手指表皮汗孔大小分布特性研究

马暄然, 赵雅彬, 罗 彪, 于晓涵, 樊星宇, 罗亚平

(中国人民公安大学侦查学院, 北京 100038)

0 引言

近年来,随着科学技术的进步与发展,指纹技术也得到了不断的突破,曾经受技术所限少有研究的指纹三级特征正逐步受到国内外指纹专家、学者的关注。 指纹三级特征主要是指乳突纹线上的微观形态特征,比指纹的二级特征更难以被反映和被人认知,更鲜少运用于指印的鉴定中,且因其过于微观、受客观因素影响较大而导致特征体现的不稳定性,使得利用其进行指印鉴定的可靠性受到质疑[1]。对此,FBI 实验室研究得出,虽然指纹三级特征具有终身基本不变的特点,但是其形态会受成痕压力、提取方法及图像质量所影响[2]。 因此, 成痕压力所造成的变形,可能导致现场指纹和样本指纹中不相似的三级特征并非由于本质性差异所致。 Ratha 等对手指的弹性形变做了研究,他们认为从手指的三维实体到指纹的二维图像会引发变形,并提出了不同的算法来克服这一难题。 比较好的做法是利用显微图片观察和测量三级特征的形态[3-5]。

在指纹三级特征中,目前应用相对较多的为汗孔特征。 由于汗孔即具有相对稳定性也具有一定的变化性,因而在鉴定实践中会受到一定条件的制约,但这并不能否定它在指纹鉴定中特别是疑难指纹鉴定中的重要价值,只要正确认识把握汗孔的自身特性和应用条件,它必将在指纹鉴定中发挥出越来越大的作用[6]。

汗孔是汗腺排泄汗液的出口,不规则地分布在乳突纹线上。 汗孔与乳突纹线一样,随着皮肤的产生而形成,并随着年龄的增大成比例放大直至成人,相互关系相对稳定[7]。 研究表明,汗孔的直径一般为50 ～250 μm,每毫米的乳突线上有3 ～5 个汗孔,汗孔的位置、排列、形状、大小等核心特征都有其特殊性[8]。 一般情况下,皮肤粗糙的人汗孔相对较大,皮肤细腻的人汗孔较小。

汗孔特征的根本来源是真皮层乳头的生长差异,且因汗孔在承痕客体上的遗留形态易受外界因素的影响,因此通过显微图片对手指上汗孔自身特性的相关研究就显得尤为重要。 而当下汗孔的相关研究主要集中在对其印痕的研究。 焦彩洋等人通过观察不同类型的指纹,对汗孔的特征及汗孔与乳突纹线间的关系特征进行分析与总结[9]。 梁娜、王有民等人对表皮更替时间内手印汗孔大小及位置的变化规律与稳定性进行了研究[10-11]。 Krzysztof M.Kryszczuk 等人研究了二级特征和汗孔在残缺指纹匹配中的相关应用,得出在一定条件下,相比于二级特征能够对大面积的残缺指纹进行鉴定,三级特征也具有对小面积的残缺指纹进行检验鉴定的能力[12]。 为明晰手指上汗孔自身的大小在不同指位、区域、个体的生物学分布特点,有必要通过高倍率数码显微镜对手指上的汗孔进行直接观察、测量和分析,探究手指上汗孔的大小分布规律,为指纹三级特征在实战中的应用提供基础理论支持。

本文利用高倍率数码显微镜结合ImageView 软件对20 名样本人员不同指位、区域的汗孔进行拍摄测量并结合数理统计方法对其分析,目的在于探讨不同区域、不同指位、不同个体之间的汗孔大小是否具有显著差异,其分布离散性如何,进而对汗孔特征在生物学领域的研究进行理论补充,并挖掘其实际应用价值。

1 实验方法

1.1 实验设备

三锵泰达数码显微镜( TD-108P, XFCAM1080PHD+AMAXXX)。

测量软件: ImageView ( x64, 4. 10. 17524.20200729)。

1.2 实验样本

选取年龄在18 ～21 岁青年共20 人作为样本人员,要求手指无外伤、汗孔轮廓清晰、皮肤饱满,分别编号为1 ～20 号。

将样本人员的10 根手指第一指节乳突花纹分为内部区、外围区、根基区,在每名样本人员每根手指的每个区域内选取30 个轮廓清晰、无异物分布的汗孔作为样本汗孔,在20 倍高倍率数码显微镜下结合ImageView 软件拍摄、标记特定区域内的汗孔形态,测量待测汗孔的面积大小,如图1 所示。

图1 3 号样本人员左手食指内部区汗孔测量示意图(左:Y3-L2-i 区域图;右:使用ImageView 软件“多边形测量”功能测量所选汗孔面积为10 054.80 μm2)

1.3 实验条件

在2021 年11 月10 日～12 月10 日期间,选取标准指纹实验室一间,每次实验前提前将室内温度调整至(20 ±2)℃,控制室内湿度至(40 ±5)%RH,保持实验条件的恒定,保证实验环境的统一性。

1.4 样本采集与测量

1.4.1 采集手指汗孔样本

固定下午15 ～21 时为收集样本时间,提前半小时调整室内温度、湿度至实验所需条件。 在Image-View 软件中使用比例尺对数码显微镜20 倍的放大倍率进行定标。 将样本人员的手指用清水清洗并自然晾干,在手指适应室内温度后使用超景深数码显微镜20 倍的放大倍率对特定区域内的汗孔进行观察,在汗孔处于非排汗状态时分别对10 根手指的内部区、外围区、根基区的汗孔进行拍照固定。 共采集到18 000 个汗孔样本,其中各个手指分别采集到1 800 个汗孔样本,各个区域分别采集到6 000 个汗孔样本,每名志愿者采集到900 个汗孔样本。 对样本人员分别编号为Y1-Y20,对左手拇指至小指分别编号为L1-L5,右手拇指至小指分别编号为R1-R5,对内部区编号为i,外围区编号为e,根基区编号为r,即1 号样本左手拇指内部区的汗孔样本照片编号为Y1-L1-i。

1.4.2 确定手指汗孔大小测量方法

使用ImageView 软件打开拍摄的汗孔照片,利用软件的“多边形测量”功能,在照片中标记、测量、记录收集到的600 张手指区域照片中的共18 000个手指汗孔样本的面积,在数码显微镜下,手指汗孔形状均显示为类圆形。 为降低测量时测量人员主观因素的误差影响,在测量时由3 名测量人员使用ImageView 软件分别对同一汗孔样本的面积进行测量,随后取其平均值进行统计分析。

根据测量数据,对位于不同区域、不同指位、不同个体的汗孔面积数据进行汇总梳理,根据数据分布类型,采用非参数检验对不同个体、不同指位、不同区域的组间差异进行统计检验,以p＜0.01 为具有统计学意义,判断汗孔面积大小对于不同个体、不同指位、不同区域是否呈现显著性差异,并结合变异系数对不同个体、不同指位、不同区域汗孔大小分布的离散性进行计算分析。

2 结果与讨论

2.1 手指汗孔大小分布规律

早期有学者在相关研究中提出,直径在50 ～100 μm 的汗孔为小孔型汗孔,直径在100 ～200 μm的汗孔为中孔型汗孔,直径在200 ～250 μm 的汗孔为大孔型汗孔,直径低于50 μm 的汗孔被认为可能由于手印捺印时油墨过多而导致的偶然情况[9]。按照此分类方法,在本实验的18 000 个汗孔样本中,13 878 个汗孔属于小孔型汗孔, 占比为77.10%;1 394 个为中孔型汗孔,占比为7.74%;未出现大孔型汗孔,占比为0%;而直径小于50 μm 的汗孔,在本次实验中有2 728 个,占比为15.15%。近期梁娜等人在相关研究中也对手印中的汗孔大小类型占比进行了统计,在其实验的300 个样本中,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%,直径低于50 μm 的汗孔占比26.3%[10]。 对上述实验结果相比较发现,虽然不同实验的研究方法及样本略有差异,但相关横跨研究对于汗孔大小分型的研究结果有待进一步商榷。

2.2 手指汗孔大小分布差异性分析

2.2.1 手指汗孔大小与所在区域的关系

为了验证在手指内部区、外围区、根基区的汗孔大小是否会因所在区域的不同而产生差异,将所测汗孔样本分为内部区、外围区、根基区共3 组数据。经计算检验,由于数据不符合正态分布,数据方差不齐,使用Kruskal-Wallis 检验统计量进行分析。Kruskal-Wallis 检验被称为克鲁斯卡尔-沃利斯单因素秩方差分析(Kruskal-Wallis one-way analysis of variance by ranks),是一种秩检验,用于多个连续型独立样本的比较,该检验方法仅要求顺序(排序)测量尺度数据的非参数检验,不需要对总体分布形态做任何假定。 通过检验表明汗孔所在区域对于汗孔大小呈现出0.01 水平显著性,即p值小于0.01(见表1),分析显示:不同区域的样本对于汗孔大小均呈现出显著性差异。

表1 不同区域汗孔面积非参数检验分析结果

结合上述结论,通过对不同区域汗孔面积整体分布情况进行比较发现,各个手指均表现出位于根基区域的汗孔整体较内部区域和外围区域偏大的特点,其中拇指中位于内部区与外围区的汗孔面积整体相近,食指、中指、环指中位于内部区的汗孔整体较外围区的汗孔偏小,小指中位于内部区的汗孔整体较外围区的汗孔偏大(见图2)。

图2 不同区域汗孔面积大小分布箱型图

2.2.2 手指汗孔大小与所在指位的关系

为了验证拇指至小指的汗孔大小是否会因所在指位的不同而产生差异,将测量数据分为左手拇指至小指、右手拇指至小指共10 组数据。 经计算检验,由于数据不符合正态分布,数据方差不齐,使用Kruskal-Wallis 检验统计量进行分析。 通过检验表明汗孔所在指位对于汗孔大小呈现出0.01 水平显著性,即p值小于0.01(表2),分析显示:不同指位的样本对于汗孔大小均呈现出显著性差异。

表2 不同指位汗孔面积非参数检验分析结果

结合上述结论,通过对左右手不同指位汗孔面积整体分布情况进行比较发现,各个区域均表现出位于拇指的汗孔整体较其他指位汗孔偏大的特点,其中内部区中位于中指的汗孔整体较其他指位的汗孔偏小,外围区中位于小指的汗孔整体较其他指位的汗孔偏小,根基区中食指、中指、环指、小指的汗孔面积整体相近(见图3)。

图3 不同指位汗孔面积大小分布箱型图

2.2.3 不同个体之间汗孔大小的差异分析

为了验证不同个体之间的汗孔大小是否会有显著性差异,将测量数据按10 根手指、3 个区域总共分为30 个分区,在每个分区内将所测汗孔样本按20 名样本人员分为20 组数据。 经计算检验,由于数据不符合正态分布,数据方差不齐,使用Kruskal-Wallis 检验统计量进行分析。 检验表明在各分区内的20 组数据中各组汗孔所在个体对于汗孔大小均呈现出0.01 水平显著性,即p值均小于0.01(见表3),分析显示:不同个体之间汗孔大小呈现出显著性差异。

表3 不同个体汗孔面积非参数检验分析结果

2.3 手指汗孔大小分布离散性分析

2.3.1 不同区域、不同指位汗孔面积分布离散性分析

为了验证不同区域、不同指位的汗孔面积数据分布是否稳定,对不同区域、不同指位的汗孔面积数据进行变异系数的计算(见表4)。 在概率论和统计学中,变异系数,又称“离散系数”,是衡量数据中各观测值变异程度的一个统计量,可以反映单位均值上的离散程度,常用在总体均值不等的离散程度的比较上。 实验中,变异系数越小,手指汗孔面积数据分布越稳定;变异系数越大,手指汗孔面积数据分布越不稳定。 变异系数在不同领域对结果的评判标准并不相同,通常情况下变异系数小于15%说明数据稳定。 变异系数的计算公式为:变异系数(CV) =标准差(SD)/平均值(Mean) ×100%。

表4 不同区域、不同指位汗孔面积变异系数

从表中可以看出,各区域、各指位的汗孔面积变异系数均超过15%,说明各区域、各指位内部的汗孔面积离散性较大,汗孔大小分布不稳定。 对各区域进行比较发现,拇指内部区与拇指外围区的汗孔面积变异系数均超过了60%,相对其他区域离散程度略大,汗孔大小分布更加不稳定;小指根基区的汗孔面积变异系数为51%,相对其他区域离散程度略小,汗孔大小分布相比更加稳定;其余区域的汗孔面积变异系数均在53% ～58%以内,其离散程度相近。 整体来看,3 个区域之间及5 个指位之间的汗孔面积总变异系数相差较小,离散程度相近,其中根基区的汗孔面积总变异系数略低于其他手指区域,汗孔大小分布离散性相对更小,拇指的汗孔面积总变异系数略高于其他指位,汗孔大小分布离散性相对更大;进而对汗孔面积变异系数在不同区域、不同指位之间的差异性进行检验。

将计算得出的汗孔面积变异系数分为内部区、外围区、根基区3 组区域数据。 经计算数据方差齐,且与正态分布基本一致,对其进行单因素方差分析检验。 为了研究“区域”这一因素对汗孔面积变异系数的影响,即“区域”的不同水平是否对汗孔面积变异系数产生了显著影响,因此使用单因素方差分析对其进行检验。 由方差分析结果可得p值为0.055,大于0.05 (见表5),说明汗孔面积离散程度对于不同区域的样本无显著性差异。

表5 不同区域汗孔面积变异系数单因素方差分析检验结果

将计算得出的汗孔面积变异系数分为左手拇指至小指、右手拇指至小指10 组指位数据。 经计算检验,数据基本符合正态分布,方差齐,为了研究“指位”这一因素对汗孔面积变异系数的影响,即“指位”的不同水平是否对汗孔面积变异系数产生了显著影响,因此使用单因素方差分析对其进行检验。由方差分析结果可得p值为0.754,大于0.05(见表6),说明汗孔面积离散程度对于不同指位的样本无显著性差异。

表6 不同指位汗孔面积变异系数单因素方差分析检验结果

2.3.2 不同个体汗孔面积分布离散性分析

为了验证不同个体的汗孔大小分布是否稳定,对不同个体的汗孔面积数据进行变异系数的计算(见表7)。

由表7 可知,不同个体在各区域、各指位的汗孔面积变异系数均超过15%,说明不同个体在各区域、各指位的汗孔面积离散性较大,汗孔大小分布不稳定。 对不同个体汗孔面积变异系数进行比较发现,人与人之间的个体总变异系数相差较大,其中12 号样本的变异系数最大达到71%,而19 号样本的变异系数最低仅为31%,大多数样本的个体总变异系数处于36% ～50%之间。 对于同一个体中不同区域的变异系数来说,各区域之间的变异系数相差较小,均处于15%的相差范围内,大多数样本的3个区域变异系数相差在10%以内,可以看出同一个体不同区域的离散程度总体相差较小,稳定性相近;对于同一个体中不同指位的变异系数来说,各指位之间的变异系数相差幅度因人而异,多则相差40%以上(12 号样本),少则相差5%以内(5 号样本),但多数样本的5 个手指变异系数相差在15%以内。进而对汗孔面积变异系数在不同个体之间的差异性进行检验。

表7 不同个体汗孔面积变异系数

将计算得出的汗孔面积变异系数按不同个体分为1 号样本至20 号样本共20 组数据。 经计算检验,由于数据与正态分布基本一致,但数据方差不齐,即对其进行Kruskal-Wallis 检验统计量分析。 检验表明20 组数据中各组汗孔所在个体对于汗孔面积变异系数均呈现出0.01 水平显著性,即p值小于0.01(见表8),分析显示:个体与个体之间汗孔面积变异系数呈现出显著性差异,即不同个体之间汗孔面积分布离散性具有显著性差异。

表8 不同个体汗孔面积变异系数非参数检验分析结果

3 结论

本研究数据表明,男性手指表皮上同一指位不同区域之间的汗孔大小有显著性差异,其中位于根基区的汗孔面积整体大于内部区域和外围区域;同一区域不同指位之间的汗孔大小有显著性差异,其中位于拇指的汗孔面积整体大于其余四指;同一指位同一区域不同个体之间的汗孔大小存在显著性差异。 各区域、各指位、各个体的汗孔面积离散性较大,在不同区域之间及不同指位之间的汗孔面积总变异系数相差较小,离散程度相近,不同区域之间、不同指位之间汗孔面积分布离散性均无显著性差异;在不同个体之间汗孔面积总变异系数相差较大,在同一个体内的不同区域之间汗孔面积变异系数相差较小,离散程度相近,不同指位之间汗孔面积变异系数相差幅度因人而异,不同个体之间汗孔面积分布离散性具有显著性差异。

将本研究成果与公安实际工作相结合,当案件现场出现较多残缺指纹以及指纹二级特征数量较少不足以进行指纹认定工作时,可从残缺指纹汗孔大小的角度进行辅助分析,利用汗孔面积在不同区域、指位、个体之间的差异性规律与离散性规律,进而判断此残缺指纹在手指上的大致位置以及不同的残缺指纹是否可能属于同一个体,并对遗留者的个人生理特点进行溯源分析,将对指纹鉴定、现场重建等相关工作起到重要的辅助分析作用。

4 结语

尽管在研究期间已尽力提高实验数据的精确度,减少因实验条件等非本质性因素所造成的实验误差,但实验仍具有一定的局限性。 第一,实验中为了便于在显微镜下观测到皮肤饱满、汗孔轮廓清晰的样本,选取的捺印人员年龄段窄,为避免性别变量对实验结果的影响,仅选择了18 ～21 岁的男性青年进行研究;第二,本次实验选取了20 名男性的18 000 个汗孔样本进行观测,虽选取的汗孔样本量较大,但志愿者人数较少;第三,为了真实客观地对手指表皮上的汗孔进行观察测量,实验选取显微镜拍摄法直接对手指上的汗孔样本进行采集,此方法在对手印进行的相关研究与应用中不同于试剂显现、油墨捺印等方法,各类方法对于汗孔真实面积的测量具有多大影响,对于汗孔特征在实际比对检验鉴定工作中具有多大的应用价值,今后的研究还需进一步验证。 因此,年龄、性别等因素的不同是否会影响汗孔大小的分布规律;当样本人数增多时,汗孔大小的分布规律是否与本次实验结果相符;手指汗孔真实大小与实际司法鉴定工作中使用显现方法捺印后的手印汗孔大小具有多大差异,都需要通过进一步的研究证实。 结合前期对汗孔大小分型的相关研究,对其分型结论还需进一步商讨。