Statistici e scienze forensi: una coppia perfetta (2023)

Steve Pierson e Karen Kafadar

Le notizie sul rilascio di persone incarcerate ingiustamente dopo anni di detenzione hanno contribuito a mettere in luce la necessità di rafforzare il fondamento scientifico di molte discipline scientifiche forensi. Anche gli statistici hanno contribuito a chiarire il problema e sono visti come una parte vitale della soluzione. Questo numero diOPPORTUNITÀesplora il ruolo degli statistici nella riforma della scienza forense e descrive i recenti sforzi di ricerca che gli statistici hanno intrapreso.

Questa introduzione ripercorre brevemente la storia che ha portato ai recenti sforzi federali che includono l'istituzione di una National Forensic Science Commission (NCFS) e l'Organizzazione dei comitati di area scientifica (OSAC) del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i molti modi in cui gli statistici sono coinvolti in quelle organizzazioni.

Gli statistici si sono interessati alle prove forensi e in tribunale sin dall'inizio del XIX secolo. Ad esempio, in Europa, Adolphe Quetelet (1796–1874) e Francis Galton (1822–1911) hanno entrambi avanzato l'idea che le impronte digitali siano uniche (sebbene la raccolta delle misurazioni su di esse potrebbe non esserlo).

Come spiegato da Stigler nel 1999, Galton è stato particolarmente influente nell'identificare i criminali sviluppando un sistema di classificazione delle caratteristiche sulla stampa (tipi di archi, spirali e anelli). Il matematico Henri Poincaré (con altri due accademici francesi) ha presentato una relazione nel secondo appello del caso Dreyfus (1904), criticando le ipotesi fatte da Alphonse Bertillon nella sua analisi calligrafica di un documentosecondo quanto riferito scritto da Dreyfus(accesso 19 luglio 2015).

Negli Stati Uniti, Benjamin Pierce e suo figlio Charles hanno entrambi testimoniato in un caso di analisi della grafia che coinvolgeva la controversa firma su un apparente codicillo del testamento della zia di Hetty Green, Sylvia Ann Howland (vedi Meier e Zabell 1980 e Slack 2005 in Ulteriori letture) .

Nonostante questi famigerati usi della probabilità e della statistica nei casi che coinvolgono prove forensi, l'ampio coinvolgimento della statistica nella scienza forense è rimasto generalmente limitato fino a quando l'uso della genetica delle popolazioni e dei rapporti di verosimiglianza nel valutare la forza di una "corrispondenza" tra il DNA trovato nelle prove a un certo punto scena del crimine e quella di un sospetto. (Problemi di miscele di DNA trovati nelle prove sulla scena del crimine, rarità dei profili e misurazione dei picchi che portano al drop-in/drop-out allelico continuano a essere oggetto di indagine; vedi, ad esempio, Weir 2007.)

Mentre c'erano rapporti precedenti che identificavano problemi con il fondamento scientifico delle discipline scientifiche forensi (vedi sotto), era il rapporto delle National Academies del 2009,Rafforzare la scienza forense negli Stati Uniti: un percorso da seguire, che ha elevato la questione a causa nazionale. Il prestigio delle accademie e dei membri del panel, l'ampiezza del rapporto e la critica acuta delle discipline della scienza forense si sono tutti combinati per rendere il rapporto un catalizzatore per la riforma della scienza forense. Il sommario esecutivo includeva la sorprendente dichiarazione: "Con l'eccezione dell'analisi del DNA, tuttavia, nessun metodo forense ha dimostrato rigorosamente di avere la capacità di dimostrare in modo coerente e con un alto grado di certezza una connessione tra prove e uno specifico individuo o fonte."

ILRafforzare la scienza forenseIl rapporto ha anche contribuito a segnalare l'importanza degli statistici per la riforma della scienza forense includendo due statistici tra i suoi 17 membri del panel: Constantine Gatsonis (copresidente) e Karen Kafadar.

Approfondimenti precedenti

Quattro rapporti della National Academy che trattano di forme specifiche di prove forensi hanno preceduto ilRafforzare la scienza forenserapporto. Le analisi statistiche nel primo report sul DNA delle National Academies,Tecnologia del DNA nelle scienze forensi(1992), sono stati aggiornati inLa valutazione delle prove del DNA(1996); con i membri del panel David Siegmund e Stephen Stigler, questo secondo rapporto ha affrontato più attentamente i problemi statistici e l'interpretazione delle analisi del DNA.

Poligrafo e rilevamento della menzogna(2003), il cui panel includeva Stephen Fienberg (presidente), ha concluso che gli studi affidabili sull'accuratezza del poligrafo erano estremamente limitati e altamente specifici per incidenti particolari, e quindi non generalizzabili.

Analisi forense che pesa le prove di piombo dei proiettili(2004), il cui gruppo di autori includeva Karen Kafadar e Clifford Spiegelman, ha evidenziato le procedure statistiche inappropriate utilizzate dall'FBI per confrontare le firme di tracce chimiche di sette elementi nel piombo dei proiettili trovati sulla scena del crimine rispetto a quelli in possesso del sospettato. (L'FBI ha interrotto la pratica 18 mesi dopo, nel settembre 2005.)

Immagini balistiche(2008), i cui coautori includevano gli statistici John E. Rolph (presidente), Alicia Carriquiry, David L. Donoho, William F. Eddy, Vijay Nair e Daryl Pregibon, hanno condotto attente analisi statistiche dei dati delle immagini balistiche esistenti, che hanno portato alla raccomandazione contro la costruzione di una banca dati nazionale di riferimento.

Tutti questi rapporti hanno evidenziato il valore delle statistiche nelle loro conclusioni, ma è stata la natura ampia e onnicomprensiva del rapporto del 2009 che ha davvero preso d'assalto il campo della scienza forense.

Il Congresso ha preso atto delRafforzare la scienza forenserapporto e l'attenzione che stava ottenendo nelle comunità della giustizia penale e della scienza forense. Il senatore Patrick Leahy (D-VT), allora presidente della commissione giudiziaria del Senato, ha diffuso un progetto di legge per agire sullaRafforzare la scienza forensesegnalare raccomandazioni all'inizio del 2010 e ha introdotto S. 132, il Criminal Justice and Forensic Science Reform Act, all'inizio del 2011. Il senatore Jay Rockefeller (D-WV), allora presidente del Comitato del Senato per il commercio, la scienza e i trasporti, ha introdotto disegno di legge incentrato sulla scienza nel 2012, S. 3378, il Forensic Science and Standards Act del 2012. Presto il membro del Congresso Eddie Bernice Johnson (D-TX) ha introdotto un disegno di legge complementare alla Camera.

L'attenzione suscitata dai disegni di legge Leahy, Rockefeller e Johnson e le udienze che li accompagnarono contribuirono ulteriormente a richiamare l'attenzione sulla necessità di una riforma della scienza forense.

In concomitanza con le deliberazioni sulla riforma della scienza forense del Congresso, l'amministrazione Obama stava anche lavorando alla riforma della scienza forense. Un gruppo di lavoro a livello amministrativo organizzato dall'Office of Science and Technology Policy (OSTP) della Casa Bianca ha contribuito a informare le principali iniziative del NIST e del Dipartimento di Giustizia (DoJ).

NCFS è stato istituito all'inizio del 2014 per migliorare la pratica e migliorare l'affidabilità della scienza forense. Guidata congiuntamente dal NIST e dal DoJ, la commissione conta 36 membri, tra cui lo statistico Fienberg (Kafadar è anche membro della sottocommissione per l'inchiesta scientifica e la ricerca dell'NCFS). I commissari hanno spesso sollevato la necessità di coinvolgere gli statistici nella riforma della scienza forense nelle prime riunioni dell'NCFS.

Il NIST ha anche revisionato i molti cosiddetti gruppi di lavoro scientifici (SWG), sostituendoli con l'OSAC. I SWG erano composti da esperti scientifici in materia per 20 discipline scientifiche forensi, ma le loro attività non erano coordinate in alcun modo ei livelli di attività e gli standard variavano ampiamente. L'OSAC è stato istituito per coordinare le attività e gli standard tra le discipline ed è supervisionato da un Forensic Science Standards Board (FSSB). Ha cinque comitati di area scientifica (SAC), 24 sottocomitati e tre comitati di risorse.

Nella discussione dell'NCFS sullo sviluppo dell'OSAC, diversi commissari hanno esortato ciascuna unità dell'OSAC a includere uno statistico, che sembrava diventare un obiettivo non scritto. In effetti, ci sono statistici nell'FSSB, in quattro dei cinque SAC e nella maggioranza dei sottocomitati.

Anche la Corte Suprema ha preso rapidamente atto delRafforzare la scienza forenserapporto, con il giudice Antonin Scalia che cita il rapporto nel suo parere suMelendez-Diaz contro Massachusetts, 129 S.Ct. 2527, 2536 (2009) solo quattro mesi dopo il rilascio del rapporto, poiché il rapporto metteva in dubbio l'attendibilità delle prove forensi.

Poco dopo l'uscita delRafforzare la scienza forenserapporto, il consiglio di amministrazione dell'American Statistical Association (ASA) ha rilasciato una dichiarazione in cui approva le raccomandazioni del rapporto e sottolinea il ruolo degli statistici nella riforma della scienza forense. Su sollecitazione dei suoi membri più attivi nella ricerca scientifica forense, l'ASA ha anche creato l'ASA Ad Hoc Committee on Forensic Science. Il comitato ha svolto un ruolo attivo nell'incontro con i comitati del Congresso per rafforzare l'importanza delle raccomandazioni del rapporto del 2009, sostenere l'adozione della legislazione per sviluppare una struttura per eseguire ilRafforzare la scienza forenseriferire raccomandazioni e sollecitare una supervisione indipendente della riforma.

Nel 2012, il comitato ha rivolto la sua attenzione all'amministrazione, interagendo con i rappresentanti delle varie agenzie coinvolte nella ricerca scientifica forense - NIST, National Institute of Justice (NIJ) e FBI Laboratory - e NCFS. Il comitato ha anche organizzato uno sforzo concertato affinché gli statistici facessero domanda per le posizioni dell'OSAC ed è stato attivo nell'organizzazione di sessioni a tema di scienze forensi per le riunioni statistiche congiunte.

Il NIJ ha anche chiesto al comitato scientifico forense dell'ASA raccomandazioni per far parte dei suoi comitati di revisione delle proposte e ha riferito di quanto sia migliorata la robustezza statistica nelle proposte al NIJ durante il periodo in cui Greg Ridgeway, uno statistico, era il suo vicedirettore. Inoltre, nel 2014 il NIST ha emesso una sollecitazione affinché un Centro di eccellenza per le scienze forensi promuova "l'adozione diffusa di metodi probabilistici", un chiaro cenno all'importanza della statistica. In effetti, il Centro di eccellenza è stato assegnato nel 2015 a uno sforzo guidato dalla Iowa State University per il quale quattro dei cinque ricercatori principali sono statistici (incluso Kafadar).

Il General Accounting Office ha anche chiesto l'aiuto del comitato per rivedere le componenti statistiche della sua revisione 2013-2015 dell'indagine sull'antrace dell'FBI nei primi anni 2000.

In quanto scienza che impara dai dati e ne caratterizza l'incertezza, la statistica è essenziale per rafforzare le scienze forensi. In effetti, come affermato nella dichiarazione del consiglio di amministrazione dell'ASA del 2010, "Gli statistici sono fondamentali per stabilire protocolli di misurazione, quantificare l'incertezza, progettare esperimenti per testare nuovi protocolli o metodologie e analizzare i dati di tali esperimenti". I pezzi di questo specialeOPPORTUNITÀproblema aiuta a illustrare questi ruoli.

Statistiche e analisi composizionale del piombo dei proiettili

Nel 2004, la National Academy of Sciences (NAS) ha pubblicato un rapporto sull'uso dell'analisi composizionale del piombo dei proiettili (CABL) nelle indagini forensi.

L'FBI aveva utilizzato il CABL sin dagli anni '60 in casi in cui non era stato possibile recuperare alcuna pistola, come nell'assassinio di John F. Kennedy. Una "firma" composta da tre o quattro concentrazioni di oligoelementi (successivamente ampliate a sette elementi) è stata misurata sul piombo dei proiettili trovati sia sulla scena del crimine che in possesso del sospettato. Il comitato NAS che ha scritto il rapporto ha riscontrato due difetti fondamentali nell'uso del CABL per collegare la firma del piombo del proiettile sulla scena del crimine al sospetto.

In primo luogo, la procedura statistica dell'FBI consisteva in tre misurazioni della concentrazione su ciascun elemento, da cui veniva calcolata la media più o meno due deviazioni standard; se gli intervalli (media – 2*deviazione standard, media + 2*deviazione standard), calcolati sui due proiettili (scena del crimine e sospetto) si sovrappongono perTuttoelementi, i proiettili sono stati dichiarati "analiticamente indistinguibili".

Infatti, il test statistico corretto sarebbe il T di Hotelling², assumendo che gli errori nella misura delle concentrazioni siano gaussiani e che la loro matrice di correlazione possa essere ben stimata. Il test "2-SD-overlap" dell'FBI era molto più generoso, in quanto i proiettili le cui concentrazioni differivano di ben quattro deviazioni standard sarebbero stati definiti "analiticamente indistinguibili" (implicando la colpa), portando a un tasso di errore più elevato di quanto l'FBI ritenesse esisteva (sulla base del suo campione non casuale di proiettili dalla sua raccolta di analisi CABL).

In secondo luogo, il processo di produzione del piombo dei proiettili era altamente coerente; di conseguenza, grandi popolazioni - forse da 1 a 35 milioni di proiettili - potrebbero essere analiticamente indistinguibili dal test di sovrapposizione 2-SD dell'FBI, che potrebbe finire in migliaia di scatole. Pertanto, mentre un test statistico adeguato potrebbe essere utilizzato per verificare l'ipotesi che due proiettili provenissero dallo stesso lotto, non potrebbe essere utilizzato per concludere che provenissero dallo stesso lotto.scatola.

Ad esempio, la Figura 1 mostra le concentrazioni a coppie (antimonio, Sb; rame, CU; bizmuth, Bi; argento, Ag) in parti per milione (ppm) di 50 proiettili in due scatole fornite all'FBI da CCI Munition. Tra i 50 x 50 = 2.500 confronti tra i proiettili nella scatola 2 e nella scatola 4, 1.092 "corrispondenze" sarebbero rivendicate dalla procedura dell'FBI.

Usando il teorema di Bayes sulle concentrazioni elementari dei 100 proiettili in queste due scatole, la probabilità che due proiettili qualsiasi provenissero da scatole diverse, dato che il test di sovrapposizione 2-SD dell'FBI affermava di corrispondere, era 0,47, dimostrando l'impossibilità di poter affermare che i proiettili che hanno superato il test di sovrapposizione 2-SD dell'FBI provenivano dalla stessa scatola.

Ulteriori letture

Everitt, Brian e Torsten Hothorn. 2011.Un'introduzione all'analisi multivariata applicata con R. New York: Primavera.

Meier, Paul e Sandy Zabell. 1980. "Benjamin Pierce e Howland Will",Giornale dell'Associazione statistica americana, 75(371), 497–506.

Smettila, Carlo. 2005.Hetty: il genio e la follia del primo magnate donna d'America, New York: Harper perenne.

Spiegelman, Clifford H., William A. Tobin, William D. James, Simon J. Sheather, Stuart Wexler e D. Max Roundhill. 2007. “Analisi chimica e forense dei lotti di proiettili dell'assassinio di JFK: è possibile un secondo tiratore?(scarica PDF)”Annali di statistica applicata1(2): 287–301.

Weir, Bruce S. 2007. “La rarità dei profili del DNA(scarica PDF)”Annali di statistica applicata1(2): 258–370.

Riguardo agli Autori

Steve Piersonha conseguito il dottorato di ricerca in fisica presso l'Università del Minnesota. Ha trascorso otto anni presso il Dipartimento di Fisica del Worcester Polytechnic Institute e in seguito è diventato capo delle relazioni con il governo presso l'American Physical Society prima di entrare a far parte dell'ASA come direttore della politica scientifica.

Cane da spallaè un esponente di spicco dell'analisi esplorativa dei dati. La sua ricerca si concentra anche su metodi robusti, caratterizzazione dell'incertezza nelle scienze fisiche, chimiche, biologiche e ingegneristiche e sulla metodologia per l'analisi delle prove di screening. È stata redattrice delGiornale dell'Associazione statistica americanaSezione Revisioni e diTecnometria, ed è attualmente redattore di biologia e genetica delAnnali per la statistica applicata. Oltre al suo servizio nel Board of Trustees del NISS, è un membro passato o presente nei consigli di amministrazione dell'ASA, dell'Institute of Mathematical Statistics e dell'International Statistical Institute. È Fellow dell'ASA, dell'American Association for the Advancement of Science e dell'International Statistics Institute, e attualmente fa parte del Forensic Science Standards Board dell'OSAC.

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