基于HemoVision的呼气血迹模式（expirated patterns）起源区域（AO）分析

《Journal of Forensic Sciences》：Area of origin analysis for expirated patterns using HemoVision

　　

尽管血迹形态分析（Bloodstain Pattern Analysis，BPA）可用于多种类型的模式，但关于能否确定呼气血迹模式（expirated patterns）的起源区域（Area of Origin，AO）尚缺乏研究。呼气血迹模式是在某些情况下由空气压力将血液从体表开口推出而形成，有时形成辐射状血迹，可类似于撞击模式进行分析。本研究旨在利用机械装置比较呼气血迹模式的真实AO与观测AO，此外由人类参与者生成一系列盲法呼气血迹模式，使用HemoVision分析其结果以推导AO并确定出现的误差类型。研究人员利用装置在距靶面20 cm和40 cm、90°和45°朝向墙面（n=20）条件下产生5个呼气血迹模式，评估各方向（X、Y、Z）误差。对各三维坐标进行单样本t检验发现，在90°和20 cm（x=11.89，p=7.220E-04）、90°和40 cm（x=22.54，p=5.764E-06）、45°和20 cm（x=13.41，p=9.888E-04）以及45°和40 cm（x=28.16，p=4.040E-05）条件下，样本均值与假设均值（μ=0）存在统计学显著差异。这表明呼气血迹模式的AO可能无法准确计算，其中最大差异为距墙距离（Y方向），与撞击模式倾向于高度（Z方向）误差最大的独特局限性不同。研究人员还对盲法测试进行分析以确定使用人类参与者样本（n=11）的AO分析质量。

研究背景方面，血迹形态分析（Bloodstain Pattern Analysis，BPA）是利用物理学原理和目视检验技术分析犯罪现场血迹形成的模式，其中起源区域（Area of Origin，AO）指血液在空气中分散前起源的三维空间，可推断出血个体、带血物体或血量的位置；呼气血迹模式（expirated patterns）指血液在空气压力下从体表开口（如口、鼻、伤口）排出形成的模式，常呈辐射状，有时可类比撞击飞溅（impact spatter）分析AO和会聚区域（Area of Convergence，AOC，二维平面中会聚轨迹指示的空间）。传统AO分析方法包括拉线法（stringing method）、切线法（tangent method）等，近年出现了基于机器学习与计算机视觉的自动化软件HemoVision（Forentrics出品），通过优化模型基于切线法思想返回最大收敛可能性的AO估计（椭球中心）。目前BPA对撞击模式AO分析有一定研究，但呼气血迹模式能否可靠估计AO缺乏系统研究；由于呼气动力学复杂（气量、流速、口腔/nasal腔解剖、伴随唾液/黏液、滴迹易呈近圆形雾状、串状等），其轨迹假设（直线、单一点源）可能不成立，因此研究人员开展本研究，通过机械装置模拟成人咳嗽产生可控呼气血迹模式，以及人类参与者盲法呼气带血模式，利用HemoVision进行AO估算，比较真实已知AO与计算AO在各坐标轴（X沿墙水平，Y距墙垂直距离，Z垂直高度）的误差，统计检验差异，明确呼气血迹模式AO分析的准确性界限、误差主导方向及影响因素，为法医现场重建提供证据。该研究论文发表在《Journal of Forensic Sciences》（法医学杂志）。

关键方法技术上：研究人员首先通过自制肺量计（测气量，平均V_avg=77.925 mL）和转子流量计（测流速，平均v_avg=557.5 L/H）界定成人中等压力咳嗽的气动参数；构建机械装置（脚泵为气源、管径2.5 cm模拟气管、转子流量计控流速、3D打印扁平口腔件模拟口部，产生与文献报道人类呼气血迹特征一致的辐射状雾状/滴状模式）；设定距墙20 cm和40 cm、角度90°（垂直墙）和45°（水平倾斜），每组5次试验（n=20），使用羊血（Canadian Food Inspection Agency伦理来源）置于口腔件，启动脚泵产生呼气血迹于覆纸墙面，记录真实AO坐标（X、Y、Z）；标记整体标记（overall marker）和细部标记（detail marker），用Nikon D7100 DSLR拍摄广角与微距照片，导入HemoVision进行三维场景重建，手动椭圆分析（manual ellipse analysis）标记血迹长、宽（排除尾迹）以计算撞击角（arcsin(宽度/长度)），软件输出AO椭球中心坐标；误差为计算减真实值，单样本t检验（假设μ=0）分析各轴与三维总误差（三维误差T=√((X_t-X_c)²+(Y_t-Y_c)²+(Z_t-Z_c)²)）；盲法测试：11名人类参与者含自身静脉血（体积不等），在未知评估者条件下从 varied距离/角度对墙呼气带血，用Recon-3D（ai2-3D手机LiDAR）扫描记录真实嘴部坐标，同样标记、拍照、HemoVision分析；盲法坐标误差统计用单样本t检验（X、Z、3D）和Wilcoxon检验（Y，中位数假设0）；所有坐标系统一为X沿墙水平、Y距墙垂直、Z垂直高度。

研究结果部分：3.1 Rig tests（机械装置试验）：各组已知与计算AO的差值在X、Y、Z及三维误差显示，90°组（set 1距20 cm，set 2距40 cm）X误差最小（set1平均X误差=-0.8464 cm，p=0.1551；set2平均X误差=-1.285 cm，p=0.002111），Y误差最大（set1平均Y误差=7.817 cm，p=0.04377；set2平均Y误差=18.50 cm，p=5.136E-04）；45°组（set3距20 cm，set4距40 cm）Z误差最小（set3平均Z误差=-1.177 cm，p=0.03090；set4平均Z误差=-3.853 cm，p=0.04771），Y误差仍最大（set3平均Y误差=9.451 cm，p=2.002E-05；set4平均Y误差=22.90 cm，p=1.698E-05）；三维总误差随距离增大而增大（set1平均3D=11.90 cm，set2=22.54 cm，set3=13.41 cm，set4=28.16 cm）；单样本t检验表明仅set1的X与Z无统计显著差异（p>0.05），其余各组X/Z（set2-4）、所有Y与3D均有显著差异（p<0.05）；Y方向误差近似为真实距墙的一半关系（20 cm组Y误差~7.8-9.5 cm，40 cm组~18.5-22.9 cm），但更远距需进一步验证；结论：呼气血迹模式AO分析中X（沿墙）与Z（高度）在近距离垂直条件可无统计差异，但Y（距墙）在所有条件下误差最大且显著，三维AO不能准确估计，主要限制来自Y方向。

3.2 Blind tests（盲法测试）：11次人类参与者试验的X误差总体最低（平均X误差=-0.4797 cm，p=0.7243无显著差异），Z误差较大（平均Z误差=-8.028 cm，p=0.01263显著），Y误差最大（平均Y误差=9.120 cm，p=2.210E-03显著），三维总误差平均15.14 cm（p=5.125E-05显著）；具体试验中，若血迹含较多上下角度的椭圆滴（如近乎平行墙近距锐角朝向），则Z与Y估计较准（如trial 8：X=-0.4363 cm，Z=-1.027 cm，Y=7.293 cm，3D=7.378 cm；trial 2：X=-2.234 cm，Z=-5.597 cm，Y=4.439 cm，3D=7.484 cm）；若模式以近圆滴为主（如垂直墙朝向，trial 6），则椭圆少导致Y与3D误差大（Y=27.58 cm，3D=32.85 cm）；若滴迹多集中在下部（向下角度呼气，trial 9），则Z高估（Z=-22.73 cm）；结论：盲法下X方向估计最接近真实，Z与Y差异显著偏大，AO三维准确性受限，椭圆滴的角度多样性有助于改善Z/Y估计，但呼气血迹模式总体不适于可靠三维AO分析。

讨论部分总结：研究人员指出，呼气血迹模式AO在统计上通常不能准确识别；角度因素上，垂直墙（90°）产生较准的X（沿墙）估计，水平倾斜（45°）产生较准的Z（高度）估计；距离因素上，距墙更近（20 cm）时Z与Y误差相对小（Y仍在~7.8-9.5 cm内），更远（40 cm）Y误差约达真实距的一半且显著；Y方向（距墙）是主要误差源，可能因呼气雾化滴迹聚类、近圆滴多、直线轨迹假设忽略曲线（重力/阻力）、单墙限制无法约束深度、AO软件基于撞击模式假设（单一点源、直线）不适用于呼气扩散体源；X与Z误差在部分条件下无统计差异且在10 cm内，故呼气血迹模式的二维会聚区域（AOC，由X-Z平面定义）可用于调查目的（判断个体站立/跪姿/卧姿高度Z、水平位置X），但三维AO（含Y）不可靠；机械装置局限：3D打印口腔件未完全复现人体口腔/nasal解剖（舌、软腭、咽等），未来需用解剖精确模型并纳入鼻呼气模式；气动参数局限：仅测成人中等咳嗽平均气量/流速，未覆盖不同年龄、肺疾病、反射性vs自愿咳、不同力度的呼气机制；人类盲法显示血量、唾液混入、咳类型、微小移动影响模式特征，未来需系统研究不同呼气机制（咳嗽、打喷嚏、呼吸）与多表面（墙+地面+天花板）AO改善可能；总之，呼气血迹模式可利用HemoVision等软件获得合理X-Z二维AOC用于调查，但不应依赖其三维AO（尤其Y距墙）做确定结论；论文结论译文：本研究结果表明，从统计上看，呼气血迹模式的AO可能无法准确识别；此外，开口朝向墙的角度和距离也会影响AO分析过程：垂直墙的模式返回更准确的水平（X）值，近墙模式返回更准确的垂直（Z）值及距离（Y）值；Y方向的显著差异提示调查人员不宜通过AO分析恰当估计开口距表面的距离；因此呼气血迹模式的AO可能无法准确识别；虽然AO可能不能恰当确定，但X和Z值可用于识别呼气血迹模式的AOC，仍可用于判断受害者是站立、跪着还是躺着。