PROSPECTS OF SPECTROSCOPY APPLICATION IN FORENSIC MEDICAL PRACTICE (LITERATURE REVIEW)

Abstract

Keywords

ОБОСНОВАНИЕ

Судебная медицина объединяет знания из различных предметных областей и интегрирует множество концепций, что позволяет предоставлять исчерпывающие ответы и помощь в расследовании уголовных дел [1]. Тщательное изучение вещественных доказательств биологического происхождения, трупов, изображений и других материалов помогает выявить ключевые аспекты, такие как причина смерти и механизм получения травмы. Это, в свою очередь, содействует принятию справедливых и точных судебных решений.

С развитием новых технологий улучшаются возможности установления взаимосвязей между объектами, обнаруженными на месте происшествия, и конкретными людьми, что в значительной мере способствует эффективному проведению следственных действий [2-5]. В большинстве случаев на месте преступления выявляются вещественные доказательства биологического происхождения, включая биологические жидкости [6], волосы [7] и ткани организма человека [8]. Эти биологические материалы могут быть обнаружены в различном состоянии, включая разложение и смешивание, что может затруднять их обнаружение и последующую идентификацию [9].

В судебно-медицинской практике особенно важно применение методов количественного анализа совместно со статистическими показателями достоверности для получения объективных и точных результатов. В этом контексте особое внимание уделяется методам Фурье-спектроскопии (FTIR, Fourier-transform spectroscopy) и рамановской спектроскопии, так как они позволяют с высокой эффективностью обнаруживать белки и ядерные кислоты [10, 11], что делает их перспективными инструментами для решения судебно-медицинских задач.

Принцип работы FTIR

Принцип работы FTIR основывается на анализе спектра поглощения образца при воздействии инфракрасного излучения с последующим преобразованием Фурье для обработки исходных данных. Этот процесс позволяет достоверно определять химические связи и функциональные группы, присутствующие в конкретном образце. FTIR обеспечивают одновременный сбор спектральных данных высокого разрешения в широком диапазоне частот путем направления в интерферометр световых пучков, содержащих множество частот [12]. Информация извлекается путем количественной оценки степени светопоглощения, которую проявляет образец. Внутри интерферометра, во время перемещения зеркал, происходит периодическое блокирование или пропускание света с разными длинами волн. Это приводит к образованию интерференционной картины. Применение преобразования Фурье к данным, полученным от исследуемого образца, облегчает преобразование исходной информации в значения поглощения света на различных длинах волн, что, в свою очередь, предоставляет информацию о спектре поглощения образца [12].

Метод FTIR основан на взаимодействии химических веществ с инфракрасным светом. Атомы внутри молекул находятся в непрерывном движении и вибрации, что приводит к различным типам колебаний, включая симметричные и антисимметричные колебания при растяжении, деформации или изгибе. Эти колебания происходят на частотах, связанных с химическими связями и свойствами соединений, что совпадает с ближней инфракрасной областью инфракрасного спектра [13]. Таким образом, FTIR позволяет точно определить молекулярный состав образца, а также выявить возможные патологические изменения и предоставить ценную диагностическую информацию [14]. Например, K.T. Mader и соавт. использовали многомерную FTIR для изучения дегенерации межпозвоночного диска [15].

Технология FTIR широко используется и часто комбинируется с технологией нарушенного полного внутреннего отражения (ATR, attenuated total reflection), формируя метод ATR-FTIR. Эта комбинация значительно упрощает процедуру исследования образцов и одновременно повышает чувствительность анализа [16]. В результате инфракрасная спектроскопия находит всё более широкое применение в судебно-медицинской практике, способствуя более глубокому пониманию составов и свойств исследуемых объектов [17-19].

Принцип работы рамановской спектроскопии

Рамановская спектроскопия — это аналитический метод, используемый в химии, который основывается на взаимодействии света с анализируемым образцом и изменении распределения зарядов его молекул в результате лазерного облучения [20]. Это взаимодействие приводит к обмену энергией и импульсом, что проявляется в двух явлениях: рэлеевском рассеянии и комбинационном рассеянии света. В большинстве случаев взаимодействия света с молекулами изменяют лишь направление света, не оказывая влияния на его энергию; это называется упругим или рэлеевским рассеянием. Однако, когда молекула поглощает энергию падающего света и начинает вибрировать, возникает разница в энергии между рассеянным и падающим светом, что и называется неупругим рассеянием или рассеянием по Раману [21].

При этом изменение энергии лазера связано со столкновением с различными молекулами в образце, что приводит к передаче различного объема энергии. Таким образом, каждая встреченная молекула имеет уникальные характеристики, которые достигают максимума в спектре комбинационного рассеяния света. Спектроскопия комбинационного рассеяния света позволяет собирать неупругий рассеянный свет, специфичный для определенной ткани, и создавать своего рода молекулярный отпечаток ткани [22]. Этот метод позволяет осуществлять качественный и количественный анализ образцов, точно определяя вибрационные характеристики специфических химических молекул и предоставляя результаты анализа структуры, состава и химических связей образца [23].

На практике были разработаны различные методы путем комбинирования рамановской спектроскопии с дополнительными приборами, такими как Рамановская спектроскопия с усилением поверхности (SERS, Surface-enhanced Raman spectroscopy or surface-enhanced Raman scattering), ступенчатая рамановская спектроскопия и микро-рамановская спектроскопия. Было продемонстрировано, что волоконная рамановская спектроскопия может быстро и точно диагностировать мышечные заболевания у людей [22, 24, 25]. Более того, многочисленные преимущества рамановской спектроскопии способствовали её широкому применению в судебной медицине, предоставляя важные данные для аналитических исследований и экспертиз [26, 27].

FTIR и рамановская спектроскопия являются основными спектральными методами, применяемыми для оценки мод колебаний молекул. FTIR основана на изменениях дипольных моментов молекул, в то время как рамановская спектроскопия основывается на изменениях поляризуемости молекул [28]. Оба метода обладают значительными преимуществами: они позволяют проводить неразрушающие измерения, охватывают широкий спектральный диапазон, просты в эксплуатации и требуют минимальной подготовки образцов [29-32].

Результаты, полученные с помощью FTIR и рамановской спектроскопии, способны предоставлять высокоразмерные наборы данных, зачастую включающие тысячи точек. Однако надежное извлечение информации из таких обширных спектроскопических данных зависит от выбора адекватных методов анализа данных. В связи с этим спектральные методы часто интегрируют различные статистические алгоритмы, среди которых стехиометрия выделяется как один из наиболее часто используемых подходов. Статистические методы позволяют более эффективно обрабатывать данные, улучшая интерпретацию результатов и обеспечивая более точные выводы о химическом составе и структуре исследуемых образцов.

Хемометрика

Хемометрика представляет собой мощный аналитический инструмент в области химии, в основе которого лежат экспериментальные данные. Она служит средством для извлечения ценной информации из данных измерений с помощью математических и статистических методов. Обрабатывая данные в матричной форме, хемометрика позволяет выявлять потенциальные взаимосвязи между переменными и упрощает их использование для анализа многомерных характеристик, присущих данным исследований [33]. Широко используемое программное обеспечение, такое как Python, язык R и MATLAB, обеспечивает эффективный и точный хемометрический анализ.

При обработке данных спектральных измерений предварительная обработка, как правило, является необходимым этапом для подготовки данных к классификации или калибровочным методам, которые могут значительно улучшить и систематизировать полученные результаты. Кроме того, предварительная обработка может эффективно устранять или уменьшать шум и помехи в спектре, что, в свою очередь, повышает прогностические характеристики модели [34, 35]. Обычно используемые методы предварительной обработки спектров включают сглаживание, коррекцию базовой линии и коррекцию рассеяния [36]. Эти методы помогают обеспечить более точные и надежные результаты анализа, что имеет решающее значение для успешного применения хемометрики в судебной медицине.

Извлечение признаков представляет собой ключевой этап, заключающийся в выделении важной информации из необработанных спектральных данных, необходимой для представления или дифференциации различных веществ. Извлеченные характеристики могут включать определенные длины волн, диапазоны, формы спектральных кривых, пики поглощения или отражения, с акцентом на определение наиболее подходящей длины волны в спектре. Правильный выбор репрезентативных характеристических переменных может значительно повысить прогностическую способность модели, одновременно снижая ее вычислительную нагрузку. В настоящее время используются такие методы, как генетический алгоритм (GA, genetic algorithm), устранение неинформативных переменных (UVE, uninformative variable elimination), прогнозирование переменной важности (VIP, variable importance projection) и другие. Эти подходы позволяют оптимизировать процесс извлечения признаков и обеспечивают более точные результаты анализа. Кроме того, выделение признаков также может служить средством идентификации биомаркеров, что является актуальным направлением в области биомедицинских исследований и диагностики.

Хемометрические модели в основном делятся на неконтролируемые и контролируемые. Неконтролируемые модели, при построении которых отсутствует вводимая пользователем информация, служат исследовательским целям, позволяя разделять различные наборы данных и группировать схожие данные. Это облегчает идентификацию основных тенденций или закономерностей в наборе данных. Кластеризация — это метод, используемый для распознавания неявных образов, который группирует спектры на основе их сходства. Широко используемые методы кластеризации включают иерархическую кластеризацию, кластеризацию с использованием K-средних и метод главных компонент (PCA, principal component analysis). Контролируемые модели интегрируют определенную пользователем информацию и опираются на уже существующие группировки, что облегчает процесс обучения модели для извлечения значимых функций. При анализе новых образцов модель использует известные данные и применяет определенные алгоритмы для классификации образцов в соответствии с выявленными закономерностями. Известные методы мониторинга включают частичный дискриминантный анализ по наименьшим квадратам (PLS-DA, partial leastsquare discriminant analysis), линейный дискриминантный анализ (LDA, linear discriminant analysis) и метод опорных векторов (SVM, support vector machine) [37].

Стехиометрия обеспечивает статистическую основу для спектрального анализа, позволяя сравнивать спектр образца со стандартной хемометрической моделью. Это дает возможность исследователям принимать обоснованные решения в рамках заранее установленных доверительных интервалов. В частности, хемометрия выступает в роли статистического инструмента для разработки стандартных моделей спектров и для определения ошибок прогнозирования для каждого класса вещественных доказательств [21]. Многочисленные исследования подчеркивают синергетическое использование FTIR и рамановской спектроскопии в сочетании с хемометрическими подходами для cудебно-медицинского анализа, что существенно повышает точность и надежность получаемых результатов [38-41].

Вещественные доказательства биологического происхождения

Принцип обмена Локарда гласит: «Когда любой человек вступает в контакт с объектом или другим человеком, возникает кросс-передача вещественных доказательств» [42]. Это утверждение подчеркивает важность идентификации вещественных доказательств биологического происхождения в процессе осмотра места происшествия, что позволяет делать первоначальные выводы о фенотипе подозреваемого. Эффективное выявление и извлечение соответствующих вещественных доказательств имеют критическое значение для выделения информации, направленной на сужение круга потенциальных подозреваемых; это является основой передовых методик, способствующих проведению следственных мероприятий. Биологические жидкости часто становятся основными вещественными доказательствами в судебно-медицинской экспертизе из-за их распространенности на местах происшествий. Анализ этих жидкостей играет ключевую роль в определении различных характеристик и существенно способствует реконструкции событий [43]. Однако многие методы анализа являются разрушающими, а количество доступных образцов биологических жидкостей зачастую ограничено. Поэтому обеспечение неразрушающего отбора проб при эффективной и точной идентификации становится крайне важным аспектом исследования. Методы идентификации, основанные на спектроскопии, представляют собой оптимальное решение для анализа биологических жидкостей. В этой области все чаще применяются FTIR и рамановская спектроскопия, которые обладают высокой чувствительностью и позволяют не только идентифицировать образцы, но и обеспечивать их сохранность для дальнейших исследований.

Следы крови

Кровь является наиболее распространенной биологической жидкостью, обнаруживаемой на местах преступлений, связанных с применением насилия, что приводит к многочисленным исследованиям, направленным на ее идентификацию. Например, в исследовании, проведенном S. Sharma и соавт. [44], был выполнен комплексный анализ с использованием спектроскопии ATR-FTIR, который включал 50 образцов венозной крови от здоровых людей, 30 образцов менструальной крови, 30 образцов спермы и вагинальной жидкости, а также различные небиологические вещества, которые могут имитировать кровь и вызывать ложноположительные результаты. Использование хемометрической методики PCA-LDA позволило классифицировать кровь, другие жидкости организма и подобные крови небиологические вещества с безупречной точностью до 100%. Это исследование подтверждает высокую потенциальную применимость ATR-FTIR спектроскопии для неразрушающей идентификации пятен крови.

Аналогичные исследования, проведенные J. Fujihara и соавт. [45], также продемонстрировали возможность различать пятна крови младенцев и взрослых с помощью микро-рамановской спектроскопии. В дополнение к точной идентификации следов крови определение видовой принадлежности крови играет решающую роль в судебно-медицинской практике. Например, в случае дорожно-транспортного происшествия важно уметь различать кровь человека и животного, что имеет критическое значение для расследования и установления обстоятельств происшествия. Множество ученых стремятся объединить вибрационную спектроскопию и хемометрику с целью определения видовой принадлежности. Например, исследование A. Takamura и соавт. [46] представило инновационную технологию, объединяющую трапециевидный рамановский спектрометр с возможностями SERS. Команда разработала обширную спектральную базу данных, охватывающую 26 различных видов, включая человека. Применяя алгоритмы сверточных нейронных сетей (CNN, Convolutional Neural Networks), авторы достигли высокой точности идентификации, превышающей 94%, что подчеркивает эффективность и надежность данного метода для определения видовой принадлежности крови. Данная методология сочетает преимущества трапециевидного рамановского спектрометра с широким диапазоном и высоким разрешением, а также высокой чувствительностью SERS [47].

Существует также множество других исследований, в которых рассматриваются спектроскопические методы. Например, R. Kumar и соавт. [48] применяли ATR-FTIR для анализа инфракрасного спектра пятен крови в модели места происшествия и разработали модель для определения времени образования пятен крови с использованием частичной регрессии по методу наименьших квадратов (PLSR, partial least squaresregression). Результаты их работы показали, что этот метод демонстрирует наиболее быстрые результаты при идентификации пятен крови. Исследование, проведенное R. Gautam и соавт. [49], продемонстрировало, что рамановская спектроскопия, в сочетании с методом регрессии LASSO (Least absolute shrinkage and selection operator), может служить надежным и неразрушающим методом определения давности образования пятен крови на различных поверхностях. Таким образом, применение вибрационной спектроскопии в судебно-медицинской практике представляет собой многообещающее направление для идентификации и анализа пятен крови, открывая новые возможности для судебной экспертизы.

Следы спермы

Семенная жидкость действительно часто встречается на местах преступлений, особенно в случаях половых преступлений. В исследовании, проведенном S. Zha  и соавт. [50], были проведены эксперименты, в которых образцы спермы помещались на три разных субстрата и анализировались с использованием ATR-FTIR в сочетании с хемометрическими методами, такими как метод PCA и PLSR. Эти методы позволили точно оценить давность образования следов спермы in vitro. Такой подход предоставляет следователям полезные данные для проверки алиби, установления времени совершения преступления и оценки давности наступления смерти (ДНС).

Также следует учитывать важность определения видовой принадлежности спермы. X. Wei и соавт. [51] продемонстрировали успешное применение классификационных моделей ATR-FTIR и PLS-DA для эффективного отличия человека от других видов (таких как кролик, собака, свинья, корова, баран) с прогностической точностью 100%. Это подчеркивает практическую значимость вибрационной спектроскопии как инструмента для определения видовой принадлежности спермы в реальной судебно-медицинской практике. Примечательно, что для определения видовой принадлежности не требуется наличие целых клеток спермы, что делает этот метод особенно гибким и пригодным для анализа небольшого количества или частично разрушенного материала. Таким образом, использование спектроскопии в сочетании с хемометрикой представляет собой многообещающее направление в судебной медицине для идентификации биологических образцов и расследования преступлений.

Слюна

Слюна, действительно, представляет собой важную биологическую жидкость, поскольку ее состав тесно связан с составом крови, что делает слюну перспективным неинвазивным биомаркером. В исследовании E. Al-Hetlani и соавт. [52] было собрано 32 образца слюны, и проведены измерения с использованием рамановской спектроскопии. В рамках данного исследования была разработана классификационная модель, основанная на искусственной нейронной сети, позволившая достичь 100% точности при внешней проверке и успешно отличить курильщиков от некурящих. Это подтверждает высокий потенциал рамановской спектроскопии в неразрушающем анализе биологических образцов. Далее E. Buchan E и cоавт. [53] систематически изучили молекулярно-спектральный отпечаток слюны, используя рамановскую спектроскопию в сочетании с гибридным алгоритмом искусственной нейронной сети. Авторы продемонстрировали возможность разработки неразрушающего аналитического метода для оценки изменений в спектре слюны, а также точного определения пола и возраста людей, предоставляющих образцы. Эти результаты подчеркивают перспективные возможности применения рамановской спектроскопии и машинного обучения в судебно-медицинской экспертизе живых лиц и вещественных доказательств биологического происхождения.

Кроме того, исследование, проведенное A. Takamura и соавт. [33], продемонстрировало, что инфракрасный спектр, полученный из сухих отложений мочи с помощью FITR-ATR в сочетании с моделью дискриминантного анализа методом PLS-DA, способствовал эффективному различению мужчин и женщин.

FTIR и рамановская спектроскопия играют важную роль в области идентификации вещественных доказательств биологического происхождения. Эти методы используются для анализа и идентификации различных биологических образцов, таких как кровь, сперма, слюна и другие биологические жидкости, предоставляя необходимую информацию, которая является ключевой для решения задач судебно-медицинской экспертизы. Способности FTIR и рамановской спектроскопии базируются на принципах взаимодействия света с веществом, что позволяет получать контрольные спектры, отражающие молекулярные характеристики образцов. Это делает возможным не только выявление, но и сравнительный анализ проб из различных временных и пространственных контекстов, а также из разных источников.

Использование этих технологий в судебно-медицинской практике обеспечивает надежные доказательства, которые могут значительно содействовать правоохранительным органам в расследовании преступлений. Важно отметить, что такие детализированные анализы помогают следственным органам более точно устанавливать связь между образцами, найденными на месте преступления, и подозреваемыми.

Благодаря постоянному технологическому прогрессу, возможности и точность FTIR и рамановской спектроскопии продолжают возрастать. Это связано с внедрением новых вычислительных технологий, включая машинное обучение, что улучшает анализ и интерпретацию спектров.

Причина смерти

Судебно-медицинское вскрытие в значительной степени основываются на выявлении макроскопической и микроскопической картины заболеваний, что ограничивает возможность диагностировать функциональные повреждения, такие как внезапная сердечная смерть, переохлаждение и отравление [54]. В этом контексте спектроскопия, как современная аналитическая технология, предоставляет возможности для неразрушающего исследования биологических образцов без необходимости их предварительной маркировки, открывая новые горизонты для судебно-медицинских экспертов.

Отек легких

Исследование H. Lin и соавт. [55] продемонстрировало важность выделения интерстициальной жидкости в случае отека легких для установления причины смерти. В своей работе авторы использовали FTIR для измерения инфракрасного спектра интерстициальной жидкости легких и интегрировали полученные данные с системой глубокого обучения на основе эволюционных нейронных сетей для построения модели классификации. Результаты исследования показали, что точность верификации колебалась от 0,9661 до 0,9856, тогда как точность варьировалась от 0,8774 до 0,9167. Эти показатели позволяют предположить, что синергия FTIR и алгоритмов глубокого обучения может стать новым и эффективным инструментом для диагностики различных распространенных причин смерти, включая кардиомиопатию, отравление окисью углерода и внутримозговые кровоизлияния.

В судебно-медицинской практике идентификация летального анафилактического шока представляет собой сложную задачу, требующую точной дифференциальной диагностики, что затрудняет однозначное определение причины смерти. Судебно-медицинские эксперты часто сталкиваются с необходимостью оценки тонких морфологических и физиологических различий, и, к сожалению, нехватка соответствующей информации зачастую мешает однозначному заключению [56].  Согласно наблюдениям судебно-медицинских экспертов, в случаях смертельного анафилактического шока фиксируется увеличение объема интерстициальной жидкости легких [57]. Некоторыми учеными также были отмечены различия в составе жидкости, образующейся в легких при различных этиологических формах отека [58, 59].  В свете этих наблюдений, H. Lin и соавт. [60] определили потенциал анализа интерстициальной жидкости легких для установления причины смерти. Они применили FTIRв сочетании с методом PCA для выявления характерных отличий в составе белков, присутствующих в интерстициальной жидкости легких, вызванных анафилактическим шоком. Результаты их исследований показали, что белки продемонстрировали повышенное вращательное движение и структуру α-спирали, в то время как содержание тирозинсодержащих белков было относительно низким. Для достижения точной дифференциальной диагностики была разработана модель aPLS-DA с использованием метода выбора переменных, известного как GA. Эти результаты подчеркивают, что комбинация FTIR с хемометрическими моделями представляет собой многообещающий подход в качестве дополнительного инструмента посмертной диагностики анафилактического шока.

Внезапная сердечная смерть

Внезапная смерть, признанная одной из наиболее распространенных категорий дифференциального диагноза в судебной медицине, зачастую возникает из-за сердечно-сосудистых заболеваний и часто называется «внезапной сердечной смертью» [54, 61]. Этот феномен, как правило, отмечается у внешне здоровых людей и характеризуется внезапным началом, быстро прогрессирующим состоянием и летальным исходом. В ряде случаев установить причину смерти при помощи стандартного секционного исследования трупа оказывается невозможным, что делает необходимым применение дополнительных тестов для точной идентификации. На сегодняшний день, традиционные методы аутопсии и микроскопического исследования часто не позволяют провести четкое разграничение между асфиксией и внезапной сердечной смертью из-за отсутствия специфических морфологических признаков. Чтобы разрешить эту проблему, K. Zhang и соавт. [62] провели экспериментальные исследования, используя FTIR для измерения инфракрасного спектра легочной ткани в сочетании с анализом SVM. Авторы успешно продемонстрировали, что их подход позволяет с высокой точностью отличать асфиксию от внезапной сердечной смерти, достигая при этом впечатляющей точности в 100%.

Более того, эмпирические данные показывают, что фиброз миокарда является распространенным проявлением внезапной сердечной смерти. Таким образом, выявление фиброза миокарда представляет собой многообещающий новый подход к диагностике случаев внезапной сердечной смерти. Исследования, проведенные X. Yang и соавт. [63], также подтверждают этот вывод: они использовали ATR-FTIR для получения инфракратного спектра сердечной ткани, который затем анализировался с применением метода PLS-DA. Результаты продемонстрировали высокую чувствительность и специфичность, что позволяет утверждать, что комбинация ATR-FTIR-спектроскопии и PLS-DA анализа является перспективным диагностическим инструментом для выявления фиброза миокарда. Учитывая корреляцию между миокардиальным фиброзом и внезапной сердечной смертью, этот метод потенциально может служить важным инструментом для прогнозирования риска.

Кроме того, внезапная сердечная смерть часто ассоциируется с инфарктом миокарда. Несколько исследователей подтвердили, что интеграция инфракрасной микроспектроскопии и алгоритмов искусственного интеллекта может точно идентифицировать пораженные участки миокарда и оценивать степень их патологии, тем самым создавая основу для дальнейших судебно-медицинских исследований [64]. Аналогичным образом, было показано, что FTIR может эффективно выявлять ткани, свидетельствующие о ранней ишемии миокарда, даже когда отсутствуют явные морфологические изменения [65].

Утопление

Утопление являет видом механической асфиксии, вызванным обструкцией дыхательных путей и альвеол, что приводит к нарушению газообмена, недостаточному поступлению кислорода и накоплению углекислого газа в организме. В судебно-медицинской практике выявление диатомового планктона часто считается стандартным методом для подтверждения факта утопления [66-68].  Однако нередко диатомовый планктон может отсутствовать, у лиц погибших в результате утопления, в то время как у некоторых людей с другой причиной смерти, которые долгое время находились в среде, богатой диатомовыми водорослями, могут обнаруживаться их повышенные концентрации. Эта ситуация усложняет диагностику, поскольку требуется тщательное различение между утоплением и посмертным погружением в воду. Различная продолжительность погружения после смерти может приводить к разной концентрации диатомового планктона, что требует точного определения этих факторов [69]. Чтобы решить эту проблему, H. Xiong и соавт. [70] применили FTIR для анализа инфракрасного спектра образцов легочной ткани в сочетании с PLS-DA. Их исследования выявили значительные различия в содержании амида I и амида II в легочной ткани, что позволяет рационально отличать случаи утопления от случаев смерти в воде и посмертного погружения. Эти результаты подчеркивают ключевую роль структуры и состава белка в различении этих состояний. Таким образом, использование современных технологий анализа, таких как FTIR-спектроскопия, позволяет значительно увеличить точность диагностики утопления, предоставляя новые инструменты для судебно-медицинских экспертов, тем самым способствуя улучшению процедуры расследования случаев, связанных с асфиксией и утоплением.

Действие крайних температур

В практической деятельности нередко приходится проводить дифференциальную диагностику между скоропостижной смертью и переохлаждением.  случаи ишемической болезни сердца, кровоизлияния в мозг и другие заболевания часто происходят в условиях низких температур, что может приводить к путанице с летальными исходами, вызванными переохлаждением. Выявление летальной гипотермии представляет собой сложную задачу из-за недостаточно информативных морфологических и биохимических данных [71].

H. Lin и соавт. [72] использовали FTIR и PLS-DA, они достигли точной классификации образцов, полученных при смерти от гипотермии, авторы отметили значительное увеличение β-структуры интерстициальной жидкости легких, ассоциированной с гипотермическим отеком. Это исследование предоставляет предварительные данные о том, что интеграция FTIR с хемометрическими методами может быть перспективным подходом для выявления смертельных исходов, связанных с переохлаждением организма.

Метаболизм и функциональная активность гипоталамуса, который играет ключевую роль в регуляции температуры тела, также претерпевают изменения в ответ на колебания внутренней температуры. H. Lin и соавт. [73] оценивали эффекты летальной гипо- и гипертермии с использованием FTIR и метода случайного леса (RF, random forest) путем анализа инфракрасного спектра гипоталамуса. Результаты показали, что в группе с летальной гипертермией наблюдалось увеличение общего содержания липидов, сопровождающееся снижением содержания ненасыщенных жирных кислот и ухудшением подвижности клеточных мембран. В свою очередь, в группе пациентов с летальным исходом при гипотермии обнаружили значительное увеличение нарушений агрегации белков и содержания нуклеиновых кислот. Эти результаты свидетельствуют о том, что FTIR может быть полезным методом для оценки биохимических характеристик гипоталамуса в условиях действия экстремальных температур. В аналогичном эксперименте была использована ATR-FTIR в сочетании с PLS-DA для анализа моделей летального исхода в условиях гипер- и гипотермии, путем анализа плазмы крови. Результаты исследования показали, что уровни общего количества липидов и длинноцепочечных жирных кислот были ниже в группе с летальной гипертермией по сравнению с контрольной группой, тогда как в группе с летальной гипотермией они были выше. Более того, группа с летальной гипертермией проявила наивысшую концентрацию ненасыщенных липидов, в то время как группа с летальной гипотермией продемонстрировала наибольшее содержание карбонилового эфира [74]. Предыдущие исследования продемонстрировали потенциал метаболомики в диагностике смертельного переохлаждения путем анализа состава стекловидного тела. Спектроскопия, результаты которой сопоставимы с данными, полученными с помощью метаболомики, также позволяет определять состав исследуемых образцов, кроме того, она подходит для анализа жидких материалов. Поэтому изучение применения спектроскопии для обнаружения компонентов стекловидного тела представляет собой перспективное направление для дальнейших исследований [75]. Комбинирование подходов метаболомики и спектроскопии может существенно улучшить точность и надежность диагностики летальных исходов воздействия крайних температур, что имеет важное значение для судебно-медицинской практики. Исследования в этой области могут способствовать разработке новых методов, позволяющих более эффективно выявлять случаи смерти от гипо- и гипертермии, основываясь на химическом и биохимическом анализе, что, в свою очередь, может помочь в разрешении сложных практических задач.

Сахарный диабет и его осложнения

Диабетический кетоацидоз может привести к летальному исходу и усложняет определение причины смерти при рутинной аутопсии из-за отсутствия характерных морфологических изменений [76]. D. Wu и соавт. [77] провели исследование интерстициальной жидкости легких, полученной от трупов, применяя FTIR для анализа инфракрасного спектра исследуемой жидкости. В ходе исследования использовался алгоритм PLS-DA для создания модели классификации. Результаты выявили значительные изменения в белках, содержащихся в интерстициальной жидкости легких у людей с диабетическим кетоацидозом, подтверждая, что FTIR имеет потенциал для диагностики и выявления этого состояния.

Кроме того, была установлена четкая двунаправленная корреляция между сахарным диабетом и сердечной недостаточностью, при этом диабетическая кардиомиопатия представляет собой основное сердечное проявление у пациентов с сахарным диабетом [78]. На сегодняшний день большинство методов диагностики болезни нацелены на выявление поздних стадий диабетической кардиомиопатии, тогда как исследования на ранних стадиях без явных морфологических и функциональных изменений в миокарде остаются относительно ограниченными. Тем не менее, технологии FTIR продемонстрировали потенциал для оценки этого заболевания в экспертной практике, позволяя идентифицировать карбониловые эфиры, алкеновые группы CH и СН2-липиды в миокарде у мышей с диабетом, а также отмечая значительные изменения в конформационной трансформации β-структуры и α-спирали общих липидов, сахаров и белков по сравнению со здоровыми мышами. Эти результаты указывают на возможность использования FTIR для определения или исключения смерти от диабетической кардиомиопатии во время секционного исследования [79]. В аналогичном исследовании использовалась ATR-FTIR для анализа различных жидкостей организма на мышиной модели диабетической кардиомиопатии. Результаты показали линейную корреляцию между тяжестью заболевания и уровнями показателей в плазме, слюне, моче, а также в комбинации плазмы и слюны. Эти данные подчеркивают потенциал ATR-FTIR для экспресс диагностики диабетической кардиомиопатии [80].

Спектроскопия, как метод химического анализа, обладает уникальной возможностью определения химического состава и молекулярной структуры тканей и веществ человеческого организма. Этот подход предоставляет исчерпывающую и ценную информацию, необходимую для установления причины смерти в рамках судебно-медицинских исследований. В отличие от традиционных аналитических методов, которые требуют сложной подготовки и разделения образцов, методы спектроскопии позволяют осуществлять прямой анализ необработанных образцов, что значительно упрощает процесс.

В целом, спектроскопические методы предлагают более быстрые, точные и надежные дополнительные инструменты как при проведении судебно-медицинской экспертизы трупов, так и вещественных доказательств биологического происхождения. Кроме того, интеграция алгоритмов машинного обучения с различными аналитическими технологиями обещает повысить точность анализа данных и идентификацию исследуемых образцов, тем самым способствуя междисциплинарному сотрудничеству и продвижению современных технологий и методов анализа в области судебной медицины.

Перспективы на будущее

FTIR и рамановской спектроскопии представляют собой две важные аналитические методики, используемые в судебной медицине, которые демонстрируют множество путей для дальнейшего развития и значительный потенциал применения. FTIR основывается на облучении образца инфракрасным излучением, последующем измерении поглощенного или прошедшего света и преобразовании этих данных в спектральный график, позволяющий определить молекулярный состав образца. Эта технология имеет неоценимое значение в области судебной экспертизы, так как она помогает идентифицировать мельчайшие улики, которые могли бы остаться незамеченными невооруженным глазом. Она особенно эффективна в различении типов следов крови, включая возможность отличать периферическую кровь от менструальной, а также определять наличие и концентрации определенных молекул.

Интересно, что FTIR может обеспечить биохимическое профилирование гипоталамуса как в условиях летальной гипертермии, так и гипотермии. Рамановская спектроскопия, в свою очередь, использует метод измерения, основанный на количественной оценке рассеянного света, а не поглощенного или прошедшего излучения. Эта методология использует неупругое рассеяние фотонов для выяснения молекулярного состава и идентификации химических связей в образце. С помощью рамановской спектроскопии можно точно различать такие признаки, как принадлежность крови взрослому или новорожденному.

Как FTIR, так и рамановская спектроскопия являются бесценными инструментами в судебной медицине, предлагая неразрушающий анализ, что позволяет сохранить целостность образца для дальнейшего исследования при необходимости. В конечном итоге, обе технологии остаются важными и быстро развиваются как в технологическом, так и в практическом плане, демонстрируя значительную ценность. Ожидаемые усовершенствования в технологиях FTIR и рамановской спектроскопии будут направлены на повышение чувствительности, ускорение скорости обнаружения и общую эффективность. Это позволит судебно-медицинским экспертам обрабатывать большее количество образцов за короткое время, тем самым ускоряя и повышая точность исследования.

Параллельно с этим продолжается разработка нового программного обеспечения и алгоритмов, которые будут синергетически интегрировать эти технологии с колебательной спектроскопией, что улучшит точность и достоверность получаемых данных. Также ожидается дальнейшая миниатюризация и автоматизация FTIR и рамановской спектроскопии, что сделает эти технологии более практичными и удобными в использовании. В результате применение данных методов в судебной медицине будет продолжать расширяться, предлагая новые возможности для повышения качества судебно-медицинских экспертиз.

Заключение

FTIR и рамановская спектроскопия — это высокоэффективные аналитические методы, активно используемые в судебной медицине для идентификации вещественных доказательств биологического происхождения, особенно когда следы подвержены разложению. FTIR основана на использовании инфракрасного излучения для определения молекулярной структуры и химического состава веществ через изучение взаимодействия между образцом и инфракрасными волнами. Напротив, рамановская спектроскопия использует технологии лазерного рассеяния света для анализа молекулярной структуры и химического состава анализируемых образцов. Оба метода обладают высокой точностью, скоростью и возможностью неразрушающего анализа, что открывает многообещающие перспективы для их применения в судебной медицине.

Тем не менее, несмотря на свою эффективность, FTIR и рамановская спектроскопия имеют ограничения, связанные с высокой стоимостью, что препятствует их широкому внедрению. Кроме того, всесторонний анализ спектральных данных в судебной медицине и патологоанатомической практике часто требует специальных навыков в области машинного обучения и искусственного интеллекта, что представляет собой дополнительное препятствие для специалистов, у которых могут отсутствовать такие знания.

Ожидается, что по мере развития общества и технологий искусственного интеллекта порог внедрения FTIR и рамановской спектроскопии будет снижаться, что приведет к их более широкому применению в судебно-медицинской практике.