指纹三级特征的组织学基础、影响因素与实用性价值分析

王有民

(陕西警官职业学院信息技术系， 陕西西安 710021)

0 引言

随着刑事技术的发展，指纹的检验和鉴定技术也在发展，并在刑事案件侦破中一直发挥着重要的作用，从最早的一级、二级特征，发展到近年很多学者一直关注、在研的三级特征，指纹学研究由此进入了新的发展阶段。指纹的三级特征指的是指纹的微观细节特征，主要包括乳突纹线的边缘形态、纹线宽窄、细点线、汗孔特征等[1]，尽管提出很早，也有成功应用案例，但依然处于研究探索之中，没有统一的标准化方法，鉴定依然无章可循[2]。为了更好地促进指纹三级特征研究，有必要深入了解指纹的组织细胞学基础，在此基础上探索指纹三级特征在实践中的实际应用价值。

1 指纹的组织学特征

指纹研究属于形态学研究，指纹鉴定也属于形态学鉴定，严格来说，目前所有的指纹研究基本都属于表观形态学研究，其检验和鉴定也在表观形态学范围之内。随着研究的深入，特别是显微技术、图像处理技术以及高分辨率(1 000 dpi以上)指纹采集技术的发展，包括现代指纹显现和提取技术的发展，指纹三级特征的研究更加方便易行。尽管属表观研究，但研究越微观，越接近组织甚至细胞学层次，表观的细节特征和该处的组织结构特点、上皮细胞的新陈代谢变化过程的联系也越来越紧密，而基于此的组织细胞学研究基础却相对较弱。

1.1 皮肤的组织结构

人体皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成，包括毛发、指甲、汗腺、皮脂腺等附属器，和指纹形态特征有关的结构主要包括表皮、真皮和汗腺。图1[3]、图2中，包括手指皮肤在内，表皮由外到内共分五层，分别为角质层(5～20层复层扁平角质细胞)、透明层(2～3层复层扁平细胞)、颗粒层(2～4层梭形、菱形细胞)、棘层(4～8层多角细胞)和基底层(也称生发层，单层柱状细胞)，角质层细胞不断脱落，基底层细胞通过增殖、变化不断移至角质层进行置换补充，使表皮维持一定厚度，这一新陈代谢的周期为28天。其中，角质层在皮肤的最外层，自然状态下，皮肤的干湿程度、摩擦情况、疾病等情况都会影响角质层的存在状态，并直接影响着指纹乳突纹线的形态特征。

图1 手掌皮肤组织结构图

图2 手指皮肤切片图(低倍HE)

汗腺包括小汗腺和顶泌汗腺(大汗腺)，和指纹特征有关的是小汗腺，即一般汗腺，主要分泌汗液。汗腺都为单管腺，不分支，小汗腺球状分泌部位于真皮深部，导管上升穿过真皮和表皮，在表皮内呈螺旋走行，开口呈漏斗状称汗孔。汗孔的位置、分布、形态、大小直接关系着指纹三级特征的具体特点。

1.2 指纹三级特征的组织学基础

如前所述，指纹三级特征中，乳突纹线的边缘形态、纹线宽窄、细点线等特征与表皮角质层的存在状态密切相关，汗孔特征除与角质层状态有关外，更与汗腺导管在表皮中的螺旋形走行有关。

表皮角质层为多层扁平角质细胞如鳞片状叠积而成，细胞内无细胞核与细胞器、充满角蛋白，细胞无生物活性，表层细胞不时脱落成为角质鳞片。显然，随着表皮新陈代谢的不断进行，角质层细胞的叠积状态和表层细胞的脱落状况一直呈现一种动态的相对稳定的变化过程，并直接影响着乳突纹线的微观细节特征，而且越微观影响越大。

对于汗孔特征，首先是汗孔的位置，学界基本共识为汗孔多位于表皮乳突纹线中间，部分在乳突纹线边缘[4-6]，小犁沟内没有汗孔开口[7]。对于其内部组织学结构，多数研究认为，表皮每条乳突纹线的深部都包被着两条真皮乳头嵴，其嵴间沟恰好对应表皮乳突纹线正中[8]，所有汗腺导管都从成对的真皮乳头间穿过[7]，开口于乳突纹线之上，导管管壁上皮与表皮细胞相移行；也有研究发现，同一条乳突纹线同时存在单条、双条真皮乳头嵴的情况[9]。

其次是汗孔的形态与大小，学界基本将手印汗孔按形状特点分为圆形、椭圆形、三角形、四边形以及不规则形[7,10]，按直径大小分为小孔型(50～100 μm)、中孔型(100～200 μm)和大孔型(200～250 μm)汗孔。第三是间距与数量，汗孔之间间距不等，每毫米约3～5个，特殊的10个以上[4]，按汗孔排列的密集程度分为稀疏型和紧密型汗孔[10]。从组织学角度看，角质层细胞的堆叠、脱落状态直接关系着汗孔的形态与大小；一般研究从捺印或汗潜指纹层面研究汗孔，其影响因素更多。

2 指纹三级特征的影响因素

由于指纹三级特征研究是微观细节特征研究，图像经常被放大数十倍或者百余倍进行观察，人体自身生物因素、研究中人为设定的各种条件以及现场纷繁复杂的情况，都会对这些细节特征产生较大影响，而且放大倍数越大影响越显著，从而影响检验和鉴定技术的科学性、客观性和结果的正确性。

2.1 人体自身因素的影响

人体自身因素主要包括上皮组织的结构特点、新陈代谢、生理与病理变化以及自身活动等情况，都可对指纹细节特征产生影响。比如汗孔特征，由于汗腺导管在表皮中存在螺旋形走行的结构特点，从组织学角度分析，随着表皮细胞层的不断更替上移脱落，同一个汗孔的位置会在以该螺旋的轴心为半径的范围内不断变动，因此汗孔位置并非一成不变，而是具有在一定范围内变动的相对稳定的特点；同样，在不同时期，汗孔的形态、大小也因汗孔开口处角质层细胞脱落的部位、多少等情况的不同而变化；另外，生理、病理性的表皮增生、多汗、无汗以及脱皮，包括长时间接触水，短期、长期的摩擦等个人行为均可对汗孔的细节特征造成直接影响。

同样，乳突纹线的宽窄、凹陷、中断与连接等局部形态特征也会因上述情况的存在和变化而变化。

2.2 研究设定条件的影响

为保证研究的规范与科学性，很多学者对捺印或者汗潜指纹的研究方法与条件作了设定，如按捺压力、垂直与三面接触滚转按压、承受客体、显现方法与技术等条件，以获知不同条件下指纹细节特征的变化规律。

研究表明，不同的按捺压力直接影响着指纹细点线的出现与否、连续与中断、宽窄等形态特征[11]；按捺压力的大小直接决定着汗孔的大小和是否显现，也直接决定着乳突纹线是否变形等细节特征[12]；不同的承受客体、按捺压力、捺印方式、油墨量、磁性粉都会对指纹微观细节特征产生不同程度的影响，直接影响汗孔的大小、“开放”与“闭合”状态以及纹线的宽窄[13]。

2.3 现场复杂情况的影响

指纹三级特征研究的目的是应用，主要根据现场留存指纹痕迹的形态特征来比对认定嫌疑人。实际案件现场中，除嫌疑人自身生理、病理等生物因素外，还有环境因素、嫌疑人手上的污渍、油脂，以及现场千差万别的承受客体、手指作用于客体的压力及作用方式等情况都会对现场指纹痕迹产生直接影响，不但决定着指纹一、二级特征的留存质量，对指纹三级特征的留存质量以及能否留存影响更大。

3 指纹三级特征的实用性价值

3.1 指纹三级特征稳定性不足，检验鉴定中不确定性因素大

依据前述组织学分析，结合学界研究进展，指纹三级特征稳定性存在天然不足，稳定系数较低[13]，加之基础研究不够深入，特别是对这些细节特征自身的变化规律、不同个体间细节特征的差别情况了解不够，仅以表面的细节特征作为主要检验鉴定依据存在较大的不确定性。

3.2 指纹三级特征仅可作为指纹一级、二级特征认定同一的辅助特征

同指纹三级微观细节特征相比较，指纹一级、二级等宏观细节特征的稳定性相对较好，目前的指纹检验鉴定仍需以一级特别是二级特征为主要依据。在没有发现重大规律和取得重大的研究进展之前，指纹三级特征仅可作为辅助的认定技术，而且最好是在一级、二级特征基本认定同一的情况下，作为进一步认定同一的辅助手段；或者在二级特征不足的情况下，作为重要的辅助特征帮助鉴定[14]。毕竟，失去整体特征，局部细节特征将成为无源之水、无本之木。

3.3 目前技术条件下，指纹三级特征在实际案件中的应用价值有待提高

实践中，虽有成功利用乳突纹线、汗孔细节特征对指印进行同一认定的案例，但以现有的研究基础和技术条件，因指纹三级特征的稳定性不够好，特别是案件现场影响因素多，且现实中无法控制，使现场指纹的留存质量相对较差，并对指纹三级特征产生更为显著的影响；加之常常残缺不全[2]，从现场提取的指纹也易发生污损、扭曲，纹线与汗孔的细节特征认定条件差，鉴定比对误差较大[15]，目前实际应用价值有待提高。因此，只有在指纹一级、二级特征基本认定同一的情况下，也就是整体一致的情况下，指纹三级局部细节特征方可作为进一步认定同一的依据。

4 建议与思考

4.1 指纹三级特征自身的生物学变化规律研究亟需加强

指纹的组织细胞学基础是指纹三级特征自身的生物学变化规律的研究基础，尽管学界做了大量研究，无论是直接观察还是捺印观察，但都局限于当时一瞬，缺乏在生物学层面对同一特征在表皮新陈代谢周期内的连续性观察研究，而这一研究恰恰是指纹三级特征的研究基础。特别是在表皮更替周期内，表皮新陈代谢和汗腺导管的螺旋走行等生物本身因素对指纹三级特征的影响，无论在医学还是刑事技术领域，研究如同空白。

4.2 指纹三级特征研究中，图像放大倍数不宜过大

如前所述，指纹研究属于表观形态学研究，在注重微观研究的同时不能忽视同总体上的联系。目前研究中，扫描仪的分辨率大多设定在1 000 dpi以上，光学显微镜的图像放大倍数基本在百余倍，如果图像或样本放大倍数过高，就会对指纹微观细节特征的整体把握造成影响，给检验鉴定与比对带来困难。试想，当视野下看到的全是细胞时，我们对指纹的微观细节特征将如何把握？当然可以称之为指纹的组织细胞特征或者第四级特征，但那将是另一个层面的研究了。

4.3 指纹技术和人工智能的结合是指纹三级特征应用研究的突破所在

指纹三级特征的影响因素，主要涉及人体自身生物因素、研究中人为设定条件以及案发现场纷繁复杂的现实情况等3个方面，实践中的核心影响因素是现场条件。3个方面中，每一个方面的变量因素又会很多，继而导致整体的影响因素复杂多样，即变量太多且难以控制，因此要取得稳定的、适用全体的研究成果会困难重重。尽管困难重重，但随着指纹技术和人工智能的不断发展，二者的有机结合一定是今后指纹三级特征应用研究的突破所在。

总之，指纹研究属于表观形态学研究，指纹的三级微观细节特征，本身就天然地具有不断变化、大体稳定的特点，随着观察时样本放大倍数的提高，不稳定性愈加明显，研究中必须注重微观细节特征与整体的联系。加之案件现场环境条件、手指作用方式的复杂多样，使得指纹留存质量大多较差，三级特征能否留存、传递的信息是否正确难以把握。因此，在目前技术条件和研究基础上，指纹三级特征的实用性价值有待进一步提高，目前仅可作为在指纹一级、二级特征基础上进一步认定同一的辅助手段。当然，随着基础研究的不断深入，对相关变化规律和应用条件的了解把握，以及指纹痕迹的发现、显现、提取技术的不断提高，特别是人工智能的不断发展，指纹三级特征一定会在指纹的检验鉴定中发挥越来越重要的作用。