一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置的研发

郑吉龙，温洪洋，章彪，巩京慧，腾月，李忠洋，5

（1.中国刑事警察学院法医学系，辽宁 沈阳 110035；2.中国刑事警察学院网络信息中心，辽宁 沈阳110035；3.上海市公安局刑侦总队刑事技术中心法医室，上海 200000；4.贵州警察学院刑事技术系，贵州 贵阳 550005；5.饶河县公安局，黑龙江 双鸭山 155700）

血痕是暴力犯罪现场常见的生物物证之一[1]，作为犯罪现场的一种客观存在，包含了极丰富的犯罪信息，是判断案件性质、分析作案过程、确定侦查方向和证实犯罪的重要证据。目前对血痕在以下两方面研究较多：一是通过分析血痕的形态进行案件重建[2]，二是提取血痕中的DNA进行个体识别[3]。近年来，血痕遗留时间推断逐渐成为国内外法医学者研究的热点。在分子层面，有应用RNA分析[4]、电子顺磁共振[5]、单细胞凝胶电泳[6]等方法推断血痕遗留时间的研究报道，但检测条件严格，对检验者专业要求高，且对血痕形态多有破坏，不适合现场微量血痕的快速时间推断。随着光谱技术的发展，有学者利用高效液相色谱法[7]、近红外光谱[8]、紫外可见光谱[9]、反射谱[10]和高光谱图像[11]、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）和衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）[12]等技术推断血痕遗留时间，检测方法简便，检测条件要求不高，但仪器设备价格较高，故推广性不强。本研究团队在前期利用红外热成像技术[13]和血痕颜色变化[14]推断血痕遗留时间的基础上，设计研发了一种在不破坏血痕形态的前提下，对现场血痕遗留时间进行智能推断的一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置。

1 材料与方法

1.1 血痕样本

血痕样本来源于20名健康志愿者新鲜的肘静脉血（志愿者均签署知情同意书），志愿者中男女性比例为1∶1，平均年龄为26岁，无吸烟史，饮食正常。取血时女性均处于非月经期。

抽取静脉血后，在室温条件下（温度为25～30℃，湿度为30%～60%）立即用移液器吸取100 μL血液，于1.0 cm高处垂直滴到实木地板（柞木地板，购自圣象集团有限公司）上，形成直径约为2cm的规则圆形血痕。

建立血痕遗留时间推断方程的实验中，每个时间点（即刻至12 h每隔0.5 h，12～72 h每隔1 h，72～894 h每隔6 h，共计222个时间点）制作10个血痕样本，共计2220个样本。可行性验证实验中，另制作血痕样本90个，随机分为3组，每组30个，分别保存于自然光照密闭（A组）、黑暗密闭（B组）、自然光照通风（C组）环境中。

1.2 主要仪器

移动终端（P8，GRA-UL10，1300万像素，分辨率为1920×1080，华为公司）。

1.3 方法

1.3.1 研发一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置

众所周知，任何图像都是由颜色构成的，RGB和CMY是两种不同的色彩模式，在不同方面反映了图像的颜色构成。实践中，血液一旦离开人体，血液中的含氧血红蛋白发生自氧化，随着时间的延长，血痕的颜色由鲜红色逐渐变成深红色直至黑褐色。

基于以上原理，本研究利用移动终端采集不同遗留时间血痕图像，通过实时动态监测血痕6项颜色参数［R（x1）、G（x2）、B（x3）、C（x4）、Y（x5）、M（x6）］随时间（y）的变化，建立血痕遗留时间推断的回归方程，开发血痕遗留时间智能推断专家决策辅助系统软件，研发出一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置。

1.3.2 血痕遗留时间推断方程的建立

使用移动终端，于不同血痕遗留时间对室温环境中血痕样本进行图像采集，应用SPSS 22.0软件对血痕6项颜色参数（R、G、B、C、Y、M）数据进行统计学处理与分析，得到其与遗留时间的回归方程，进一步通过聚类和判别分析，建立多参数血痕遗留时间综合推断方程。

1.3.3 可行性验证

于不同遗留时间对血痕样本进行检测。为了体现盲测实验中样本抽取的随机性，对各组样本编号记录后，每组随机抽取20个样本。采用一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置进行图像采集及智能分析，并与实际遗留时间进行比较。如实际遗留时间在装置测得的时间区间内，则认为检测准确，反之则认为不准确。将相关数据输入Excel软件进行统计，并计算装置盲测检验的准确度。

2 结 果

2.1 一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置的成功研发

一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置的结构示意图见图1。该装置包括箱体、照明灯、移动终端固定柱、移动终端和血痕放置器。其特征在于：箱体内装有泡沫形成泡沫箱（大小为27.5 cm×17.0 cm×17.0cm）；内置冷光源环形LED灯（功率为12W，色温为6 500 K），固定在箱体的上方；移动终端用固定柱固定在箱体内环形LED灯的中心；泡沫箱顶部设有小孔（孔径为1.1cm），大小刚好适合移动终端的摄像头（1200万像素）透过小孔进行拍摄。拍摄时血痕置于箱体底部的中心，恰好满足垂直拍摄。泡沫箱顶部的成像孔径与泡沫箱深度的比例是1∶15～1∶20。

图1 一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置示意图

根据图像色彩分析的原理，结合图像处理识别技术，使用Android语言成功研制出移动终端分析系统软件。软件自动接收移动终端拍摄的血痕图像数据后，基于数字图像分析技术，利用编程对接收的图像进行程序化处理，对血痕有效区域随机抽取多个像素点分别提取相关血痕颜色参数（R、G、B、C、Y、M），提取5次后，将数字图像中的关键参数信息按照程序预设的多参数血痕遗留时间综合推断方程进行拟合和分析，并以小时为单位进行时间转换后，综合计算5次结果平均值及标准差，用floor（argu×10.0+0.5）/10.0精确至小数点后一位并取整得出血痕遗留时间，以±s的形式在终端设备中显示。

2.2 血痕遗留时间推断方程

建立的血痕6项颜色参数（R、G、B、C、Y、M）与遗留时间的回归方程及多参数血痕遗留时间综合推断方程见表1。

表1 血痕6项颜色参数与遗留时间的回归方程及多参数综合推断方程

2.3 可行性验证结果

对3种环境下血痕遗留时间的盲测结果见表2。A组和B组中，除了A26与B29血痕样本实际遗留时间在装置测得的时间区间外，其他各样本实际遗留时间均落在测量时间所在的区间内，总体检测准确度均为95%。C组中，C01、C04、C05、C07血痕样本检测时间区间超过实际时间，总体检测准确度为80%。

表2 3种环境下血痕遗留时间的可行性验证结果 （n=5，±s，h）

表2 3种环境下血痕遗留时间的可行性验证结果 （n=5，±s，h）

注：编号中A、B、C分别代表自然光照密闭环境、黑暗密闭环境、自然光照通风环境

编号A01 A02 A03 A05 A07 A08 A09 A11 A12 A14 A15 A16 A17 A19 A21 A23 A24 A26 A28 A30测量时间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实际时间5 12 19 48 65 72 125 150 183 236 278 302 344 401 467 552 592 657 706 781编号B02 B03 B05 B06 B08 B09 B11 B13 B15 B16 B17 B18 B20 B21 B22 B23 B25 B27 B28 B29测量时间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实际时间10 18 32 48 72 95 172 246 328 384 427 463 532 583 595 609 656 714 747 785编号C01 C04 C05 C07 C09 C10 C11 C12 C14 C15 C17 C19 C20 C21 C23 C24 C25 C26 C28 C30测量时间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实际时间6 21 27 85 108 125 167 203 275 321 389 428 466 492 574 637 667 692 755 821

3 讨 论

以往对现场血痕的图像采集主要采用数码相机照相的方法。虽然该方法方便快捷，但是采集图像时的环境、拍摄高度、拍摄角度未加以固定，难以形成标准化的血痕图像。为保证采集图像的稳定性、清晰度和分析结果的准确性，本装置中固定尺寸的箱体遮蔽了环境光线对于血痕成像的干扰，配合环形LED光源的照明使用，使得成像条件较传统方法[15]大为改善，图像质量、信噪比获得有效提升。装置使用的照明元件是环形LED灯，提供环形照明光束，可保证覆盖血痕及整个箱底。如果只使用线性照明灯组，则会在血痕的背光侧形成阴影，影响参数的提取。此外，装置顶部的成像孔径为1.1cm，暗箱深度为17cm，孔径与暗箱深度比约为1∶15，可有效消除照明投影、图像采集范围不完整等相关问题。在血痕图像采集方面，装置的设计满足在固定暗室环境中以固定光源、固定角度摄取血痕图像。本研究结果表明，该一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置能够对现场微量血痕进行实时动态摄取数字图像。

目前对现场血痕遗留时间的分析鉴定主要是检案人员根据血痕形态、颜色进行分析推断，是一种经验性的运用模式，对血痕遗留时间及影响因素缺乏足够的量化依据。基于血痕颜色随血痕遗留时间延长而变化的特征，本研究设计了与图像采集装置配套使用的移动终端分析系统，通过“基于移动终端的血痕经过时间智能推断专家决策辅助系统”软件，自动分析血痕数字图像6项颜色参数（R、G、B、C、Y、M）并进行时间推断。

本研究使用的血痕载体为实木地板，因家庭室内地板、家具多为实木，且室内现场常在木质家具或者地板上遗留血迹。

盲测结果显示，自然光照密闭环境和黑暗密闭环境下血痕遗留时间推断准确度均达到95%。一方面，利用一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置采集血痕图像时，固定了光源以及摄取图像的高度与角度，使采集图像进一步标准化；另一方面，该设备可以智能地对图像进行处理、参数值提取与定量分析，避免主观因素对推断结果的影响，使结果更加客观、准确。此外，在温度、湿度、密闭环境相同的情况下，自然光的有无对推断的结果影响不大。但盲测结果也显示，自然光照通风环境下检测的准确度仅为80%，在血痕遗留时间的早期推断中准确度较低，分析这与通风的环境有关，在其他环境因素相同的情况下，血痕上方的空气流动速度越快，血痕凝固时间越短，从而造成早期测量时间大于实际时间。环境的差异是影响血痕遗留时间推断准确与否的主要因素。因此，该装置在时间推断精确性方面还有提升空间，仍需进一步扩充数据采集数量，丰富各种不同检测环境，综合考量多种因素对血痕时间推断的影响，以便建立更有效的血痕遗留时间综合推断回归方程，进一步提高装置检测的准确性。

总之，本研究成果显示，研发的一体化微量血痕成像及遗留时间分析装置具有质量轻、性价比高、便于现场操作、客观分析等特点，适合基层公安机关应用，且因不破坏现场血痕原始形态，也为进行其他后续实验检测提供了条件。在今后的研究中，还可以进一步加强移动终端的智能化设计，进一步在血痕自动识别、人机交互界面开发、功能拓展等方面积极探索，以实现数字信息技术与传统法医学现场勘验的深度融合。