手指表皮汗孔大小分布特性研究

馬暄然, 趙雅彬, 羅 彪, 于曉涵, 樊星宇, 羅亞平

(中國人民公安大學(xué)偵查學(xué)院, 北京 100038)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,指紋技術(shù)也得到了不斷的突破,曾經(jīng)受技術(shù)所限少有研究的指紋三級特征正逐步受到國內(nèi)外指紋專家、學(xué)者的關(guān)注。 指紋三級特征主要是指乳突紋線上的微觀形態(tài)特征,比指紋的二級特征更難以被反映和被人認(rèn)知,更鮮少運用于指印的鑒定中,且因其過于微觀、受客觀因素影響較大而導(dǎo)致特征體現(xiàn)的不穩(wěn)定性,使得利用其進(jìn)行指印鑒定的可靠性受到質(zhì)疑[1]。對此,FBI 實驗室研究得出,雖然指紋三級特征具有終身基本不變的特點,但是其形態(tài)會受成痕壓力、提取方法及圖像質(zhì)量所影響[2]。 因此, 成痕壓力所造成的變形,可能導(dǎo)致現(xiàn)場指紋和樣本指紋中不相似的三級特征并非由于本質(zhì)性差異所致。 Ratha 等對手指的彈性形變做了研究,他們認(rèn)為從手指的三維實體到指紋的二維圖像會引發(fā)變形,并提出了不同的算法來克服這一難題。 比較好的做法是利用顯微圖片觀察和測量三級特征的形態(tài)[3-5]。

在指紋三級特征中,目前應(yīng)用相對較多的為汗孔特征。 由于汗孔即具有相對穩(wěn)定性也具有一定的變化性,因而在鑒定實踐中會受到一定條件的制約,但這并不能否定它在指紋鑒定中特別是疑難指紋鑒定中的重要價值,只要正確認(rèn)識把握汗孔的自身特性和應(yīng)用條件,它必將在指紋鑒定中發(fā)揮出越來越大的作用[6]。

汗孔是汗腺排泄汗液的出口,不規(guī)則地分布在乳突紋線上。 汗孔與乳突紋線一樣,隨著皮膚的產(chǎn)生而形成,并隨著年齡的增大成比例放大直至成人,相互關(guān)系相對穩(wěn)定[7]。 研究表明,汗孔的直徑一般為50 ～250 μm,每毫米的乳突線上有3 ～5 個汗孔,汗孔的位置、排列、形狀、大小等核心特征都有其特殊性[8]。 一般情況下,皮膚粗糙的人汗孔相對較大,皮膚細(xì)膩的人汗孔較小。

汗孔特征的根本來源是真皮層乳頭的生長差異,且因汗孔在承痕客體上的遺留形態(tài)易受外界因素的影響,因此通過顯微圖片對手指上汗孔自身特性的相關(guān)研究就顯得尤為重要。 而當(dāng)下汗孔的相關(guān)研究主要集中在對其印痕的研究。 焦彩洋等人通過觀察不同類型的指紋,對汗孔的特征及汗孔與乳突紋線間的關(guān)系特征進(jìn)行分析與總結(jié)[9]。 梁娜、王有民等人對表皮更替時間內(nèi)手印汗孔大小及位置的變化規(guī)律與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[10-11]。 Krzysztof M.Kryszczuk 等人研究了二級特征和汗孔在殘缺指紋匹配中的相關(guān)應(yīng)用,得出在一定條件下,相比于二級特征能夠?qū)Υ竺娣e的殘缺指紋進(jìn)行鑒定,三級特征也具有對小面積的殘缺指紋進(jìn)行檢驗鑒定的能力[12]。 為明晰手指上汗孔自身的大小在不同指位、區(qū)域、個體的生物學(xué)分布特點,有必要通過高倍率數(shù)碼顯微鏡對手指上的汗孔進(jìn)行直接觀察、測量和分析,探究手指上汗孔的大小分布規(guī)律,為指紋三級特征在實戰(zhàn)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論支持。

本文利用高倍率數(shù)碼顯微鏡結(jié)合ImageView 軟件對20 名樣本人員不同指位、區(qū)域的汗孔進(jìn)行拍攝測量并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法對其分析,目的在于探討不同區(qū)域、不同指位、不同個體之間的汗孔大小是否具有顯著差異,其分布離散性如何,進(jìn)而對汗孔特征在生物學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)行理論補(bǔ)充,并挖掘其實際應(yīng)用價值。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

三鏘泰達(dá)數(shù)碼顯微鏡( TD-108P, XFCAM1080PHD+AMAXXX)。

測量軟件: ImageView ( x64, 4. 10. 17524.20200729)。

1.2 實驗樣本

選取年齡在18 ～21 歲青年共20 人作為樣本人員,要求手指無外傷、汗孔輪廓清晰、皮膚飽滿,分別編號為1 ～20 號。

將樣本人員的10 根手指第一指節(jié)乳突花紋分為內(nèi)部區(qū)、外圍區(qū)、根基區(qū),在每名樣本人員每根手指的每個區(qū)域內(nèi)選取30 個輪廓清晰、無異物分布的汗孔作為樣本汗孔,在20 倍高倍率數(shù)碼顯微鏡下結(jié)合ImageView 軟件拍攝、標(biāo)記特定區(qū)域內(nèi)的汗孔形態(tài),測量待測汗孔的面積大小,如圖1 所示。

圖1 3 號樣本人員左手食指內(nèi)部區(qū)汗孔測量示意圖(左:Y3-L2-i 區(qū)域圖;右:使用ImageView 軟件“多邊形測量”功能測量所選汗孔面積為10 054.80 μm2)

1.3 實驗條件

在2021 年11 月10 日～12 月10 日期間,選取標(biāo)準(zhǔn)指紋實驗室一間,每次實驗前提前將室內(nèi)溫度調(diào)整至(20 ±2)℃,控制室內(nèi)濕度至(40 ±5)%RH,保持實驗條件的恒定,保證實驗環(huán)境的統(tǒng)一性。

1.4 樣本采集與測量

1.4.1 采集手指汗孔樣本

固定下午15 ～21 時為收集樣本時間,提前半小時調(diào)整室內(nèi)溫度、濕度至實驗所需條件。 在Image-View 軟件中使用比例尺對數(shù)碼顯微鏡20 倍的放大倍率進(jìn)行定標(biāo)。 將樣本人員的手指用清水清洗并自然晾干,在手指適應(yīng)室內(nèi)溫度后使用超景深數(shù)碼顯微鏡20 倍的放大倍率對特定區(qū)域內(nèi)的汗孔進(jìn)行觀察,在汗孔處于非排汗?fàn)顟B(tài)時分別對10 根手指的內(nèi)部區(qū)、外圍區(qū)、根基區(qū)的汗孔進(jìn)行拍照固定。 共采集到18 000 個汗孔樣本,其中各個手指分別采集到1 800 個汗孔樣本,各個區(qū)域分別采集到6 000 個汗孔樣本,每名志愿者采集到900 個汗孔樣本。 對樣本人員分別編號為Y1-Y20,對左手拇指至小指分別編號為L1-L5,右手拇指至小指分別編號為R1-R5,對內(nèi)部區(qū)編號為i,外圍區(qū)編號為e,根基區(qū)編號為r,即1 號樣本左手拇指內(nèi)部區(qū)的汗孔樣本照片編號為Y1-L1-i。

1.4.2 確定手指汗孔大小測量方法

使用ImageView 軟件打開拍攝的汗孔照片,利用軟件的“多邊形測量”功能,在照片中標(biāo)記、測量、記錄收集到的600 張手指區(qū)域照片中的共18 000個手指汗孔樣本的面積,在數(shù)碼顯微鏡下,手指汗孔形狀均顯示為類圓形。 為降低測量時測量人員主觀因素的誤差影響,在測量時由3 名測量人員使用ImageView 軟件分別對同一汗孔樣本的面積進(jìn)行測量,隨后取其平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析。

根據(jù)測量數(shù)據(jù),對位于不同區(qū)域、不同指位、不同個體的汗孔面積數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總梳理,根據(jù)數(shù)據(jù)分布類型,采用非參數(shù)檢驗對不同個體、不同指位、不同區(qū)域的組間差異進(jìn)行統(tǒng)計檢驗,以p＜0.01 為具有統(tǒng)計學(xué)意義,判斷汗孔面積大小對于不同個體、不同指位、不同區(qū)域是否呈現(xiàn)顯著性差異,并結(jié)合變異系數(shù)對不同個體、不同指位、不同區(qū)域汗孔大小分布的離散性進(jìn)行計算分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 手指汗孔大小分布規(guī)律

早期有學(xué)者在相關(guān)研究中提出,直徑在50 ～100 μm 的汗孔為小孔型汗孔,直徑在100 ～200 μm的汗孔為中孔型汗孔,直徑在200 ～250 μm 的汗孔為大孔型汗孔,直徑低于50 μm 的汗孔被認(rèn)為可能由于手印捺印時油墨過多而導(dǎo)致的偶然情況[9]。按照此分類方法,在本實驗的18 000 個汗孔樣本中,13 878 個汗孔屬于小孔型汗孔, 占比為77.10%;1 394 個為中孔型汗孔,占比為7.74%;未出現(xiàn)大孔型汗孔,占比為0%;而直徑小于50 μm 的汗孔,在本次實驗中有2 728 個,占比為15.15%。近期梁娜等人在相關(guān)研究中也對手印中的汗孔大小類型占比進(jìn)行了統(tǒng)計,在其實驗的300 個樣本中,小孔型汗孔占比70.3%,中孔型汗孔占比3.3%,大孔型汗孔占比0%,直徑低于50 μm 的汗孔占比26.3%[10]。 對上述實驗結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn),雖然不同實驗的研究方法及樣本略有差異,但相關(guān)橫跨研究對于汗孔大小分型的研究結(jié)果有待進(jìn)一步商榷。

2.2 手指汗孔大小分布差異性分析

2.2.1 手指汗孔大小與所在區(qū)域的關(guān)系

為了驗證在手指內(nèi)部區(qū)、外圍區(qū)、根基區(qū)的汗孔大小是否會因所在區(qū)域的不同而產(chǎn)生差異,將所測汗孔樣本分為內(nèi)部區(qū)、外圍區(qū)、根基區(qū)共3 組數(shù)據(jù)。經(jīng)計算檢驗,由于數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)方差不齊,使用Kruskal-Wallis 檢驗統(tǒng)計量進(jìn)行分析。Kruskal-Wallis 檢驗被稱為克魯斯卡爾-沃利斯單因素秩方差分析(Kruskal-Wallis one-way analysis of variance by ranks),是一種秩檢驗,用于多個連續(xù)型獨立樣本的比較,該檢驗方法僅要求順序(排序)測量尺度數(shù)據(jù)的非參數(shù)檢驗,不需要對總體分布形態(tài)做任何假定。 通過檢驗表明汗孔所在區(qū)域?qū)τ诤箍状笮〕尸F(xiàn)出0.01 水平顯著性,即p值小于0.01(見表1),分析顯示:不同區(qū)域的樣本對于汗孔大小均呈現(xiàn)出顯著性差異。

表1 不同區(qū)域汗孔面積非參數(shù)檢驗分析結(jié)果

結(jié)合上述結(jié)論,通過對不同區(qū)域汗孔面積整體分布情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),各個手指均表現(xiàn)出位于根基區(qū)域的汗孔整體較內(nèi)部區(qū)域和外圍區(qū)域偏大的特點,其中拇指中位于內(nèi)部區(qū)與外圍區(qū)的汗孔面積整體相近,食指、中指、環(huán)指中位于內(nèi)部區(qū)的汗孔整體較外圍區(qū)的汗孔偏小,小指中位于內(nèi)部區(qū)的汗孔整體較外圍區(qū)的汗孔偏大(見圖2)。

圖2 不同區(qū)域汗孔面積大小分布箱型圖

2.2.2 手指汗孔大小與所在指位的關(guān)系

為了驗證拇指至小指的汗孔大小是否會因所在指位的不同而產(chǎn)生差異,將測量數(shù)據(jù)分為左手拇指至小指、右手拇指至小指共10 組數(shù)據(jù)。 經(jīng)計算檢驗,由于數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)方差不齊,使用Kruskal-Wallis 檢驗統(tǒng)計量進(jìn)行分析。 通過檢驗表明汗孔所在指位對于汗孔大小呈現(xiàn)出0.01 水平顯著性,即p值小于0.01(表2),分析顯示:不同指位的樣本對于汗孔大小均呈現(xiàn)出顯著性差異。

表2 不同指位汗孔面積非參數(shù)檢驗分析結(jié)果

結(jié)合上述結(jié)論,通過對左右手不同指位汗孔面積整體分布情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),各個區(qū)域均表現(xiàn)出位于拇指的汗孔整體較其他指位汗孔偏大的特點,其中內(nèi)部區(qū)中位于中指的汗孔整體較其他指位的汗孔偏小,外圍區(qū)中位于小指的汗孔整體較其他指位的汗孔偏小,根基區(qū)中食指、中指、環(huán)指、小指的汗孔面積整體相近(見圖3)。

圖3 不同指位汗孔面積大小分布箱型圖

2.2.3 不同個體之間汗孔大小的差異分析

為了驗證不同個體之間的汗孔大小是否會有顯著性差異,將測量數(shù)據(jù)按10 根手指、3 個區(qū)域總共分為30 個分區(qū),在每個分區(qū)內(nèi)將所測汗孔樣本按20 名樣本人員分為20 組數(shù)據(jù)。 經(jīng)計算檢驗,由于數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,數(shù)據(jù)方差不齊,使用Kruskal-Wallis 檢驗統(tǒng)計量進(jìn)行分析。 檢驗表明在各分區(qū)內(nèi)的20 組數(shù)據(jù)中各組汗孔所在個體對于汗孔大小均呈現(xiàn)出0.01 水平顯著性,即p值均小于0.01(見表3),分析顯示:不同個體之間汗孔大小呈現(xiàn)出顯著性差異。

表3 不同個體汗孔面積非參數(shù)檢驗分析結(jié)果

2.3 手指汗孔大小分布離散性分析

2.3.1 不同區(qū)域、不同指位汗孔面積分布離散性分析

為了驗證不同區(qū)域、不同指位的汗孔面積數(shù)據(jù)分布是否穩(wěn)定,對不同區(qū)域、不同指位的汗孔面積數(shù)據(jù)進(jìn)行變異系數(shù)的計算(見表4)。 在概率論和統(tǒng)計學(xué)中,變異系數(shù),又稱“離散系數(shù)”,是衡量數(shù)據(jù)中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量,可以反映單位均值上的離散程度,常用在總體均值不等的離散程度的比較上。 實驗中,變異系數(shù)越小,手指汗孔面積數(shù)據(jù)分布越穩(wěn)定;變異系數(shù)越大,手指汗孔面積數(shù)據(jù)分布越不穩(wěn)定。 變異系數(shù)在不同領(lǐng)域?qū)Y(jié)果的評判標(biāo)準(zhǔn)并不相同,通常情況下變異系數(shù)小于15%說明數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 變異系數(shù)的計算公式為:變異系數(shù)(CV) =標(biāo)準(zhǔn)差(SD)/平均值(Mean) ×100%。

表4 不同區(qū)域、不同指位汗孔面積變異系數(shù)

從表中可以看出,各區(qū)域、各指位的汗孔面積變異系數(shù)均超過15%,說明各區(qū)域、各指位內(nèi)部的汗孔面積離散性較大,汗孔大小分布不穩(wěn)定。 對各區(qū)域進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),拇指內(nèi)部區(qū)與拇指外圍區(qū)的汗孔面積變異系數(shù)均超過了60%,相對其他區(qū)域離散程度略大,汗孔大小分布更加不穩(wěn)定;小指根基區(qū)的汗孔面積變異系數(shù)為51%,相對其他區(qū)域離散程度略小,汗孔大小分布相比更加穩(wěn)定;其余區(qū)域的汗孔面積變異系數(shù)均在53% ～58%以內(nèi),其離散程度相近。 整體來看,3 個區(qū)域之間及5 個指位之間的汗孔面積總變異系數(shù)相差較小,離散程度相近,其中根基區(qū)的汗孔面積總變異系數(shù)略低于其他手指區(qū)域,汗孔大小分布離散性相對更小,拇指的汗孔面積總變異系數(shù)略高于其他指位,汗孔大小分布離散性相對更大;進(jìn)而對汗孔面積變異系數(shù)在不同區(qū)域、不同指位之間的差異性進(jìn)行檢驗。

將計算得出的汗孔面積變異系數(shù)分為內(nèi)部區(qū)、外圍區(qū)、根基區(qū)3 組區(qū)域數(shù)據(jù)。 經(jīng)計算數(shù)據(jù)方差齊,且與正態(tài)分布基本一致,對其進(jìn)行單因素方差分析檢驗。 為了研究“區(qū)域”這一因素對汗孔面積變異系數(shù)的影響,即“區(qū)域”的不同水平是否對汗孔面積變異系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響,因此使用單因素方差分析對其進(jìn)行檢驗。 由方差分析結(jié)果可得p值為0.055,大于0.05 (見表5),說明汗孔面積離散程度對于不同區(qū)域的樣本無顯著性差異。

表5 不同區(qū)域汗孔面積變異系數(shù)單因素方差分析檢驗結(jié)果

將計算得出的汗孔面積變異系數(shù)分為左手拇指至小指、右手拇指至小指10 組指位數(shù)據(jù)。 經(jīng)計算檢驗,數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布,方差齊,為了研究“指位”這一因素對汗孔面積變異系數(shù)的影響,即“指位”的不同水平是否對汗孔面積變異系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響,因此使用單因素方差分析對其進(jìn)行檢驗。由方差分析結(jié)果可得p值為0.754,大于0.05(見表6),說明汗孔面積離散程度對于不同指位的樣本無顯著性差異。

表6 不同指位汗孔面積變異系數(shù)單因素方差分析檢驗結(jié)果

2.3.2 不同個體汗孔面積分布離散性分析

為了驗證不同個體的汗孔大小分布是否穩(wěn)定,對不同個體的汗孔面積數(shù)據(jù)進(jìn)行變異系數(shù)的計算(見表7)。

由表7 可知,不同個體在各區(qū)域、各指位的汗孔面積變異系數(shù)均超過15%,說明不同個體在各區(qū)域、各指位的汗孔面積離散性較大,汗孔大小分布不穩(wěn)定。 對不同個體汗孔面積變異系數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),人與人之間的個體總變異系數(shù)相差較大,其中12 號樣本的變異系數(shù)最大達(dá)到71%,而19 號樣本的變異系數(shù)最低僅為31%,大多數(shù)樣本的個體總變異系數(shù)處于36% ～50%之間。 對于同一個體中不同區(qū)域的變異系數(shù)來說,各區(qū)域之間的變異系數(shù)相差較小,均處于15%的相差范圍內(nèi),大多數(shù)樣本的3個區(qū)域變異系數(shù)相差在10%以內(nèi),可以看出同一個體不同區(qū)域的離散程度總體相差較小,穩(wěn)定性相近;對于同一個體中不同指位的變異系數(shù)來說,各指位之間的變異系數(shù)相差幅度因人而異,多則相差40%以上(12 號樣本),少則相差5%以內(nèi)(5 號樣本),但多數(shù)樣本的5 個手指變異系數(shù)相差在15%以內(nèi)。進(jìn)而對汗孔面積變異系數(shù)在不同個體之間的差異性進(jìn)行檢驗。

表7 不同個體汗孔面積變異系數(shù)

將計算得出的汗孔面積變異系數(shù)按不同個體分為1 號樣本至20 號樣本共20 組數(shù)據(jù)。 經(jīng)計算檢驗,由于數(shù)據(jù)與正態(tài)分布基本一致,但數(shù)據(jù)方差不齊,即對其進(jìn)行Kruskal-Wallis 檢驗統(tǒng)計量分析。 檢驗表明20 組數(shù)據(jù)中各組汗孔所在個體對于汗孔面積變異系數(shù)均呈現(xiàn)出0.01 水平顯著性,即p值小于0.01(見表8),分析顯示:個體與個體之間汗孔面積變異系數(shù)呈現(xiàn)出顯著性差異,即不同個體之間汗孔面積分布離散性具有顯著性差異。

表8 不同個體汗孔面積變異系數(shù)非參數(shù)檢驗分析結(jié)果

3 結(jié)論

本研究數(shù)據(jù)表明,男性手指表皮上同一指位不同區(qū)域之間的汗孔大小有顯著性差異,其中位于根基區(qū)的汗孔面積整體大于內(nèi)部區(qū)域和外圍區(qū)域;同一區(qū)域不同指位之間的汗孔大小有顯著性差異,其中位于拇指的汗孔面積整體大于其余四指;同一指位同一區(qū)域不同個體之間的汗孔大小存在顯著性差異。 各區(qū)域、各指位、各個體的汗孔面積離散性較大,在不同區(qū)域之間及不同指位之間的汗孔面積總變異系數(shù)相差較小,離散程度相近,不同區(qū)域之間、不同指位之間汗孔面積分布離散性均無顯著性差異;在不同個體之間汗孔面積總變異系數(shù)相差較大,在同一個體內(nèi)的不同區(qū)域之間汗孔面積變異系數(shù)相差較小,離散程度相近,不同指位之間汗孔面積變異系數(shù)相差幅度因人而異,不同個體之間汗孔面積分布離散性具有顯著性差異。

將本研究成果與公安實際工作相結(jié)合,當(dāng)案件現(xiàn)場出現(xiàn)較多殘缺指紋以及指紋二級特征數(shù)量較少不足以進(jìn)行指紋認(rèn)定工作時,可從殘缺指紋汗孔大小的角度進(jìn)行輔助分析,利用汗孔面積在不同區(qū)域、指位、個體之間的差異性規(guī)律與離散性規(guī)律,進(jìn)而判斷此殘缺指紋在手指上的大致位置以及不同的殘缺指紋是否可能屬于同一個體,并對遺留者的個人生理特點進(jìn)行溯源分析,將對指紋鑒定、現(xiàn)場重建等相關(guān)工作起到重要的輔助分析作用。

4 結(jié)語

盡管在研究期間已盡力提高實驗數(shù)據(jù)的精確度,減少因?qū)嶒灄l件等非本質(zhì)性因素所造成的實驗誤差,但實驗仍具有一定的局限性。 第一,實驗中為了便于在顯微鏡下觀測到皮膚飽滿、汗孔輪廓清晰的樣本,選取的捺印人員年齡段窄,為避免性別變量對實驗結(jié)果的影響,僅選擇了18 ～21 歲的男性青年進(jìn)行研究;第二,本次實驗選取了20 名男性的18 000 個汗孔樣本進(jìn)行觀測,雖選取的汗孔樣本量較大,但志愿者人數(shù)較少;第三,為了真實客觀地對手指表皮上的汗孔進(jìn)行觀察測量,實驗選取顯微鏡拍攝法直接對手指上的汗孔樣本進(jìn)行采集,此方法在對手印進(jìn)行的相關(guān)研究與應(yīng)用中不同于試劑顯現(xiàn)、油墨捺印等方法,各類方法對于汗孔真實面積的測量具有多大影響,對于汗孔特征在實際比對檢驗鑒定工作中具有多大的應(yīng)用價值,今后的研究還需進(jìn)一步驗證。 因此,年齡、性別等因素的不同是否會影響汗孔大小的分布規(guī)律;當(dāng)樣本人數(shù)增多時,汗孔大小的分布規(guī)律是否與本次實驗結(jié)果相符;手指汗孔真實大小與實際司法鑒定工作中使用顯現(xiàn)方法捺印后的手印汗孔大小具有多大差異,都需要通過進(jìn)一步的研究證實。 結(jié)合前期對汗孔大小分型的相關(guān)研究,對其分型結(jié)論還需進(jìn)一步商討。