X射線“顯微CT”在象牙與仿制品鑒定中的應(yīng)用

邱云亮

X射線“顯微CT”在象牙與仿制品鑒定中的應(yīng)用

邱云亮

X射線“顯微CT”（以下簡(jiǎn)稱“顯微CT”）又稱Micro-CT、微焦點(diǎn)CT、微型CT或者μCT等，其是X射線CT的一種。“顯微CT”在醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了良好的效果。筆者在利用“顯微CT”對(duì)象牙及其仿制品研究后發(fā)現(xiàn)，利用該技術(shù)方法在象牙制品與仿制品的鑒別上亦具有重要的理論和實(shí)踐意義，之前尚無(wú)學(xué)者應(yīng)用“顯微CT”技術(shù)對(duì)象牙等制品進(jìn)行類似的研究。

一、CT影像技術(shù)概述

“顯微CT”是一種X射線CT，X射線CT（簡(jiǎn)稱X-CT）的工作基礎(chǔ)是X射線，X射線由德國(guó)物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。倫琴射線（X射線）具有很高的穿透能力，能透過(guò)許多不透明的物體，如紙板、木材、生物軟組織等，但X線在穿透物質(zhì)時(shí)會(huì)被吸收而發(fā)生衰減，實(shí)踐中用吸收系數(shù)（又稱衰減系數(shù)）來(lái)表示，不同的物質(zhì)其吸收系數(shù)是不同的。X-CT的原理系采用X射線束對(duì)物體一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過(guò)的X射線，先將透過(guò)的X射線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入計(jì)算機(jī)處理形成圖像。

CT圖像形成是將選定層面分成若干個(gè)體積相同的長(zhǎng)方體，稱之為體素，每個(gè)體素的X射線吸收系數(shù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法算出。根據(jù)每個(gè)體素的X射線吸收系數(shù)的不同將其排列成矩陣，即數(shù)字矩陣，經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素，并按矩陣排列，即構(gòu)成CT圖像?？梢?jiàn)X射線CT圖像是經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換后的重建圖像。目前CT不但可以觀察到層面圖像（如：橫斷面、冠狀面和矢狀面），還可以進(jìn)行三維立體圖像重建后觀察局部的立體結(jié)構(gòu)。因此，利用CT的這一功能可以無(wú)損觀察某一物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

X-CT不僅能用來(lái)觀察物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能根據(jù)X線的吸收系數(shù)來(lái)反映某物質(zhì)的密度，實(shí)踐中是將其吸收系數(shù)換算成“CT值”來(lái)表示密度的高低。某物質(zhì)的“CT值”等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)與水的吸收系數(shù)之差再與水的吸收系數(shù)相比之后乘以一個(gè)常數(shù)，計(jì)算公式為：CT值=（U-U水）/U水×K，K為常數(shù)（取值為1000），U代表某物質(zhì)的吸收系數(shù)，U水代表水的吸收系數(shù)，“CT值”越高提示物質(zhì)密度越高?！癈T值”的單位為亨氏單位（Hu）。例如，水的吸收系數(shù)為1，按照“CT值”的計(jì)算公式可求得水的“CT值”為0Hu；空氣的吸收系數(shù)為0.0013接近于0，其“CT值”就大約為-1000Hu。不同的物質(zhì)具有不同的密度，密度不同（或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻）則“CT值”不同。鑒于物質(zhì)的“CT值”和密度存在著緊密關(guān)聯(lián)，因此，就可依據(jù)“CT值”的不同而將物質(zhì)予以鑒別。

筆者在本文中重點(diǎn)敘述“顯微CT”在象牙與仿制品的鑒別中的具體應(yīng)用。

二、“顯微CT”的具體應(yīng)用

（一）顯微功能的應(yīng)用

CT的工作基礎(chǔ)是X射線，其本身就是一種無(wú)損式的影像檢查技術(shù)?！帮@微CT”是在普通CT的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其最初設(shè)計(jì)的目的是用來(lái)探測(cè)陶瓷材料中的結(jié)構(gòu)缺陷和金屬中的應(yīng)力缺陷，能在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與普通CT相比，“顯微CT”優(yōu)勢(shì)在于其空間分辨率極高，可達(dá)到微米級(jí)，高檔的“顯微CT”甚至能達(dá)到納米級(jí)別?？臻g分辨率是指影像中能夠分辨的最小細(xì)節(jié)。普通CT的空間分辨率通常只能達(dá)到0.5毫米（500微米），而普通“顯微CT”的最高分辨率能達(dá)到9微米，高端“顯微CT”最高分辨率甚至能達(dá)到0.4微米（400納米）的程度，普通CT與之相比相差數(shù)百、甚至千倍。研究發(fā)現(xiàn)，一般的生物樣本其內(nèi)部大都具備微管（系有機(jī)物構(gòu)成的細(xì)小管道）結(jié)構(gòu)，微管直徑大多在0.8～2.2微米之間，高端“顯微CT”的空間分辨率對(duì)于大多數(shù)生物樣本和非均質(zhì)物體均能清晰的顯示出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)物體進(jìn)行掃描時(shí)能顯示出具有良好的“顯微”作用。除了上述的分辨率的優(yōu)勢(shì)之外，“顯微CT”無(wú)需任何其他的樣品制備，就可以無(wú)損式的對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)，可在樣品的任意方向上，對(duì)任一截面結(jié)構(gòu)視覺(jué)化為3個(gè)正交剖面（橫斷面、冠狀面和矢狀面），如同在樣品中任意穿梭觀察一般，并可對(duì)“感興趣區(qū)”（ROI）進(jìn)行重點(diǎn)觀察或打印出其二維和三維圖像。

一般仿象牙的材料有以下幾種：①人造象牙。系采用化學(xué)工藝合成，常見(jiàn)的有干酪素塑料、酚醛澆鑄樹(shù)脂、硝化纖維塑料等。②魚(yú)牙仿制品。系使用海洋里較大的魚(yú)的牙齒進(jìn)行的仿制，如：海象牙、海豬牙等。③動(dòng)物骨骼。常見(jiàn)的有豬、羊、牛、馬等動(dòng)物的四肢骨骼進(jìn)行處理仿制。④動(dòng)物犄角。一般系采用山羊角、羚羊角、鹿角等雕刻制成。

筆者進(jìn)行該項(xiàng)研究時(shí)，選擇了現(xiàn)生象牙、酚醛澆鑄樹(shù)脂人造象牙、山羊角制品以及小尾寒羊腿骨作為研究樣本。采用“Bruker Skyscan1176”型“顯微CT”進(jìn)行掃描，該型號(hào)“顯微CT”的最高分辨率為9微米。

圖1～8均為9微米分辨率下所選擇樣品局部的二維和三維掃描重建圖像。從圖中觀察可見(jiàn)：象牙內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈均質(zhì)狀，無(wú)明顯框架結(jié)構(gòu)及紋理（見(jiàn)圖1～2）；加入填充物的樹(shù)脂仿象牙制品，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，可見(jiàn)高密度的添加物顆粒（圖3～4）；山羊角有清晰的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)分層：外層呈均質(zhì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為骨質(zhì)類結(jié)構(gòu)，骨質(zhì)內(nèi)并可見(jiàn)較多的孔洞（見(jiàn)圖5～6）；小尾寒羊腿骨靠近中央骨髓腔的骨皮質(zhì)內(nèi)可見(jiàn)大小不等的“孔洞”（系血管滋養(yǎng)孔）（見(jiàn)圖7），靠近端段的骨髓腔內(nèi)還可見(jiàn)骨骼橫跨骨髓腔的“骨橋現(xiàn)象”（見(jiàn)圖8）。

圖1 象牙（二維掃描）

圖2 象牙（局部三維重建）

圖3 樹(shù)脂內(nèi)加有添加物（二維掃描）

圖4 樹(shù)脂內(nèi)加有添加物（局部三維重建）

圖5 山羊角的遠(yuǎn)端（二維掃描）

圖6 山羊角遠(yuǎn)端（三維重建）

圖7 小尾寒羊股骨中段（二維掃描）

圖8 小尾寒羊股骨端段（三維重建）

筆者進(jìn)行研究所采用的“BrukerSky scan1176”型“顯微CT”最高分辨率為9微米，該分辨率的“顯微CT”不能顯示出內(nèi)部微管直徑小于9微米樣本的結(jié)構(gòu)。如，在掃描觀察象牙樣品時(shí)，“剖面”會(huì)呈現(xiàn)為“均質(zhì)結(jié)構(gòu)”的假象（見(jiàn)圖1）。若樣本內(nèi)部有直徑9微米以上的結(jié)構(gòu)（如樹(shù)脂內(nèi)的顆粒添加物，骨骼內(nèi)的血管滋養(yǎng)孔）存在時(shí)，完全能夠清晰的將其顯示出來(lái)的?？傮w來(lái)講，若欲更好的觀察樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更高分辨率（如0.4微米）的“顯微CT”優(yōu)于分辨率較低的“顯微CT”，但其檢測(cè)費(fèi)用成本將增加。

（二）“CT值”的應(yīng)用

據(jù)前所述，“CT值”不是一個(gè)絕對(duì)值，而是一個(gè)相對(duì)值，不同組織的“CT值”各異，各自在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，水的“CT值”約為0Hu，空氣的“CT值”約為-1000Hu。

筆者選擇了現(xiàn)生象牙、猛犸象牙，以及常見(jiàn)的仿象牙制品或原料：純樹(shù)脂、摻入添加物的樹(shù)脂、魚(yú)骨、水牛角、牦牛角、山羊角等類樣本各5件，均采用“Bruker Skyscan1176”型“顯微CT”對(duì)上述樣本的“CT值”進(jìn)行檢測(cè)，每類樣本的“CT值”取其平均值。下面的柱狀圖為各類樣本的平均值之間的比較。

從上面的比較圖可以看出，不同種屬樣本的“CT值”存在著明顯的差異。從“CT值”的對(duì)比圖可以看出，現(xiàn)生象牙的“CT值”大致在3000Hu～3400Hu之間，密度較高。猛犸象牙的“CT值”約2700Hu～2800Hu，密度低于現(xiàn)生象牙，提示“CT值”3000Hu為二者的分界線。因本研究的樣本數(shù)較少，“CT值”3000Hu作為分界線是否穩(wěn)定可靠，還需要加大樣本量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這可以作為以后研究的一個(gè)方向。筆者分析認(rèn)為，猛犸象系已經(jīng)滅絕了的哺乳動(dòng)物，猛犸牙大多保存在阿拉斯加和西伯利亞等地的凍土層中，距今約有上萬(wàn)年的歷史，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的地層埋藏，猛犸象牙牙質(zhì)中的有機(jī)基質(zhì)、鈣含量、結(jié)晶水已嚴(yán)重?fù)p失。這種變化應(yīng)是導(dǎo)致其“CT值”出現(xiàn)下降的主要原因。由此表明，“CT值”可以作為現(xiàn)生象牙和猛犸象牙鑒別時(shí)的重要參考指標(biāo)。沒(méi)有摻入填充物的純樹(shù)脂，其“CT值”明顯低于現(xiàn)生象牙和猛犸象牙，能非常容易地將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。加入填充物的樹(shù)脂仿象牙制品，“CT值”與象牙接近，筆者認(rèn)為，這可能與所摻入填充物的種類有關(guān)系，因填充物不同其“CT值”會(huì)有較大的區(qū)別。魚(yú)骨類的仿象牙制品（俗稱海馬玉石），其外觀和現(xiàn)生象牙極其相似，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其“CT值”僅在8Hu～10Hu之間，數(shù)值非常低，與現(xiàn)生象牙相差300多倍，通過(guò)“CT值”這一個(gè)指標(biāo)就能很容易的將其鑒別出。

三、總結(jié)

目前在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有機(jī)構(gòu)或個(gè)人通過(guò)“顯微CT”進(jìn)行象牙鑒定的相關(guān)研究，更沒(méi)有通過(guò)“顯微CT”進(jìn)行種屬鑒定的系統(tǒng)性研究。通過(guò)“顯微CT”這種無(wú)損檢測(cè)方法，能在不破壞象牙或仿制品的前提下，可以多角度、全方位掃描顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同的材質(zhì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)必然存在著差異，依據(jù)該材質(zhì)的差異進(jìn)而將由不同材質(zhì)所制的象牙工藝品和仿象牙工藝品進(jìn)行良好的鑒別和區(qū)分，為司法鑒定提供技術(shù)支撐。通過(guò)“顯微CT”掃描檢測(cè)，不但可以區(qū)分象牙和非象牙制品，而且可以區(qū)分現(xiàn)生象牙和猛犸象牙；通過(guò)“顯微CT”掃描檢測(cè)，還可以對(duì)象牙制品內(nèi)部是否填充有其他雜物物質(zhì)進(jìn)行鑒定；通過(guò)“顯微CT”掃描檢測(cè)簡(jiǎn)便、易行、可操作性強(qiáng)，且準(zhǔn)確率很高，幾乎沒(méi)有誤判的可能。這種檢測(cè)方法，也可為其他種屬野生動(dòng)物制品鑒別或研究提供借鑒。

本文為中央高校基本科研項(xiàng)目《Micro-CT技術(shù)在象牙制品與仿象牙制品鑒定中的應(yīng)用研究》（項(xiàng)目編號(hào)：LGYB201413）成果之一）

（作者單位南京森林警察學(xué)院）

（責(zé)任編輯盧維英）