X-ray在鱼体组织及微量元素检测中的应用.pdf
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1、文章编号:1002-2082(2024)01-0166-11X-ray 在鱼体组织及微量元素检测中的应用宋一帆1,2,张胜茂2,张衡2,唐峰华2,张寒野2,石永闯2,崔雪森2(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)摘摘 要:要:鱼类硬质组织物,特别是骨骼支持鱼体和保护其体内器官的组织,对其进行特征检测分析是研究鱼类游泳运动、鱼类解剖、鱼体建模等的数据基础。随着 X-ray 技术的发展和国产设备的广泛应用,其仪器设备成本明显降低,使得 X-ray 在渔业研究与自动化生产中的应用成为可能。首先介绍了 X-r
2、ay 技术的基本原理与其在鱼体组织检测中的应用,X-ray 技术在鱼体组织及微量元素检测中的应用主要分为鱼类组织器官的无损检测和鱼体微量元素检测两部分,其中分别介绍了包括照相法、数字成像法、衍射技术和吸收光谱法等 X-ray 技术;然后综述其在鱼体组织器官建模、鱼骨检测、鱼类化石研究、鱼耳石分析和鱼体微量元素检测方面的应用,总结了 X-ray 在渔业领域应用中存在的问题;最后对 X-ray 的渔业应用方向进行展望。关键词:关键词:X-ray;鱼体骨骼;鱼类耳石;鱼体建模;鱼体微量元素中图分类号:TN014;S917.4文献标志码:ADOI:10.5768/JAO202445.0103005Ap
3、plication of X-ray in detection of fish tissue and trace elementsSONGYifan1,2,ZHANGShengmao2,ZHANGHeng2,TANGFenghua2,ZHANGHanye2,SHIYongchuang2,CUIXuesen2(1.CollegeofInformation,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China;2.KeyLaboratoryofFisheriesRemoteSensing(MinistryofAgricultureandRuralAffairs)
4、,EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090,China)Abstract:Thehardtissueoffish,especiallytheskeleton,isthetissuethatsupportsfishbodyandprotectsitsinternalorgans.Thecharacteristicdetectionandanalysisofthehardtissueisthedatabasisforstudyingfishswimmingmotion,
5、fishanatomy,fishbodymodelingandsoon.WiththedevelopmentofX-raytechnologyandthewideapplicationofdomesticequipment,thecostofinstrumentsandequipmenthasbeensignificantlyreduced,whichmakestheapplicationofX-rayinfisheryresearchandautomaticproductionpossible.Thebasic principle of X-ray technology and its ap
6、plication in the detection of fish body tissues were firstintroduced.TheapplicationofX-raytechnologyinthefieldoffisherywasmainlydividedintonondestructivedetectionoffishtissuesandorgans,andidentificationoftraceelementsinfishbody.X-raytechnologies,including photography,digital imaging,diffraction and
7、X-ray absorption spectroscopy,were introducedrespectively.Then,theirapplicationsinthemodelingoffishbodytissuesandorgans,fishskeletondetection,fishfossilresearch,otolithanalysisandtraceelementdetectionoffishbodywerereviewed,andproblemsexistingintheapplicationofX-rayinthefieldoffisheryweresummarized.F
8、inally,thefisheryapplicationofX-raywasprospected.Key words:X-ray;fishskeleton;otoliths;fishbodymodeling;traceelementsinfishbody收稿日期:2023-03-23;修回日期:2023-05-10基金项目:国家自然科学基金(61936014);中国水产科学研究院基本科研业务费(2020TD82)作者简介:宋一帆(2000),男,硕士研究生,主要从事深度学习、渔业信息化等研究。Email:syf_通信作者:张胜茂(1976),男,博士,研究员,主要从事渔业数据挖掘、渔业信息化等
9、研究。E-mail:第45卷第1期应用光学Vol.45No.12024年1月JournalofAppliedOpticsJan.2024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
10、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
11、-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,CAMPANASE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
12、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
13、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0.001nm10nm 之间的电磁波。在 X-ray 成像
14、过程中,X-ray 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。高压电缆高电压绝缘插头电子束X-rayX-ra
15、y靶点冷却水玻璃壁金属壁法兰图 1 X-ray 发生装置原理图Fig.1 Schematic diagram of X-ray generator应用光学2024,45(1)宋一帆,等:X-ray 在鱼体组织及微量元素检测中的应用167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,
16、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。X-ray实时成像法显微CT技术图片电子化提高分辨率X-ray照相法CT技术穿透法数字标本仿真研究工业生产鱼体建模鱼类组织器官无损检测水产品微量元素检测鱼骨识别鱼类化石鱼类演变鱼类生长过程
17、环境安全鱼耳石研究鱼体微量元素食品安全荧光法X-ray衍射法X-ray吸收光谱法应用鱼体检测X-ray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 detection2 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
18、而,X-ray 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。2.1.1X-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
19、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。2.1.2X-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、
20、形状和吸收168应用光学第45卷第1期系数,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。各截面信息数据重建扫描数据旋转扫描鱼X-CT图像X-rayX-ray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
21、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-raycomputed
22、tomography不同点X-ray照相法/X-ray实时成像技术X-CT技术储存介质X-ray胶片/数字信号储存数字信号储存成像结果二维重叠平面三维数字建模设备价格万元百万元精度毫米级纳米级除此之外,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
23、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。2.1.3X-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,
24、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,OKUMURAT 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
25、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应用光学2024,45(1)宋一帆,等:X-ray 在鱼体组织及微量元素检测中的应用169不同种类
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