指纹三级特征中汗孔位置的生物学变化规律研究
[王有民
, 曹吉明, 梁娜, 柳菁莹, 解晓慧, 李彦霖]
, 曹吉明, 梁娜, 柳菁莹, 解晓慧, 李彦霖]
引用本文
王有民, 曹吉明, 梁娜, 柳菁莹, 解晓慧, 李彦霖. 指纹三级特征中汗孔位置的生物学变化规律研究[J].刑事技术, 2020,45(5):480-485
WANG Youmin, CAO Jiming, LIANG Na, LIU Jingying, XIE Xiaohui, LI Yanlin. Biological Predisposition of Sweat Pore Location in Third Level Characteristics of Fingerprints[J]. Forensic Science and Technology,2020,45(5): 480-485
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2020.05.008
WANG Youmin, CAO Jiming, LIANG Na, LIU Jingying, XIE Xiaohui, LI Yanlin. Biological Predisposition of Sweat Pore Location in Third Level Characteristics of Fingerprints[J]. Forensic Science and Technology,2020,45(5): 480-485
Permissions
Copyright©2020, 《刑事技术》编辑部
《刑事技术》编辑部
指纹三级特征中汗孔位置的生物学变化规律研究
第一作者简介：王有民,男,陕西渭南人,硕士,教授,研究方向为刑事技术、法医学检验。E-mail: wym266@sina.com
摘要
目的 研究指纹三级特征中指腹皮肤的新陈代谢对汗孔位置的影响,特别是表皮更替时间内汗孔位置的生物学变化规律。方法 选取18~22岁之间男女青年各10人,在表皮更替时间内,通过连续1个月、每两天1次的直接显微拍照、油墨捺印两种方法,在显微镜下观察测量同一个汗孔在乳突纹线上的纵向和横向位置变动情况,据此研究分析其变化规律。结果 直接显微拍照观察与油墨捺印观察两种方法,标记汗孔在所处乳突纹线纵、横两个方向均有不同程度的位置变化。20名实验样本中,男性标记汗孔纵向、横向最大位移分别为166.46μm和61.00μm;女性标记汗孔纵向、横向最大位移分别为73.08μm和45.88μm。结论 表皮更替时间内,手指指腹乳突纹线上的汗孔在纵、横两个方向均有位置变化,其纵向位置位移值显著大于横向,男性纵、横两个方向的位移值显著大于女性;该变化轨迹范围近似椭圆形,椭圆的长轴与乳突纹线方向一致,短轴与乳突纹线垂直,轴长分别为（119.77±46.69）μm和（53.44±7.56）μm。
关键词:
指纹学; 指纹; 三级特征; 汗孔; 位置; 规律
中图分类号:DF794.1
文献标志码:A
文章编号:1008-3650(2020)05-0480-06
Biological Predisposition of Sweat Pore Location in Third Level Characteristics of Fingerprints
Abstract
Objective To explore the influence of metabolizing skin of finger pulp on the location of sweat pore in the third level characteristics of fingerprints, with the focus to place on the biological predisposition within the period of epidermal replacement.Methods Male and female subjects, each 10 of aging from 18 to 22, were selected to observe their epidermal replacement for one continuous month, with one time every two days to note the observations from direct microscopic photography and finger-inked stamping. The same sweat pore was looked into its changing on the longitudinal and transverse directions at the mastoid ridge. Statistical analysis was carried out into the observed data to unveil the biological predisposition about the location changing of sweat pore.Results From either the direct microscopic photography or finger-inked stamping, the location of observed sweat pore was revealed of changing with some extent on both the longitudinal and transverse directions at the mastoid ridge. For the 20 subjects, the male showed maximum longitudinal and transverse displacements of the observed sweat pores were respective 166.46 and 61.00 microns while those of the female were 73.08 and 45.88 microns.Conclusions During the period of epidermal replacement, the sweat pores change their locations on both the longitudinal and transverse directions at the mastoid ridge of finger pulp, with the longitudinal displacement showing significantly larger than that of transverse direction. Male's displacements, in both the longitudinal and transverse directions, are remarkably larger than the female's. The location-changing track approximates an ellipse whose long axis (of length about 119.77±46.69 microns) follows along the direction of the mastoid ridge to which the ellipse's short axis (of length about 53.44±7.56 microns) is vertical.
Key words:
dactylography; fingerprint; the third level characteristics; sweat pore; location; rules
指纹三级特征中汗孔的位置、形态、大小与分布等特征直接影响着研究与鉴定工作, 其中汗孔的位置特征影响尤为显著。研究表明, 指纹乳突纹线上的汗孔为人体小汗腺在表皮上的漏斗状开口, 孔径微小, 单维度汗孔孔径只有60~220 μ m, 且每一个汗孔的形态、大小各异[1], 因此理论上讲, 汗孔指纹三级特征在指纹鉴定实践中具有较高的应用价值。同时, 也有研究表明, 由于汗腺导管在表皮内呈螺旋走行[2, 3, 4], 随着皮肤新陈代谢的进行, 表皮细胞层不断更替上移脱落, 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[5]。因此, 有必要对指纹乳突纹线上随着表皮的更替同一汗孔位置的生物学变化规律进行研究, 进一步明确汗孔位置的变化范围与轨迹, 为汗孔指纹三级特征的研究与鉴定实践提供基础理论支持。
1 材料与方法
1.1 实验设备与材料
数码显微镜（KEYENCE VHX-S650E）、ZHY-V高分子指纹采集专用印台及配套油墨、实验室便携精准电子秤（量程：0~3 kg, 精度：1 g）、十指指纹卡、美国柯达Kodak高光面照片纸、硫酸纸、SLIDES显微镜专用载玻片等。
1.2 实验样本
选择年龄在18~22岁之间、身体健康、手指皮肤指纹完好, 无脱皮、皲裂、外伤等物理损伤或皮肤病的健康在校学生20人（其中男、女各10人, 分别标记为：男1号、男2号……男10号; 女1号、女2号……女10号）作为实验对象, 同时以犯罪现场常见的食指末节的指腹指纹确定为每位实验对象的具体观测、采集目标（表1）。为保证实验样本的自然状态, 确保观测数据的准确性、完整性和代表性, 要求20位实验对象在一个表皮更替时间内（约30 d）的采样过程中保持正常生活, 尽可能保持手指皮肤完好, 防止出现过度摩擦或损伤等问题, 确保样本状态处于正常的自然生活状态。
 | 表1 20名实验对象基本信息统计表 Table 1 Basic information of the 20 subjects |
1.3 实验方法
1.3.1 实验周期
根据皮肤新陈代谢的周期性特点, 特别是表皮细胞层在表皮更替时间（约28 d）[4]内的周期性代谢特点, 结合汗腺导管在表皮内的螺旋走行特征, 对20名实验对象所确定的观测手指, 自2018年11月12日至2018年12月11日, 通过连续1个月、每两天1次的先直接显微拍照、后油墨捺印两种方法, 在数码显微镜下观察测量同一标记汗孔的位置在乳突纹线上的纵向、横向变动情况, 据此研究分析指纹汗孔位置的生物学变化规律。
1.3.2 确定标记汗孔
为保证研究质量与效果, 前期对20名实验对象的十指指纹进行筛选, 选择指纹纹线和汗孔清晰、油墨捺印汗孔观察效果佳的手指指纹作为固定采集样本, 同时选择位置清楚、易于标记、方便测量的汗孔作为待测标记汗孔, 该标记汗孔是本研究实验观察、测量与分析的主要对象。
1.3.3 数码显微镜直接拍照采集指纹汗孔样本
一个月内, 利用数码显微镜（放大50倍）直接拍照固定指纹汗孔, 每两日拍照采样1次, 每次采样时间固定选择当日14:00~17:00, 20位实验对象每人采集拍照指纹样本15份, 共300份样本照片, 男女分别编号。其中, 10名男生各自的15份样本分别标记为（M1-1、M1-2……M1-15）（M2-1、M2-2……M2-15）……（M10-1、M10-2……M10-15）; 10名女生各自的15份样本分别标记为（F1-1、F1-2……F1-15）（F2-1、F2-2……F2-15）……（F10-1、F10-2……F10-15）。为获取清晰的汗孔指纹照片, 拍照前用医用酒精脱脂棉球对表1选定的固定采集手指进行清污与脱脂处理。
1.3.4 油墨捺印采集指纹汗孔样本
实验期间, 在数码显微镜直接拍照之后, 利用油墨捺印指纹的方法, 20位实验对象每人每两日采集1次指纹样本, 每次采样时间同样为当日14:00~17:00, 蘸取油墨时选择40~60 g的蘸取压力, 捺印指纹时选择120~160 g的按捺压力, 捺印方法选择较为简单且容易控制的平面捺印法; 对于捺印纸张, 经前期预实验, 普通十指指纹卡、美国柯达Kodak高光面照片纸和硫酸纸三种客体材料中, 选择在数码显微镜（KEYENCE VHX-S650E）下拍照固定效果最佳的高光面照片纸。实验中, 每人采集捺印指纹样本15份, 共300份样本, 男女分别编号。其中, 10名男生各自的15份样本分别标记为（m1-1、m1-2……m1-15）（m2-1、m2-2……m2-15）……（m10-1、m10-2……m10-15）; 10名女生各自的15份样本分别标记为（f1-1、f1-2……f1-15）（f2-1、f2-2……f2-15）……（f10-1、f10-2……f10-15）。所有样本均在数码显微镜下放大50倍拍照固定。
1.4 实验条件
1.4.1 温度与湿度
选取标准指纹实验室一间, 在采集指纹样本开始前30 min, 将室内温度调整至（23± 2）℃, 相对湿度控制在（50± 5）%Rh状态下, 保证样本采集环境温度与湿度条件的统一, 为实验的客观性、可重复性提供环境支持。
1.4.2 油墨与蘸取压力
为控制油墨蘸取量对捺印指纹汗孔的形态表现的影响, 实验过程中一是选择相同油墨量的高分子油墨捺印盒, 二是控制样本手指蘸取油墨的力度, 确保均匀蘸取油墨。前期预实验表明, 捺印油墨蘸取量适宜、均匀, 且汗孔表现最佳的手指蘸取油墨力度为40~60 g（把油墨盒固定在电子秤上调零后, 手指在油墨盒均匀蘸取油墨时电子秤所显示的压力克数）, 男性比女性平均压力略增5~10 g效果更好。
1.4.3 按捺压力
捺印过程中, 由于按捺压力在指纹汗孔形态特征的反映中具有关键性作用, 科学控制按捺压力成为保证油墨捺印指纹汗孔清晰度的基础保障。经前期预实验, 按捺压力重量级为120~160 g时（把捺印纸固定在电子秤上调零后, 手指捺印纸张时电子秤所显示的压力克数）, 捺印样本汗孔的反映效果最佳, 男性比女性的平均压力略增10~20 g效果更好。
1.5 数据测量
1.5.1 确定测量方法
在数码显微镜下找出每份实验样本的待测标记汗孔, 利用数码显微镜的“ 测量· 标尺” 功能, 对采集到的600份指纹样本的待测标记汗孔进行基础的标记、测量、统计与分析。通过测量待测标记汗孔在纵向（与乳突纹线方向平行）和横向（与乳突纹线方向垂直）两个相互垂直方向上的参数变化情况, 从而确定该标记汗孔在乳突纹线上有无位置变化。测量前, 先在每个指纹样本中选取待测标记汗孔附近的细节特征点作为纵向参照点, 选取待测标记汗孔所在乳突纹线两侧相邻的小犁沟的中心线作为横向参照线, 通过测量汗孔中心点与纵向参照点和横向参照线的距离参数变化, 综合判断标记汗孔在表皮更替时间内的位置变化情况（图1）。
 | 图1 测量示意图（左：参照线与参照点; 右：测量参数）Fig.1 Schematic for the reference lines and points (left) and measurement |
1.5.2 确定测量参数
为准确反映标记汗孔在乳突纹线上的位置变化情况, 方便分析位置变化轨迹范围, 对直接显微拍照、油墨捺印两种方法所采集到的600份样本照片中的标记汗孔, 主要进行四个方面的参数测量：1）经过标记汗孔所在位置的乳突纹线两侧相邻小犁沟中心线之间的距离（以下标记为L）; 2）标记汗孔至其中一侧相邻小犁沟中心线之间的距离（以下标记为L1）; 3）标记汗孔至另一侧相邻小犁沟中心线之间的距离（以下标记为L2）; 4）标记汗孔至附近特定细节特征点之间的纵向距离（以下标记为H）。其中参数L为横向距离且L=L1+L2, 主要考察标记汗孔在乳突纹线上的横向位置变化; H为纵向距离, 主要考察标记汗孔在乳突纹线上的纵向位置变化（图1）。
1.5.3 确定汗孔基准测量点
研究过程中, 对于直接显微拍照、油墨捺印两种方法所采集到样本指纹照片, 测量前述相关参数前先需明确标记汗孔基准测量点的具体位置, 由于汗孔的孔径为60~220 μ m, 有一定大小和形态, 科学确定标记汗孔基准测量点成为数据测量结果精确的关键因素之一。在保证数据精准、方法统一的基础上, 对两种方法所采集到的样本, 采取不同的汗孔基准测量点确定方法：1）直接显微拍照样本：将汗孔刚刚开始分泌汗液时的出汗点作为汗孔基准测量点; 2）油墨捺印样本：将汗孔形态的几何中心点作为汗孔基准测量点。
2 结果与讨论
2.1 测量结果
经比较, 直接显微拍照法样本因乳突纹线与小犁沟之间边界区分不明显, 使得横向参照线的确定难度增大, 而作为汗孔基准测量点的出汗点不一定是油墨捺印法中汗孔形态的几何中心点, 也就不一定是犯罪现场所留指纹中汗孔形态的几何中心点, 因此, 以下样本数据结果分析中, 直接显微拍照样本测量数据仅作参照, 分析研究均以油墨捺印测量数据为依据。
2.1.1 男性样本测量结果
横向位移：经测量, 10名男性样本的指纹样本中, 标记汗孔在所处乳突纹线上横向位移最大者为男4号, 其中油墨捺印法测得的m4-9与m4-11的横向位移值最大, 最大位移值为61.00 μ m, 此时的纵向位移值为55.30 μ m, 但所对应的直接显微拍照观察法所测得的数据M4-9与M4-11却非最大横向位移, 原因有二：一是直接显微拍照中, 横向参照线因乳突纹线与小犁沟之间边界区分不明显使参照线的确定难度加大, 误差概率增大; 二是作为直接显微拍照法中汗孔基准测量点的出汗点不一定就是油墨捺印法中汗孔形态的几何中心点, 容易导致不同（补充材料表S1、图2）。
| 表S1 男4号表皮更替时间内样本测量数据统计表 Table S1 Measured data within the period of epidermal replacement of No. 4 male subject |
 | 图2 汗孔测量数据图（左：m4-9; 右：m4-11）Fig.2 Sweat pore measurements (Left: m4-9; Right: m4-11) |
纵向位移：经测量, 10名男性样本的指纹样本中, 标记汗孔在所处乳突纹线上纵向位移最大者为男6号, 其中油墨捺印法测得的m6-5与m6-14的纵向位移值最大, 最大位移值为166.46 μ m, 此时的横向位移值为37.86 μ m, 但所对应的直接显微拍照观察法所测得的数据M6-5与M6-14却非最大纵向位移, 原因同前（补充材料表S2、图3）。
| 表S2 男6号表皮更替时间内样本测量数据统计表 Table S2 Measured data within the period of epidermal replacement of No. 6 male subject |
 | 图3 汗孔测量数据图（左：m6-5; 右：m6-14）Fig.3 Sweat pore measurements (Left: m6-5; Right: m6-14) |
位移轨迹范围：以男4号15次测量数据为依据, 在word文档中建立汗孔位置变化散点图, 设定x轴为横向位移轴, y轴为纵向位移轴, 以表S1中L2和H分别作为汗孔在x、y轴上的位置定位参数, 以第一次测量数据作为散点图原点, 其余14次数据根据各次横向、纵向位移值与第一次各向位移值的差值在散点图上标注汗孔位置。同时, 根据汗腺导管在表皮内螺旋走形特征, 在散点图上以任意两汗孔纵向最大垂直距离138.89 μ m为长轴, 以任意两汗孔横向最大水平距离61.00 μ m为短轴画椭圆, 该椭圆即为该汗孔在乳突纹线上的位置变动轨迹范围（图4）。
 | 图4 m4汗孔位置变化轨迹范围图Fig.4 Trajectory of the displacements relating with sweat pore m4 |
为确定所有10名男性标记汗孔的位置最大变动范围, 对10名男性所有样本的横、纵两个方向的位移进行筛选, 选取样本清晰、位置变化清楚易测的采样人5名（分别是男1号、男2号、男4号、男6号、男9号）进行数据统计分析。用Δ L代表标记汗孔在乳突纹线上横向最大位移变化值, Δ H代表标记汗孔在乳突纹线上纵向最大位移变化值。再以Δ L中的最大位移值61.00 μ m为短轴、以Δ H中的最大位移值166.46 μ m为长轴画椭圆, 该椭圆就是所有10名男性样本标记汗孔位置的变动范围和区域, 具体数据见表2。
| 表2 样本标记汗孔位移最大值统计表 Table 2 Maximal displacements of observed sweat pores |
2.1.2 女性样本测量结果
横向位移：经测量, 10名女性样本的指纹样本中, 标记汗孔在所处乳突纹线上横向位移最大者为女3号, 其中油墨捺印法测得的f3-3与f3-5的横向位移值最大, 最大位移值为45.88 μ m, 此时的纵向位移值为5.22 μ m, 但所对应的直接显微拍照观察法所测得的数据F3-3与F3-5同样也是非最大横向位移（补充材料表S3、图S1）。
| 表S3 女3号表皮更替时间内样本测量数据统计表 Table S3 Measured data within the period of epidermal replacement of No. 3 female subject |
 | 图S1 汗孔测量数据图（左：f3-3; 右：f3-5）Fig.S1 Sweat pore measurements (Left: f3-3; Right: f3-5) |
纵向位移：经测量, 10名女性样本的指纹样本中, 标记汗孔在所处乳突纹线上纵向位移最大者为女1号, 其中油墨捺印法测得的f1-1与f1-2的纵向位移值最大, 最大位移值为73.08 μ m, 此时的横向位移值为40.92 μ m, 但所对应的直接显微拍照观察法所测得的数据F1-1与F1-2同样也是非最大纵向位移值（补充材料表S4、图S2）。
| 表S4 女1号表皮更替时间内样本测量数据统计表 Table S4 Measured data within the period of epidermal replacement of No. 1 female subject |
 | 图S2 汗孔测量数据图（左：f1-1; 右：f1-2）Fig.S2 Sweat pore measurements(Left: f1-1; Right: f1-2) |
位移轨迹范围：以女3号15次测量数据为依据, 以与男4号同样的方法在word文档中建立汗孔位置变化散点图, 以表S3中L1和H分别作为汗孔在x、y轴上的位置定位参数, 根据各次横向、纵向位移情况在散点图上标注汗孔位置。同理, 在散点图上以任意两汗孔纵向最大垂直距离68.33 μ m为长轴, 以任意两汗孔横向最大水平距离45.88 μ m为短轴画椭圆, 该椭圆即为该汗孔在乳突纹线上的位置变动轨迹范围（图5）。
 | 图5 f3汗孔位移轨迹范围图Fig.5 Trajectory of the displacements relating with sweat pore f3 |
为确定所有10名女性样本标记汗孔的位置最大变动区域, 对10名女性样本的所有横、纵两个方向的位移进行筛选, 选取样本清晰, 位置变化清楚易测的采样人5名（分别是女1号、女3号、女4号、女7号、女10号）进行数据统计分析。同前处理, 以Δ L中的最大位移值45.88 μ m为短轴、以Δ H中的最大位移值73.08 μ m为长轴画椭圆, 该椭圆就是所有10名女性样本标记汗孔位置的变动范围和区域, 具体数据见表2。
2.2 影响因素
2.2.1 样本数量与范围的影响
作为一项基础研究, 取样数量的多少在一定程度上决定着研究结果的普遍适用性。研究虽然选取了男女各一定数量的样本, 研究结果也具有一定的代表性, 但相对于整个人群来说样本数量差距较大、范围依然局限, 需要在样本数量、年龄阶段、职业群体上有所突破[6, 7]。
2.2.2 捺印油墨的影响
在油墨捺印采样过程中, 虽然前期针对油墨（包括油墨盒）的选择、油墨的蘸取量以及手指捺印时的按压力等问题进行大量的预实验并做了充分的准备, 但仍无法完全消除捺印油墨对样本指纹汗孔形态表现效果的影响（图S3）, 加之不同条件下个体捺印时自我控制能力的差异, 也会对最终的位移测量数据产生影响。
 | 图S3 不同油墨蘸取量汗孔捺印效果图（左:油墨蘸取适中; 右:油墨蘸取过多）Fig.S3 Effect of amount-different dipped ink on sweat pore stamping (Left: amount-proper ink; Right: amount-overloaded ink) |
2.2.3 皮肤磨损的影响
在为期一个月的采样过程中, 尽管已经要求20名实验对象尽可能保持正常学习生活, 保护手指皮肤花纹, 但难免会因抓笔书写、体育运动、洗手洗衣等因素造成手指皮肤乳突花纹的磨损, 给指纹汗孔样本的采集、观察与测量等工作造成一定影响（图S4）。同时, 在30 d的采样过程中, 实验对象也会因心理活动的变化, 使得手指出汗情况出现异常, 在一定程度上也会影响指纹汗孔样本的采集、观察与测量。
 | 图S4 正常与磨损指纹的汗孔捺印效果图（左: 正常指纹; 右: 磨损指纹）Fig.S4 Effect of normal/abrasive fingerprint on sweat pore stamping(Left/Right: normal/abrasive fingerprint) |
2.2.4 汗孔基准测量点、参照点与参照线确定误差所造成的影响
研究中, 尽管进行了科学分析, 尽最大可能减少误差, 但由于直接显微拍照、油墨捺印两种方法在确定汗孔基准测量点方法上的不一致, 以及直接显微拍照法中的出汗点不一定就是油墨捺印法中汗孔形态的几何中心点, 必然出现相应的误差。同时, 在数码显微镜下, 纵向参照点、横向参照线的选取也会存在误差, 最终会对各参数测量结果的准确性产生影响。
3 结论
在表皮更替时间内, 通过连续30 d的样本采集, 直接显微拍照、油墨捺印两种采集方法中, 20位实验对象的所有指纹样本指腹乳突纹线上的汗孔在纵、横两个方向均有不同程度的位置变化, 纵向位置的变动范围显著大于横向, 男性纵、横两个方向的变动范围显著大于女性。同时, 手指指腹乳突纹线上的汗孔在纵、横两个方向的位置变化区域近似椭圆形状, 该椭圆的长轴与乳突纹线方向一致, 短轴与乳突纹线垂直, 轴长分别为（119.77± 46.69） μ m和（53.44± 7.56） μ m; 其中, 男性椭圆长、短轴轴长分别为166.46 μ m和61.00 μ m, 女性椭圆长、短轴轴长分别为73.08 μ m和45.88 μ m。这一基础研究结果在一定程度上可为指纹三级特征的研究与应用, 特别是指纹比对识别技术的发展提供理论与技术支持。
补充材料
参考文献
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
|
| [5] |
|
| [6] |
|
| [7] |
|