《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Pupal age estimation of Dermestes maculatus (Coleoptera: Dermestidae) using hyperspectral imaging and machine learning
编辑推荐：
田乐乐|王嘉怡|苗世林|张向彦|吴海|王浩|杨乐|李静|赵有莎|尚彦杰|郭亚东中南大学湘雅基础医学院法医学系，中国湖南省长沙市410013摘要Dermestes maculatus DeGeer, 1774是一种与尸体分解后期和骨骼化过程相关的食腐甲虫，其蛹期长度对估算长期死亡时
田乐乐|王嘉怡|苗世林|张向彦|吴海|王浩|杨乐|李静|赵有莎|尚彦杰|郭亚东
中南大学湘雅基础医学院法医学系，中国湖南省长沙市410013
摘要
Dermestes maculatus DeGeer, 1774是一种与尸体分解后期和骨骼化过程相关的食腐甲虫，其蛹期长度对估算长期死亡时间（PMI）具有法医学意义。然而，对于食腐甲虫的蛹期年龄估算研究仍然不足，尤其是使用非侵入性光谱方法的研究更为有限。在本研究中，首次将高光谱成像（HSI）与机器学习相结合，用于估算食腐甲虫的蛹期年龄。在恒定温度（25.0?±?0.5?°C）条件下，每天通过形态观察和从正面及侧面进行HSI采集数据，对D0至D7阶段的D. maculatus蛹进行观察。使用来自正面、侧面及综合数据集的Raw、SG和SNV光谱，开发了六种回归模型（SVR、RF、PLS-R、XGBR、PCR和CLR）。结果表明，蛹期内的形态变化较为有限。高光谱反射率随蛹龄增加而逐渐降低，主成分分析（PCA）显示在整个蛹发育过程中存在连续的光谱变化，且在整个光谱范围内都有显著贡献。所有模型的R2P值介于0.70至0.94之间，RMSEP值介于0.56至1.26天之间。SVR在各数据集中的预测性能最佳。这些结果表明，HSI为D. maculatus的蛹期年龄估算提供了一种可行的非侵入性方法，并可能提升食腐甲虫在长期PMI估算中的法医学应用价值。
引言
法医昆虫学通过研究与案件相关的昆虫，为法律调查提供科学证据，特别是在确定死亡时间（PMI）、死亡地点和死因等方面[1]、[2]。实践中，昆虫学证据最常用于根据食腐昆虫的发育顺序和数据来估算最小死亡时间（PMImin）[3]、[4]。在分解初期，食腐蝇会迅速聚集在尸体上，因此是这一阶段估算PMI的关键指标[5]。然而，当分解进入后期或骨骼化阶段时，蝇类通常已完成发育并离开尸体，而食腐甲虫逐渐成为现场的主要昆虫群体[6]。因此，在涉及长期PMI估算的案件中，甲虫提供了不可或缺的法医证据。
目前关于食腐甲虫的研究主要集中在收集发育数据[7]，而对其蛹期年龄的估算研究仍较为有限。实际上，蛹期是全变态昆虫的关键阶段，在此期间幼虫通过广泛的组织重组、生理和代谢变化以及表型重塑转变为成虫[8]。此外，蛹期通常占整个幼虫发育期的相当大比例[9]，在某些法医案例中，蛹可能是从现场发现的唯一或最古老的昆虫证据。因此，准确的蛹期年龄估算对于PMI估算尤为重要[10]。以往关于食腐昆虫蛹期年龄的研究主要集中在双翅目昆虫上，采用的方法包括蛹内形态特征[11]、组织染色[12]、基因表达分析[13]以及光谱技术（如衰减全反射傅里叶变换红外光谱ATR-FTIR[14]）。相比之下，关于甲虫蛹期年龄的研究仍较少。在食腐甲虫的脱皮蛹中，形态变化相对微妙[15]，而组织学和物理化学方法可能具有破坏性、耗时且在法医应用中实用性有限。这一差距可能限制了甲虫证据在分解后期和骨骼化阶段用于PMI估算的法医应用。
高光谱成像（HSI）是一种非破坏性的分析技术，它结合了成像和光谱技术，能够同时获取样本的空间信息和连续的光谱信息。因此，它非常适合检测生物发育过程中的颜色、角质结构及内源性化学成分的细微变化[16]、[17]。与传统形态学和物理化学方法相比，HSI具有非侵入性、非接触性和非破坏性的优势[18]。更重要的是，它可以应用于完整或活的样本，而不会导致样本死亡、研磨或其他损伤，从而保留材料以供后续分析。机器学习已广泛应用于多种数据驱动任务的预测建模和性能评估[19]、[20]、[21]，可以从复杂的光谱数据中提取潜在特征，并建立分类或回归模型以实现客观区分和定量预测[22]、[23]。近年来，HSI与机器学习的结合已开始应用于食腐蝇的蛹期年龄估算。例如，在Chrysomya megacephala（Fabricius, 1794）的研究中，高光谱数据结合随机森林回归（RF）、支持向量回归（SVR）和极端梯度提升回归（XGBR）在不同温度条件下有效预测了蛹的发育时间[24]。然而，迄今为止，这种方法尚未应用于食腐甲虫。
Dermestes maculatus DeGeer, 1774（鞘翅目：皮蠹科）是一种全球分布的储藏产品害虫，在尸体分解后期和骨骼化过程中常见。它主要以腐烂后期残留的干燥软组织为食，被认为是重要的法医食腐甲虫之一[25]。研究表明，雄性D. maculatus会被苯基丁酸这种在分解后期释放的挥发性化合物吸引，并随后释放信息素以吸引雌性进行交配和繁殖[26]、[27]。该物种已在多起涉及人类遗体的法医案例中被报道[28]、[29]、[30]。其在不同温度条件下的发育数据已被广泛研究[25]、[31]、[32]，并应用于实际法医案例中的PMImin估算[33]、[34]、[35]、[36]。然而，D. maculatus的蛹期年龄估算尚未得到研究，尤其是使用能够捕捉细微发育变化的非破坏性方法。因此，将HSI应用于D. maculatus的蛹期年龄估算在方法学上具有必要性，在法医学上也具有重要意义。
因此，本研究结合了高光谱成像和机器学习，在恒定温度条件下对D. maculatus蛹进行每日形态观察和高光谱采集，并使用不同数据源构建和比较了蛹期年龄估算的回归模型。据我们所知，这是首次将高光谱成像应用于食腐甲虫发育推断的研究。这种方法是非侵入性的、非破坏性的，可能为食腐甲虫在长期PMI估算中的法医应用提供新的技术支持。
章节摘录
昆虫群体建立
2024年8月，从中国湖南省宁乡市（27°55′–28°29′N, 111°53′–112°46′E）收集了几十只成年D. maculatus，并将其带到实验室建立群体。根据Zhang等人的《中国储藏产品相关的甲虫》[37]进行形态鉴定。进一步使用DNA条形码技术进行分子鉴定。基因组DNA使用Accurate Biotechnology提供的商业基因组DNA提取试剂盒提取。
D. maculatus的蛹期形态
D. maculatus蛹期的外部形态变化较为有限（图1）。总体而言，从D0到D4阶段的形态变化相对较小。从D5开始，局部色素沉着变得明显，到D7时体表明显变暗，表明蛹已进入羽化前的后期阶段。从正面和侧面观察，在前3天内没有明显变化。从D3开始，复眼颜色从灰色变为黑色。
结论
本研究评估了将高光谱成像与机器学习结合用于D. maculatus蛹期年龄估算的可行性。D. maculatus是一种在尸体分解后期和骨骼化过程中具有重要法医学意义的食腐甲虫。蛹期发育过程中的形态变化有限，而高光谱反射率随蛹龄增加而逐渐降低。PCA进一步表明，发育过程中的光谱变化是连续的，尽管早期和中期
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82572150, 82402196）、湖南省自然科学基金（项目编号2024JJ6546）以及中国公安部法医学研究所开放项目（项目编号2025CSEEKFKT02）的支持。
