經過反復觀看監控視頻中出現的鏡頭，沈翊終于有了新的發現︰“這不是真的骷髏頭，是有人故意戴在頭上的面具。而且，從走路姿勢和身形判斷，凶手個子比較小，很可能是為了增加自己的威懾力，才戴上這個骷髏頭面具。”
杜城听後，眼前一亮︰“既然如此，我們就從這一點入手。排查酒店當天的住客登記信息，看看有沒有身材矮小的人入住。同時，擴大調查範圍，調取酒店周邊的監控視頻，看看是否能找到可疑人員的蹤跡。”
警員們迅速行動起來。他們仔細查閱酒店的入住記錄，對每一個住客進行詳細調查。同時，技術人員加班加點，分析酒店周邊的監控視頻。
在調查過程中，一個名叫李光榮的人引起了他們的注意。李光榮在案發當晚入住酒店，登記信息顯示他身高只有一米六五，符合沈翊推斷的凶手身材特征。而且，他在案發後第二天一大早就匆匆退房，行為十分可疑。
杜城和沈翊立刻對李光榮展開深入調查。他們發現李光榮現在是一個無業游民，平時靠打零工為生，經常出入一些網吧、游戲廳等場所。進一步調查發現，李光榮與死者謝湘雅之間似乎有著某種聯系。原來，李光榮曾經是謝湘雅科海外研項目的助手，但因為學術造假被謝湘雅辭退，從此懷恨在心。
杜城和沈翊認為李光榮具有重大作案嫌疑，決定對他實施抓捕。經過一番布控，警方在一個網吧里找到了李光榮。當杜城和沈翊出現在他面前時，李光榮臉色瞬間變得蒼白，試圖逃跑，但很快被警員制服。
在審訊室里，李光榮一開始還百般抵賴，但在杜城和沈翊強大的心理攻勢下，以及警方掌握的證據面前，他終于承認了自己的罪行。
原來，李光榮被謝湘雅辭退後，一直心懷不滿，認為是謝湘雅毀了他的前程，回國後又找不到新的工作，這次得知謝湘雅回國並入住這家酒店後，他便心生殺意。為了制造恐怖氛圍，同時掩蓋自己的身份，他特意制作了一個骷髏頭面具。
案發當晚，他趁著酒店保安巡邏的間隙，避開監控，偽裝成酒店服務員潛入酒店。他事先了解到謝湘雅的房間位置，用事先準備好的萬能鑰匙打開房門。進入房間後，他看到謝湘雅正在熟睡，便拿出準備好的繩索，勒住了她的脖子，直到她停止呼吸。
作案後，他故意替換了監控視頻，企圖混淆警方的視線。本以為自己的計劃天衣無縫，卻沒想到最終還是沒能逃脫警方的追捕。
隨著李光榮的落網，這起轟動一時的酒店凶殺案終于畫上了句號。北江市的人們也漸漸放下了心中的恐懼，城市又恢復了往日的喧囂與安寧。杜城和沈翊再次憑借著他們的智慧和勇氣，成功破解了這起看似離奇的案件，𥕜衛了法律的尊嚴和城市的和平。
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