無損地檢測、可視化和識別重要的痕跡。

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審核編輯 黃宇