X-ray 在鱼体组织及微量元素检测中的应用

2024-02-18宋一帆张胜茂唐峰华张寒野石永闯崔雪森

应用光学 2024年1期

宋一帆，张胜茂，张衡，唐峰华，张寒野，石永闯，崔雪森

（1.上海海洋大学信息学院，上海 201306；2.农业农村部渔业遥感重点试验室，中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090）

引言

X-ray 技术是一种无损检测技术，旨在检测物体的内部结构和组成，通过使用X 射线来实现。其基本原理是，X 射线穿透样本，检测出射辐射中被吸收的能量，并根据不同能量吸收程度生成图像。X-ray 技术被广泛应用于医学、物质分析和工程领域，以确定物体的结构、缺陷和成份。常见的X-ray 技术包括二维、三维成像技术（如X-ray 照相法和X-CT 技术）和元素分析技术（如X-ray 衍射法和吸收光谱法）等。

在渔业领域未应用X-ray 技术时，制作标本的传统方法需要对鱼体进行解剖和处理，这会导致鱼体的破坏和形态失真，同时也需要大量时间和人力成本。近年来随着X-ray 技术在生物医学领域的不断发展，研究者们为了更好地研究鱼体器官的结构与运动情况，开始尝试将其应用于渔业领域。通过使用X-ray 技术，可以快速、准确地获取鱼体的内部结构和器官的形态特征信息，避免解剖过程中对鱼体所造成的破坏和误差。2009年，叶振江[1]在研究鱼耳石形态时，仍使用单反相机对耳石形态进行记录，而近年随着X-ray 技术在非医学领域的应用推广，越来越多的研究者开始使用X-ray 成像技术对鱼体器官组织进行建模，以获取更准确、详细的信息。

除去 X-ray 成像法的应用，X-ray 技术更加广泛地应用于鱼类元素成份分析。对于渔业研究者而言，深入了解鱼类体内元素的含量和分布显得至关重要，这些信息有望增进我们对鱼类生态环境和生态系统影响因素的理解，也能够提高鱼类养殖和捕捞的管理水平。1997 年，CAMPANA S E等[2]对X-ray 测定鱼耳石元素的准确度、精密度和灵敏度与电子探针等方法进行了对比研究，实验发现X-ray 可以较为准确地测定铁、镍、铜、锶等微量元素。X-ray 技术可用于分析海洋、淡水中各种鱼类样本，帮助了解鱼类体内所含的生物重要元素以及相关重金属元素的环境污染物存在情况。

目前，X-ray 技术的发展和应用对于鱼类的内部组织结构、微量元素检测和骨骼形态等研究有着重要作用。未来，随着X-ray 技术的不断进步和应用，渔业研究者可以更好地使用该技术来探究鱼类的内部结构和功能，获取更全面和准确的鱼类生态学信息，并对渔业资源的保护和管理产生积极影响。本文总结了近年来国内外X-ray 技术在鱼体组织及微量元素检测中的应用现状，分析了其技术发展状况，并对未来的发展方向进行展望。

1 X-ray 技术

X-ray 技术在渔业领域的应用得益于其极强的穿透力，可用于透视检查和探伤。由于X-ray 的影响力极小，几乎可以实现无损检测，在检测系统中得到广泛应用[3]。此外，X-ray 技术还能够激发荧光，使气体电离和感光乳胶感光，因此也可以应用于电离计、闪烁计数器和感光乳胶片的检测。X-ray探测系统成像速度快、度量单位小，能够实时检测出很小的目标，在渔业领域也具备广泛的应用前景。在鱼体组织器官的无损检测与建模中，常用的X-ray 技术包括X-ray 照相法、X-ray 实时成像法和X-CT 技术；而在与鱼体微量元素检测相关的实验中，常采用X-ray 衍射技术和荧光分析技术。

1.1 X-ray 发生装置

X-ray 技术是一种基于X-ray 电子学、物理学和数学的先进成像技术，具有无损、快速、高精度和广适应性的特点，在医学、材料科学、工程科学等各个领域得到广泛应用。X-ray 波长介于0.001 nm～10 nm 之间的电磁波。在X-ray 成像过程中，Xray 发生装置是关键的组成部分，通常由高压发生器、X-ray 管和X-ray 发生控制器等几个部分组成（见图1）。高压发生器产生阳极与阴极之间的加速电压和灯丝电压，灯丝加热变压器提供X-ray 管的灯丝热能，改变灯丝温度可以调节产生的电子数量，从而调整X-ray 光子的数量和能量。在阳极靶（钨）材料的作用下，高能电子会被特定材料散射，产生新的、次级的电子，并且会释放能量。这些X-ray 光子具有特定的能量和波长，通过准确控制和向被测体内注入X-ray 光子，可以使用相机或其他检测设备记录光子在穿过被测体后产生的影像[3-4]。

图1 X-ray 发生装置原理图Fig.1 Schematic diagram of X-ray generator

为了获得更好的成像效果，X-ray 发生控制器等设备可以对产生的X-ray 束进行调节和控制。在 X-ray 成像过程中，被测体对X-ray 光子的吸收、散射和衍射等作用会导致X-ray 光子在不同区域的强度发生变化，从而形成不同的影像。这些差异可以用来分析被测体的内部结构、组织和成份。在涉及鱼类组织检测中，X-ray 技术可以检测鱼类的骨骼、内脏和异物等，具有非破坏性、快速和准确等优点，为保障渔业产品的质量和安全提供了有力的技术支持。

1.2 鱼体X-ray 检测应用

目前，X-ray 技术在鱼体检测方面的应用可以分为两部分：对鱼体组织器官进行无损检测和对鱼体微量元素进行检测。近年来，这2 个应用方向已经取得了很多卓越的成果。如图2 所示，X-ray技术在渔业领域的应用关系明显。由于X-ray 技术成本进一步下降，已经成为渔业相关研究中非常实用的工具之一。

图2 X-ray 在鱼体组织检测中的应用关系图Fig.2 Application relationship diagram of X-ray in fish body tissue detection

2 鱼体组织器官无损检测

2.1 X-ray 成像法

目前广泛使用3 种X-ray 成像技术，包括X-ray照相法、X-ray 实时成像法和X-CT 技术。当X-ray辐射经过待检测物体时，内部不同物质对辐射的吸收率不同，因此辐射通过物体后会呈现不同强度的分布，从而反映出物体的内部结构。然而，Xray 产生的辐射分布无法直接观察，需要将其转化为图像才能进行观察和评估，为此，X-ray 成像技术应运而生。

2.1.1 X-ray 实时成像法

数字X-ray 成像技术改进了传统的X-ray 拍照方法。传统方法使用X-ray 敏感的照相胶片记录放射性图像，但成本高、成像时间长且易损坏等缺点使其难以广泛应用。数字X-ray 实时成像技术将辐射图像转化为可见光，在光电转换传感器中将光信号转换为电流，通过模拟数字转换器将电流转换为数字信号记录，避免了X-ray 胶片的缺点，主要应用于鱼体组织器官建模和鱼骨识别。X-ray 实时成像技术可以在控制成本的前提下对活体鱼样本体内的器官进行研究，相比传统的解剖等方法，X-ray 图像能够提供更多鱼体存活时的信息。在鱼刺检测中，X-ray 技术用于识别鱼肉中是否存在鱼刺。近年来，随着计算机技术的发展，一些学者开始使用深度学习等方法处理X-ray 数字图像，提高鱼骨识别的效率和准确性。

2.1.2 X-CT 技术

X-CT 技术的全称是X-ray 计算机断层成像技术，简称为CT 技术，其利用X-ray 进行影像制作，可沿不同方向扫描物体的某一截面。探测器测量每条线上透过的X-ray 量，得到一幅投影图。通过多次扫描并在不同角度旋转，可以获得一系列数据，再使用计算机处理数字化的X-ray 信息，得到该截面各个单位容积的组织完整性、形状和吸收系数，并重建图像（见图3）。探测器可分为点、线和面阵列探测器，其中面阵列探测器分辨率最高，提供更准确的图像信息。X-CT 技术在影像学技术中被广泛应用，也是目前体层摄影中使用最多而且最为完善的技术之一[4-5]。

图3 X-CT 原理图Fig.3 Schematic diagram of X-CT

在医学领域，X-CT 技术可以准确地发现鱼刺和炎症[6-11]。由于X-CT 设备成本较高，其在渔业领域中主要用于对鱼体进行高精度建模。相较于X-ray 实时成像技术，X-CT 技术能更详细地了解鱼体内各器官在完整状态下的运动情况。近年来，鱼体建模的相关研究和应用已有较多进展[12-16]。实时和非实时的X-ray 照相法与X-CT 技术都是通用的透视检测技术（见表1）。从成像结果来看，X-ray 主要呈现二维图像数据，而X-CT 技术则呈现三维数字图像。在精度方面，X-ray 技术已成功应用于形态学分析、能够达到毫米级；而X-CT 技术则在形态学和组织学分析等方面能够达到亚毫米级或纳米级的高精度[17-19]。

表1 X-ray 照相法与X-CT 技术的区别Table 1 Differences between X-ray photography and X-ray computed tomography

除此之外，显微CT 还在鱼类骨骼研究中得到广泛应用，鱼类骨骼的结构特征对于理解鱼类的游泳和适应性至关重要。显微CT 是一种采用X 射线成像原理进行高分辨三维成像的设备，可以在不破坏样品的情况下对骨骼、牙齿和各种生物材料等离体标本进行高分辨三维成像[20]。显微CT可以非常精确地重建鱼类骨骼的三维结构，并解析鱼鳍、鱼鳞、鱼翅等特殊结构的形态和功能。此外，显微CT 还能用于鱼类骨质病变、骨折和畸形等骨骼病理学研究。

随着检测精度要求的提高，更高精度的显微CT 在有关鱼体研究中得到了广泛应用。显微CT 采用与普通临床CT 不同的微焦点X 射线球管，分辨率高达几微米，是一种非破坏性的3D 成像技术，可以清晰地了解样本内部的显微结构。显微CT 技术在各种鱼类样本的研究中应用广泛，很多学者还利用显微CT 技术开展了鱼体组织建模、鱼类耳石和鱼类化石等方面的研究[20-22]。

2.1.3 X-ray 成像法的安全隐患

在渔业领域中，X-ray 成像技术的应用非常广泛，也被认为是一种非常重要的研究工具。该技术可以快速、准确地对鱼体内部构造以及生长发育过程进行研究。然而，尽管该技术在渔业研究中有着巨大优势，但在使用过程中会产生大量辐射，因此必须对其潜在的人体健康和环境安全隐患保持重视。实际上，X-ray 技术的辐射量会对人体造成不可逆转的伤害，特别是CT 技术所造成的辐射量甚至是X-ray 照相法的数倍。为确保使用人员的健康和环境安全并遵守国际辐射安全标准，必须采取严格的防护措施。为解决这一问题，研究人员需要不断探索和发展更加安全的X-ray技术，以确保在提高精度和效率的同时，不会对健康和环境产生不良影响。

2.2 鱼体组织器官建模

2004 年，OKUMURA T 等[23]使用X-CT 技术对鱼体结构进行了三维形态测量，以估算鱼类声学后向散射截面。尽管当时X-CT 设备价格昂贵，导致应用相对较少，但随着X-ray 技术的推广和价格下降，对鱼类等其他小型脊椎动物进行建模的研究逐渐增加。近年来，随着计算机技术的发展和数字化转型的趋势，鱼类建模也趋向于数字化[24]。由于鱼类体型较小并且市场需求广泛，因此X-CT技术在渔业建模领域的应用日益增多。

近年来，X-ray 技术在鱼体组织器官建模领域得到广泛应用。由于X-CT 技术成本较高，需要高精度的场景较多，因此大多数的鱼体组织器官检测工作采用了X-ray 数字成像法。不管是采用X-CT技术还是X-ray 数字成像法，这些研究都成功地对不同种类的鱼类进行了三维建模和分析。一些研究采用了先进的数字成像软件和系统（如自动数据处理和图像分析系统）来实现高效和准确的数据采集和分析。这些研究涵盖了包括小型脊椎动物、南大洋中上层鱼类、通过水力涡轮机通道的鱼类、青干金枪鱼和黄鳍金枪鱼在内的多种鱼类，如表2 所示。表2 中所列文献对于进一步研究鱼类的形态、解剖学结构和生理学特征具有重要意义。

表2 鱼体建模相关研究Table 2 Related studies on fish body modeling

2.3 鱼骨识别

随着计算机图像处理技术的发展，深度学习模型在图像识别方面的准确率已经不低于人类。由于同种鱼类体内的鱼骨数量不一定相同，并且鱼骨会随着鱼类个体的生长而变化，因此在工业生产中需要对鱼片中的鱼骨进行检测[17-18]。现如今，由于X-ray 设备的价格大幅降低，某些鱼类产品生产商已经开始使用X-ray 设备对产品进行质量检查，这也进一步推动了X-ray 图像鱼骨识别技术的研究（见表3）。

表3 近年来鱼骨识别相关研究Table 3 Related studies on fish bone recognition in recent years

表3 中3 个鱼骨检测的研究案例分别使用了不同的研究数据、算法模型和评价指标，但都旨在尝试自动检测鱼片中的鱼骨。支持向量机、Conv-Net 和CNN 等算法模型在X-ray 数字图像识别方面具有很高的准确率。这些研究拓展了鱼类食品质量检测的方法和技术，并具有广泛的应用场景[27-28]。

2.4 鱼类化石检测

X 光技术在渔业领域广泛应用，因为它具有无损检测的特点。显微CT 技术是一种高分辨率检测技术，对古生代鱼类的研究尤为重要。盖志琨等[21]通过研究工业用显微CT 和同步辐射显微CT，发现两者相互补充且满足了多数化石材料的无损探测要求。而BŁAŻEJOWSKI B 等[22]在2015 年研究了新发现的奥瓦多夫-布热津基（波兰）晚侏罗世石灰岩中的鲱亚部鱼类的遗骸，利用X-ray 显微计算机断层扫描（XMT），即显微CT 技术，取得了微米级或亚微米级的高分辨率三维断层图像，成功揭示了放射线鱼类颌骨细节。显微CT 技术使研究者能够在不破坏珍贵化石样品的情况下进行高精度的探测研究，为脊椎动物早期演化史的研究提供了重要支持。

3 鱼体微量元素检测

3.1 X-ray 分析技术

3.1.1 X-ray 衍射技术

X-ray 具有波动特性和衍射能力。当一束单色X-ray 入射晶体时，衍射线的分布方向和强度与晶体结构密切相关。由于衍射波的叠加效应，射线在某些方向上会增强，在其他方向上则会减弱。通过分析底片上的衍射花样，可以确定晶体的结构。因此，X-ray 衍射技术可用于分析晶体结构和材料性能[29]。在渔业研究中，X-ray 衍射技术广泛用于化石成份分析、生物残留物鉴定、鱼体细胞结构和骨骼元素组成测量等方面。例如，2014 年，FREIRE P T C 等人[30]通过红外光谱、拉曼光谱和X-ray 衍射技术研究了巴西东北部Araripe 盆地两个不同地层中的白垩纪鱼类腔棘鱼化石，并证明了这两个地层中鱼类化石的形成过程不同。此外，2006 年，Al-KHAYAT H A 等人[31]利用低角度X-RAY 衍射数据，对骨性鱼肌肌球蛋白丝的精细结构进行了研究，并证实X-ray 衍射技术可以使观察静止肌肉中肌球蛋白头在肌球蛋白膜上的排列更加简化。通过X-ray 衍射技术，研究者可以精确地测定鱼类化石的形成过程以及肌球蛋白丝的精细结构。随着技术的不断改进，X-ray 衍射技术在渔业领域的应用将变得更加广泛，为相关研究提供强有力的支持。

3.1.2 X-ray 吸收光谱法

X-ray 吸收光谱法包括穿透法和荧光法。穿透法是通过改变X-ray 的入射能量范围来扫描目标原子的能量范围，从而确定元素类型的方法。当X-ray 照射到样品原子上时，电子从内部跃迁到外层能级，导致电子被吸收而X-ray 也被吸收，被吸收的量取决于原子的种类和能量。当能量相同时，原子会吸收X 射线，导致透射X-ray 的强度减弱，通过测量透射和入射的比值，可以计算出透射率。原子吸收X-ray 的方式和强度的差异可以用来研究样品的化学成份和结构信息。2011 年，PHIBBS J 等人[32]使用穿透法测定了加拿大萨斯喀彻温省北部铀加工厂水域笼养小鱼体内硒的含量。而荧光法则是使用激发样品并测量特定元素的荧光波长，从而确定元素含量的方法。其中，全反射X-ray 荧光分析技术（TXRF）是一种快速的多元素同步分析方法，可以定性和定量分析较广泛的元素含量。该方法主要用于分析鱼体组织器官的微量元素，也可用于分析鱼耳石成份。由于TXRF 可以同时测量多种元素，因此在渔业产品元素分析中备受关注。

3.2 鱼耳石微量元素研究

鱼耳石中微量元素的含量可以通过X-ray 荧光分析技术快速且准确地检测，这一技术可为研究鱼类的生长环境和生活史提供帮助。由于鱼耳石中轮纹的结构和化学组成相对稳定，可以很好地反映鱼类在生长周期中所处的生物、物理、化学环境。研究者们利用X-ray 荧光技术探索鱼耳石中微量元素含量与鱼类生长环境之间的关系，为鱼类资源的合理管理和利用提供基础数据[33]。分析鱼耳石微量元素已成为鱼类生长环境研究中的重要手段，为了解鱼类生活史、洄游规律等方面提供支持（见表4）。

表4 鱼耳石相关研究Table 4 Related studies on fish otoliths

在鱼耳石研究中，应用了多种X-ray 技术。其中，X-CT 技术可用来记录鱼耳石的形成过程；X-ray 荧光法可用来研究鱼耳石的组成元素。由CT 显微扫描得到的数据，结合深度学习技术，可以训练自动判断鱼耳石图像年龄的模型。这些方法提供了更高分辨率、全方位的耳石结构和成份信息，可用在不同发育阶段识别鱼耳石的年龄。经过深度学习的图像识别模型可接近高准确率地识别出耳石的年龄，而对于某些鱼种，其准确率有待提高。总的来看，这些研究为鱼类生物学和渔业管理提供了重要的技术和理论支持。

3.3 鱼体微量元素的检测

鱼体微量元素的研究通常采用X-ray 荧光分析技术，这种技术能够方便地检测样本中的不同元素成份。在样品分析领域，X-ray 技术应用广泛且实用。在鱼体微量元素研究中，X-ray 技术具有广泛应用和一定优势（见表5）。

鱼类通常处于水生食物链的顶端。它们自由探索水生生态系统，因此可能从水中富集某些重金属元素。鱼类在淡水系统中是最具指示性的因素之一[44]。生物方法可用于检测淡水环境中的金属含量，这是一种经济和敏感的方法。通过测量鱼体中金属元素的含量，可以估计环境中重金属的污染程度和对人类的潜在风险。表5 涉及的文献主要包括X-ray 荧光分析法、X-ray 显微分析法、X-ray 吸收光谱法、X-ray 衍射技术和微能色散X 射线荧光分析法。这些技术在鱼类中重金属元素的检测和分析方面发挥了重要作用。研究的对象包括不同类型的鱼类和不同地区的水域，分析的元素包括Al、Si、K、Ca、Ti、Fe、Sn、Cr、Mn、Se、Ni、Cu、Zn、Hg 和Pb 等。通过分析这些元素的含量和分布情况，可以评估水域的污染状况和鱼类的安全性。需要指出的是，这些研究并没有涉及所有可能存在的污染物和所有可能受到污染的鱼类和地区，因此需要进一步研究和探索。此外，不同的鱼类对不同元素的吸收和富集能力可能存在差异，因此需要注意选择合适的指示物种进行检测。最后，需要结合当地水质状况和环境条件等因素对结果进行解释和分析。

4 存在问题及展望

因国外曾垄断X-ray 技术，X-ray 设备价格高昂且仅限于医疗和安保行业。然而，随着国产设备的普及，X-ray 技术已扩散到轻工业和农业领域，价格逐渐下降。在生鱼片生产中，X-ray 技术能高效识别鱼骨，确保食品安全和质量。在鱼体建模方面，X-ray 技术记录标本数据精确无误，提高了准确性和保存性。X-ray 衍射技术和吸收光谱法在微量元素检测方面备受关注，在环境检测和渔业供应链管理中有重要应用潜力。渔业领域持续推广X-ray 技术的应用，具有重要的价值和促进作用。

4.1 X-ray 技术在鱼体组织及微量元素检测中的研究趋势

在鱼体组织及微量元素检测领域，研究者已经使用不同的 X-ray 技术对样本进行了研究，而这些技术的选择取决于研究目标。近年来，相关文献的研究方向和热度如图4 所示。

图4 包括左侧的柱状图和右侧的折线图，左侧的柱状图展示了不同X-ray 技术在渔业领域中相关文献的数量，每个柱子的颜色表示相应X-ray 技术在该领域内的文献数量；右侧的折线图显示了不同X-ray 技术有关鱼体组织及微量元素检测相关文献数量，随时间的变化趋势。通过对图4 进行分析，可以更深入地了解该领域内不同技术和文献的发展趋势和热点。

近年来，在鱼体研究领域，X-ray 数字成像法和X-ray 吸收光谱法得到了广泛的应用。在这两种技术中，X-ray 数字成像法受到最高的热度。近5 年来，与体外鱼骨识别和鱼体组织器官相关的研究占据了近半的X-ray 数字成像法的研究文献数量。相比之下，X-ray 吸收光谱法的相关研究文献主要集中于2010～2015 年之间，近年来热度有所下降，主要用于鱼体微量元素的检测。目前，Xray 技术在鱼骨识别、鱼体组织器官建模以及鱼体微量元素检测等多个领域都得到了广泛应用。