Merjenje časovnih sprememb barve kontuzije s kolorimetrom

Merjenje časovnih sprememb barve kontuzije s kolorimetrom

Namen: Raziskati vzorec spremembe barve kože pri kontuziji in poiskati primerne kazalnike za sklepanje o času nastanka kontuzije in začetni stopnji. Metode Z odsesavanjem pod negativnim pritiskom smo na medialnih podlakteh 41 prostovoljcev obojestransko simulirali območja kontuzije kože različnih stopenj. Meritve so bile opravljene z uporabo kolorimeter prve 3 dni po poškodbi vsakih 0,5 dni, po 3 dneh pa vsak 1 dan, dokler se barvna razlika na kontuziranem območju s prostim očesom ni razločila. Prilagajanje krivulje je bilo izvedeno za šest kazalnikov barvne razlike ΔL*, Δa*, Δb*, ΔE*_ab, ΔC* in Δh. Za pet značilnih časovnih kazalnikov, t_vrh, t_{b negativno}, t_{b vrh}, t_{C vrh}in t_skupaj, za primerjavo razlik med spoloma je bil uporabljen Mann-Whitneyjev U test, za analizo razlik v stopnji kontuzije pa je bil uporabljen parni t test. Rezultati: Regresijska enačba za kazalnik Δh se je najbolje ujemala (R²=0.6395). t_vrh, t_{b negativno}, t_{b vrh}, t_{C vrh}in t_skupaj 5 kazalnikov ni bilo povezanih s spolom (P>0,05), 3 kazalniki t_vrh, t_{b vrh}in t_skupajin hitrost spreminjanja barve (ΔE*_ab naklon prilegajoče se krivulje) so bili povezani s stopnjo kontuzije (P<0,05), vendar sta bila dva kazalnika t_{b negativno} in t_{C vrh} niso bili odvisni od stopnje kontuzije (P0,05). t_{b negativno} se je pojavila pri 1,72±0,90 d, kar pomeni, da je bil Δb* pozitiven po 19 urah. Zaključek Vrednosti Δh in Δb* se lahko uporabita za sklepanje o času nastanka kontuzije in začetnem obsegu, pozitivne in negativne vrednosti Δb* pa lahko določijo, ali je kontuzija nastala v 19 urah.

Kaj je udarnina?

Kontuzija (modrica) je poškodba, za katero je značilna predvsem znotraj- in podkožna krvavitev in je najpogostejša pri različnih vrstah nasilja. Zlasti v primerih nasilja v družini, spolnega napada ter zlorabe otrok in starejših je pomembno sklepati o času nastanka kontuzije. Raziskave o mehanizmu nastanka in razvoja kontuzije nam pomagajo analizirati mesto in čas nasilja, ugotoviti, ali je poškodba nastala hkrati, ali analizirati čas smrti in čas preživetja po poškodbi, da bi rekonstruirali in obnovili primer. Sodni izvedenci so se pri določanju časa nastanka kontuzije vedno zanašali na vizualno opazovanje in empirično analizo. Vendar je ta model omejen z izkušnjami in ravnijo sposobnosti forenzičnih delavcev; obstajajo velike napake, različni posamezniki pa imajo različne subjektivne občutke o isti barvi. Zato je sklepanje o času nastanka kontuzije z vidom nezanesljivo, zato moramo barvo kvantificirati in spremembo barve digitalizirati z instrumenti.

Kaj je kolorimeter?

Kolorimeter je instrument, namenjen merjenju barvnega odstopanja s simulacijo procesa vstopa svetlobe v človeško oko. Z njim je mogoče izmeriti barvni signal pod določenimi pogoji svetlobnega vira, programska oprema pa izračuna barvne vrednosti različnih barvnih prostorov. Trenutno je zelo malo domačih študij, ki bi uporabljale kolorimetre na področju forenzike. Še vedno pa je uporaba kolorimetri in spektrofotometers v tujini je preučeval barvne spremembe kožne kontuzije in kvantitativno raziskoval druge barvne spremembe v forenziki, kot so nekrotični madeži in barva krvi trupel. Na splošno pa je takšnih študij manj, manjkajo podatki o azijskih rumenih odraslih, zato je na tem področju vrzel, zlasti v domačih študijah.

1. Materiali in metode

1.1 Materiali

1.1.1 Instrumenti

Glavni instrumenti: CS-410 prenosni spektralni kolorimeter (Hangzhou CHNSpec Tehnologija Co., Ltd.); spiralni vakuumski ekstraktor št. 5 (zunanji premer 3,7 cm, notranji premer 2,5 cm) (Shuangjin Health Care Instrument Factory); fotoaparat Canon EOS M50; svetilke Philips MASTER TL-D90 Graphica36W/965.

1.1.2 Predmeti

V raziskavo je bilo vključenih 41 prostovoljcev (18 moških in 23 žensk), starih od 19 do 42 let, s povprečno starostjo 23,27 ± 4,06 leta. Merila za vključitev prostovoljcev:

• (1) Brez motenj v koagulacijskem sistemu, vključno s tem, da v dveh mesecih ne jemljejo antikoagulantov, antitrombocitov, protivnetnih zdravil in steroidov;
• (2) V zadnjih šestih mesecih ni bilo večjih poškodb ali operacij ter ni daroval krvi ali krvnih pripravkov;
• (3) Na notranji strani podlakti obojestransko ni očitne pigmentacije ali brazgotin;
• (4) Ni pomembnih bolezni organov, kot so srce, jetra, ledvice itd., ali drugih bolezni, ki vplivajo na okrevanje po poškodbi.

Vsi prostovoljci so bili seznanjeni z vsebino poskusa in možnimi posledicami ter so podpisali obrazec o informiranem soglasju.

1.2 Metode

1.2.1 Model kontuzije

Na eni strani notranje strani podlakti preiskovanca v bližini komolčne jamice je bil s spiralnim vakuumskim bakrom za 7 minut vzpostavljen podtlak. Na drugi strani pa se je 15 minut izvajalo enako število vrtenj. Po odstranitvi negativnega pritiska je nastalo krožno območje kontuzije s premerom približno 3 cm.

1.2.2 Merjenje

Po končanem odsesavanju počakajte 1 uro in prvo meritev opravite, ko si razširjene in obtolčene kapilare popolnoma opomorejo. Nastavite parametre instrumenta na način SCE (brez zrcalne odbite svetlobe za merjenje barve), zorni kot 10°, stanje svetlobnega vira D65 in samodejno izmerite povprečno vrednost po 5 zaporednih meritvah. Za meritev vzemite 5 položajev s podobno barvo kože znotraj 2 cm okoli kontuzije (merilna odprtina 8 mm), dobljena vrednost pa je bila določena kot kontrolna vrednost. Merjenje mesta kontuzije se je ponovilo še petkrat, dobljena vrednost pa je bila eksperimentalna vrednost. Da bi zmanjšali napako pri vzorčenju, je poskuse meril isti izvajalec. Barva nekaterih območij kontuzije ni bila enotna; barva ene strani krožnega območja je bila temnejša, druga stran svetlejša ali pa je bila barva lokalnega območja temnejša, območje z močnejšo barvo pa je bilo vzeto za merilno točko. V prvih treh dneh po poškodbi so bile meritve opravljene vsake 0,5 dni, po treh dneh pa vsake 1 dan, dokler razlike v barvi na kontuznem območju ni bilo težko razločiti s prostim očesom. Takoj po vsaki meritvi je bilo območje kontuzije fotografirano pod pogoji, da je bil vir svetlobe visok 85 cm, višina kamere 45 cm, kamera pa je bila pod kotom 15° glede na cilj s fiksnimi parametri kamere.

1.2.3 Barvni indikatorji

Barvni prostor CIE Lab (zapisan tudi kot L*a*b*) je leta 1976 objavila Mednarodna komisija za osvetlitev (CIE). Najpogosteje se uporablja v znanstvenih raziskavah, saj vsebuje največ barv in nanj ne vplivata svetloba in oprema. Vrednost L* označuje svetli in temni kanal. Razpon vrednosti je od 0 do 100 (0 je najtemnejša, 100 najsvetlejša); vrednost a* označuje rdeče-zeleni kanal, razpon vrednosti -128-127 (-128 je temno zelena, 0 je siva, 127 je svetlo rožnata); vrednost b* označuje rumeno-modri kanal, razpon vrednosti -128-127, (-128 je temno modra, 0 je siva, 127 je rumena). Vrednost l* v barvnem prostoru LCh je enaka vrednosti L* v barvnem prostoru LCh je enaka vrednosti L* v barvnem prostoru CIE Lab, C* predstavlja vrednost nasičenosti (0-100), h pa vrednost kota odtenka (0-360). Vrednost LCh je mogoče v celoti pretvoriti iz vrednosti CIE Lab, vendar je njen izraz tesneje povezan s praktično uporabo v življenju. Zato sta za študijo izbrani dve vrednosti barvnega prostora CIE Lab in LCh, programska oprema pa je nastavljena za izvoz ustreznih barvnih vrednosti.

1.2.4 Formula barvne razlike

Za izračun vrednosti barvne razlike uporabite programsko opremo Color QC2 (različica: V1.0.2.15), ki je priložena instrumentu, in naslednje formule.

Opomba: (1=eksperimentalna vrednost; 2=kontrolna vrednost)

1.2.5 Analiza podatkov

Neobdelani podatki so bili izvoženi iz programske opreme Color QC2, za predhodno statistiko časa pojava vsake značilne vrednosti pa je bila uporabljena programska oprema Excel. Programska oprema Graph Pad Prism je bila uporabljena za izdelavo grafov, analizo trenda različnih kazalnikov in prilagoditev regresijske krivulje vseh vzorcev in vsakega vzorca, da bi dobili regresijsko enačbo. Programska oprema SPSS 26.0 je bila uporabljena za statistični opis pojavljanja lastnih kazalnikov in naklonov, čas pojavljanja lastnih kazalnikov pa je bil izražen kot x+s. Enostranske variance podatkov so bile za razlike med spoloma primerjane z uporabo Mannovega-Whitneyjevega U-testa (Mann-Whitney U test), dvostranske primerjave pa so bile opravljene z uporabo t-testa za povprečno vrednost parnih vzorcev (paired-test). Testna raven α = 0,05.

2. Rezultati

Med 41 primeri jih je 7 izpustilo meritev 6. dan, 1 pa je izpustil meritev 5. in 6. dan, zato so bili ti manjkajoči podatki zabeleženi kot prazni podatki. Ker so bili primeri, ko dejanski učinek odsesavanja pod negativnim tlakom ni bil povezan s trajanjem odsesavanja pod negativnim tlakom, je bila stran z večjim ΔE*_ab prvič izmerjena, je bila zabeležena kot "težka stran", druga stran pa je bila zabeležena kot "lahka stran". Razlogi za to bodo analizirani v poglavju o razpravi.

2.1 Splošni trendi

Splošno gibanje šestih kazalnikov je prikazano v preglednici 1. Začetna vrednost ΔC* je lahko pozitivna ali negativna, odvisno od stopnje kontuzije, trend Δh pa se upočasni, ko je vrednost drugačna, zato se nelinearno zmanjšuje. Za podatke o "težki strani" je bila uporabljena programska oprema Graph Pad Prism za izdelavo razpršenih diagramov in regresijskih krivulj, rezultati pa so prikazani na sliki 1.
Tabela.1 Trendi in razponi šestih kazalnikov parametrov

Kazalniki parametrov	Pozitivne in negativne vrednosti	Spreminjajoči se trendi	Ekstremno območje
			Najmanjša vrednost	Največja vrednost
AL*	Negativni	Linearno povečanje	-21.93 ~ -3.74	-
Aa*	Pozitivna vrednost	Linearno zmanjšanje	-	2.03 ~ 13.08
Ab*	Od negativnega k pozitivnemu	Najprej povečajte in nato zmanjšajte	-10.02 ~ -0.08	0.77 ~ 6.64
AE*ab	Pozitivna vrednost	Linearno zmanjšanje	-	4.73 ~ 25.35
AC*	Od negativnega k pozitivnemu	Najprej povečajte in nato zmanjšajte	-6.07 ~ 1.74	1.10 ~ 7.67
Ah	Negativni	Nonline linearno zmanjšanje	-	-35.98 ~ -2.78

Opomba: "-" pomeni, da je vrednost ponavadi enaka 0.

Slika.1 Diagram razpršitve in regresijska krivulja 6 barvnih kazalnikov "težke strani"
Opomba: Spremembe vrednosti šestih kazalnikov v obdobju 7d.
Isti prostovoljec je bil fotografiran v fiksnih pogojih na obeh straneh območja kontuzije, za primerjavo pa so bile izbrane časovne točke 0, 1, 3, 5 in 7d, rezultati pa so prikazani na sliki 2.

Slika 2 Barvne spremembe na obeh straneh območja kontuzije znotraj 7d

2.2 Značilne časovne točke

V nekaterih časovnih točkah se vrednost Δb* spremeni iz pozitivne v negativno, čas zadnje negativne vrednosti je zabeležen kot t_{b negativno}, čas najvišjega vrha vrednosti Δb* se zabeleži kot t_{b vrh}, čas najvišjega vrha vrednosti ΔC* pa je zabeležen kot t_{C vrh}. Poleg tega je bilo z analizo krivulj v vsakem primeru ugotovljeno, da ima Δa* manjši vrh na podlagi linearne variacije, čas njegovega pojava pa je bil zabeležen kot t_vrh. Zaradi napake pri vzorčenju lokacije izbrane točke med merjenjem je bila relativna napaka podatkov večja, ko je bila kontuzija svetlejše barve in s prostim očesom ni bilo lahko razločiti razlike v barvi, čas prvega ΔE*_ab value <3 was designated as the time of disappearance of the contusion, t_skupaj. The mean and standard deviation of each time were counted by SPSS software, and the results are shown in Table 2.
Table.2 Mean appearance time of characteristic time indicators (d)

	tvrh	tb negativno	tb vrh	tc peak	tskupaj
Heavy side	2.11±0.88	1.82±0.86	4.22±1.45	3.82±1.36	7.95±3.22
Light side	1.80±0.68	1.61±0.95	3.76±1.40	3.63±1.35	6.95±3.19
Overall on both sides	1.96±0.80	1.72±0.90	4.00±1.44	3.73±1.35	7.47±3.22

2.3 Prilagajanje regresijske krivulje

According to the time of disappearance of individual contusion, the data within 7d were analyzed for each index, and the “heavy side” and “light side” data were processed separately. Because the initial value of the “light-side” part of the sample was too low, the relative error of the data was large, so the “heavy-side” data of the 41 samples were fitted. The regression equations of the 6 indexes are shown in Table 3, with the best fit being Δh (R²=0.6395), the worst fit being Δh (R²=0.6395), and the best fit being Δh (R²=0.6395), and the worst fit being Δh (R²=0.6395). The best fit was ΔC* (R²=0.3451), and the worst was ΔC* (R²=0.3451). Because of the large difference in the simulation effect of contusion during negative pressure suction, the initial values differed greatly, and the effect caused by the initial value and sampling error could be reduced if all the data at the same time point were averaged. After taking the mean value, the color values with time change law are obvious, and the regression equation has excellent goodness of fit; the best fit is Δh(R²=0.9980), and the worst fit is ΔC*(R²=0.9089).
ΔE*_ab represents the total color difference, and the slope of the regression equation indicates the speed of color change, so the slope of the regression equation for the ΔE*_ab indicator can indicate the degree of speed of color change. All samples with ΔE*_ab maxima <5 and one case of subcutaneous hemorrhage that affected the stability of the data were excluded, and the slopes of the regression equations of ΔE*_ab for all remaining individuals (40 cases on the “heavy side” and 35 cases on the “light side”) were counted to analyze the differences in color change between the two sides of the contusion. Differences in contusion color change.
Table.3 Regression equations for the overall and mean values of the six indices for the “heavy side

Color difference index	Overall		Mean value
	Regression equation	R2	Regression equation	R2
Aa*	y=-0.7203x+6.259	0.4188	y=-0.7153x+6.25	0.9753
Ab*	y=-0.2898x2+2.989x-5.062	0.6203	y=-0.2912x2+2.9932x-5.0628	0.984
AE*ab	y=-1.660x+14.60	0.4468	y=-1.634x+14.554	0.9813
AC*	y=-0.207x2+1.85x-0.8552	0.3451	y=-0.2095x2+1.8616x-0.8618	0.9089
Ah	y=-0.464x2+6.291x-23.6	0.6395	y=-0.4604x2+6.277x-23.591	0.998

Note: x denotes time, and y denotes color difference values.

2.4 Razlike med spoloma

Because the variance of the 5 indicators of t_vrh, t_{b negativno}, t_{b vrh}, t_{C vrh}in t_skupaj were not homogeneous between men and women of the 41 cases of the heavier side, comparisons were made using the Mann-Whitney U-test. P-values were all >0.05, i.e., there was no significant gender difference in the appearance of these characteristics at the time.

2.5 Razlike v stopnji

Excluding the samples with ΔE*_ab maximum <5 on the “light side” and one case of subcutaneous hemorrhage on the “heavy side”, the paired t-test was used to compare the t_vrh, t_{b minus}, t_{b vrh}, t_{C vrh}in t_skupaj on both sides of the remaining 35 samples. t_vrh, t_{b minus}, t_{b vrh}, t_{C vrh}, t_skupaj, t_{b vrh}, t_skupaj 3 indicators P value <0.05, the time of appearance of the three indicators and the degree of contusion significantly correlated. t_{b negativno}, t_{C peak,} P value >0.05, the correlation between these two indicators and the degree of contusion is insignificant. ΔE * ab slope P value <0.05, that is, the degree of contusion and the speed of color change are significantly correlated, and the greater the degree of contusion, the faster the speed of change.

3. Razprava

3.1 Pomen vsakega indeksa

After erythrocytes escape from blood vessels to subcutaneous or intradermal, the skin at the contusion site will change color due to the inflammatory reaction and the metabolic process of hemoglobin. The color of the early contusion site depends mainly on the number of escaped erythrocytes and the depth of the erythrocyte site from the skin. Hemoglobin near the skin’s surface will appear red, but the skin will appear blue when the escaped blood goes deeper into the tissue. This phenomenon is caused by a combination of Rayleigh scattering, the light absorption coefficient of the skin, and our visual system. After a contusion occurs, although neutrophils are the first inflammatory cells to arrive, they do not degrade hemoglobin. Mononuclear phagocytes phagocytose erythrocytes contain the enzyme heme oxygenase that breaks down hemoglobin into biliverdin and releases carbon monoxide and iron. Biliverdin is a green pigment rapidly converted to bilirubin by the enzyme biliverdin reductase. Free iron combines with ferritin to form ferric hemoflavin, and bilirubin can also accumulate locally to form yellow bilirubin crystals.

The ΔL* value showed a negative value after injury, that is, the color of the contusion site deepened by the naked eye, and the color gradually became lighter during the recovery process. The Δa* value reflects the red-green index, that is, the hemoglobin is degraded while the green biliverdin is generated, so the Δa* value gradually decreases with time. The appearance of t_vrh may be related to the rate of biliverdin production and the rate of bilirubin conversion, but the specific mechanism is unclear. The Δb* value represents the yellow-blue axis. When the contusion occurs, the hemoglobin in the deeper part appears blue. Therefore, the Δb* value is negative after contusion, and the Δb* value becomes larger as these hemoglobins are degraded. Subsequently, due to the formation of hemosiderin and bilirubin, the contusion site gradually showed yellow visible to the naked eye. Negative tb does not mean the time when hemosiderin and bilirubin begin to be produced. It should be understood as the time when the yellow value can cover the blue value of deep hemoglobin, that is, the amount of hemosiderin and bilirubin accumulated to a certain extent. The t_{b vrh} appears because the decomposition of iron-containing blood yellow and bilirubin exceeds its formation rate. ΔE*_ab represents the total color difference, reflecting the color of the contusion area from the initial abnormality to the final and the surrounding normal skin color is basically the same. ΔC* and Δh can be transformed from CIE Lab color space, so the meaning represented by their values is more complex and difficult to be explained by a single material change.

3.2 Sklepanje o času in stopnji kontuzije

This experiment verifies that gender does not affect the color elimination speed or the appearance of characteristic time points of contusion. In contrast, the 3 indicators of t_vrh, t_{b vrh}in t_skupaj and the color difference elimination speed are related to the degree of contusion, and the 2 indicators of t_{b negativno} in t_{C vrh} are not affected by the degree of contusion. Among them, the process of Δb* value from negative to positive appeared in 1.72±0.90d, so Δb* turned positive at least after 19h. t_{C vrh} appeared in 3.73±1.35d, but it requires several measurements to determine, which is difficult to apply in practice. The time at which the Δb* value turns negative to positive is recommended as the primary indicator of the newness of the contusion.
The goodness of fit of each color difference index of the “heavy side” is the best with Δh (R²=0.6395). Still, in the application process, many software does not support the LCh color mode and need to be converted to get, and h represents the hue angle of beginners is more difficult to understand, so it is only recommended to use it when the conditions allow. Δb* regression curve of R² = 0.6203 also has a high degree of fit, and Δb* represents a clear change in the specific substance, so Δb* is more suitable for the precise inference of the damage time.
The generally low goodness of fit of the “heavy side” fitting curves was mainly due to the different initial damage degrees, and fitting all the data at the same time after averaging could eliminate the differences in damage degrees between individuals and reflect the rate of change of each color difference index. The goodness of fit of all six color difference indicators for the mean values was >0.9, indicating a significant correlation between the rate of change of contusion color and time.
Because both the initial degree of contusion and the time of contusion affect contusion color, the precise time of contusion can be inferred only from photographs taken a short time after the presence of a contusion, or the initial degree of contusion if the time of contusion is determined.

3.3 Vrednotenje modelov kontuzije

Common contusion models include negative pressure suction, paintball gun strikes, artificial compression, and subcutaneous injection. Although the degree of negative pressure attraction is controllable and the time of action is controllable, it was found during the experiment that the effect of contusion is still different for different individuals. This may be due to the richness of blood vessels in the medial forearm and the differences in distribution between individuals, so the final effect is different. In addition, the sebum thickness of the medial forearm was greater in the volunteers with smaller initial contusions, which was not favorable for negative pressure suction, consistent with the fact that contusions are less likely to occur in real-life scenarios with greater sebum thickness. Therefore, the experimental model needs to be improved by avoiding superficial veins as much as possible and controlling the appropriate pressure for suction.

4. Zaključek

In summary, the color change of contusions is not related to gender but to the initial degree of contusion. The color data can be quantified by measuring the color index of the contusion using a colorimeter to determine the degree of newness of the contusion, i.e., the Δb* value turned positive at least 19h after the occurrence of the contusion. Both Δh and Δb* values can be used when inferring the time of contusion formation and initial degree.
In this study, we only examined the color change of contusions by gender and degree of contusion and did not consider age, sebum thickness, and contusion site. We need to study further the effects of these factors on contusion, as well as continue to expand the sample size and search for new color indicators to make the method more accurate.
Author: Yao Zewei