X-ray 在魚體組織及微量元素檢測(cè)中的應(yīng)用

宋一帆，張勝茂，張 衡，唐峰華，張寒野，石永闖，崔雪森

（1.上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院，上海 201306；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)遙感重點(diǎn)試驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090）

引言

X-ray 技術(shù)是一種無損檢測(cè)技術(shù)，旨在檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成，通過使用X 射線來實(shí)現(xiàn)。其基本原理是，X 射線穿透樣本，檢測(cè)出射輻射中被吸收的能量，并根據(jù)不同能量吸收程度生成圖像。X-ray 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、物質(zhì)分析和工程領(lǐng)域，以確定物體的結(jié)構(gòu)、缺陷和成份。常見的X-ray 技術(shù)包括二維、三維成像技術(shù)（如X-ray 照相法和X-CT 技術(shù)）和元素分析技術(shù)（如X-ray 衍射法和吸收光譜法）等。

在漁業(yè)領(lǐng)域未應(yīng)用X-ray 技術(shù)時(shí)，制作標(biāo)本的傳統(tǒng)方法需要對(duì)魚體進(jìn)行解剖和處理，這會(huì)導(dǎo)致魚體的破壞和形態(tài)失真，同時(shí)也需要大量時(shí)間和人力成本。近年來隨著X-ray 技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，研究者們?yōu)榱烁玫匮芯眶~體器官的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)情況，開始嘗試將其應(yīng)用于漁業(yè)領(lǐng)域。通過使用X-ray 技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地獲取魚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器官的形態(tài)特征信息，避免解剖過程中對(duì)魚體所造成的破壞和誤差。2009年，葉振江[1]在研究魚耳石形態(tài)時(shí)，仍使用單反相機(jī)對(duì)耳石形態(tài)進(jìn)行記錄，而近年隨著X-ray 技術(shù)在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，越來越多的研究者開始使用X-ray 成像技術(shù)對(duì)魚體器官組織進(jìn)行建模，以獲取更準(zhǔn)確、詳細(xì)的信息。

除去 X-ray 成像法的應(yīng)用，X-ray 技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于魚類元素成份分析。對(duì)于漁業(yè)研究者而言，深入了解魚類體內(nèi)元素的含量和分布顯得至關(guān)重要，這些信息有望增進(jìn)我們對(duì)魚類生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)影響因素的理解，也能夠提高魚類養(yǎng)殖和捕撈的管理水平。1997 年，CAMPANA S E等[2]對(duì)X-ray 測(cè)定魚耳石元素的準(zhǔn)確度、精密度和靈敏度與電子探針等方法進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)X-ray 可以較為準(zhǔn)確地測(cè)定鐵、鎳、銅、鍶等微量元素。X-ray 技術(shù)可用于分析海洋、淡水中各種魚類樣本，幫助了解魚類體內(nèi)所含的生物重要元素以及相關(guān)重金屬元素的環(huán)境污染物存在情況。

目前，X-ray 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于魚類的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、微量元素檢測(cè)和骨骼形態(tài)等研究有著重要作用。未來，隨著X-ray 技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用，漁業(yè)研究者可以更好地使用該技術(shù)來探究魚類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，獲取更全面和準(zhǔn)確的魚類生態(tài)學(xué)信息，并對(duì)漁業(yè)資源的保護(hù)和管理產(chǎn)生積極影響。本文總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外X-ray 技術(shù)在魚體組織及微量元素檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了其技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 X-ray 技術(shù)

X-ray 技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用得益于其極強(qiáng)的穿透力，可用于透視檢查和探傷。由于X-ray 的影響力極小，幾乎可以實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，在檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3]。此外，X-ray 技術(shù)還能夠激發(fā)熒光，使氣體電離和感光乳膠感光，因此也可以應(yīng)用于電離計(jì)、閃爍計(jì)數(shù)器和感光乳膠片的檢測(cè)。X-ray探測(cè)系統(tǒng)成像速度快、度量單位小，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出很小的目標(biāo)，在漁業(yè)領(lǐng)域也具備廣泛的應(yīng)用前景。在魚體組織器官的無損檢測(cè)與建模中，常用的X-ray 技術(shù)包括X-ray 照相法、X-ray 實(shí)時(shí)成像法和X-CT 技術(shù)；而在與魚體微量元素檢測(cè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，常采用X-ray 衍射技術(shù)和熒光分析技術(shù)。

1.1 X-ray 發(fā)生裝置

X-ray 技術(shù)是一種基于X-ray 電子學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)的先進(jìn)成像技術(shù)，具有無損、快速、高精度和廣適應(yīng)性的特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、工程科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。X-ray 波長(zhǎng)介于0.001 nm～10 nm 之間的電磁波。在X-ray 成像過程中，Xray 發(fā)生裝置是關(guān)鍵的組成部分，通常由高壓發(fā)生器、X-ray 管和X-ray 發(fā)生控制器等幾個(gè)部分組成（見圖1）。高壓發(fā)生器產(chǎn)生陽極與陰極之間的加速電壓和燈絲電壓，燈絲加熱變壓器提供X-ray 管的燈絲熱能，改變燈絲溫度可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電子數(shù)量，從而調(diào)整X-ray 光子的數(shù)量和能量。在陽極靶（鎢）材料的作用下，高能電子會(huì)被特定材料散射，產(chǎn)生新的、次級(jí)的電子，并且會(huì)釋放能量。這些X-ray 光子具有特定的能量和波長(zhǎng)，通過準(zhǔn)確控制和向被測(cè)體內(nèi)注入X-ray 光子，可以使用相機(jī)或其他檢測(cè)設(shè)備記錄光子在穿過被測(cè)體后產(chǎn)生的影像[3-4]。

圖1 X-ray 發(fā)生裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of X-ray generator

為了獲得更好的成像效果，X-ray 發(fā)生控制器等設(shè)備可以對(duì)產(chǎn)生的X-ray 束進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。在 X-ray 成像過程中，被測(cè)體對(duì)X-ray 光子的吸收、散射和衍射等作用會(huì)導(dǎo)致X-ray 光子在不同區(qū)域的強(qiáng)度發(fā)生變化，從而形成不同的影像。這些差異可以用來分析被測(cè)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織和成份。在涉及魚類組織檢測(cè)中，X-ray 技術(shù)可以檢測(cè)魚類的骨骼、內(nèi)臟和異物等，具有非破壞性、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，為保障漁業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全提供了有力的技術(shù)支持。

1.2 魚體X-ray 檢測(cè)應(yīng)用

目前，X-ray 技術(shù)在魚體檢測(cè)方面的應(yīng)用可以分為兩部分：對(duì)魚體組織器官進(jìn)行無損檢測(cè)和對(duì)魚體微量元素進(jìn)行檢測(cè)。近年來，這2 個(gè)應(yīng)用方向已經(jīng)取得了很多卓越的成果。如圖2 所示，X-ray技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)系明顯。由于X-ray 技術(shù)成本進(jìn)一步下降，已經(jīng)成為漁業(yè)相關(guān)研究中非常實(shí)用的工具之一。

圖2 X-ray 在魚體組織檢測(cè)中的應(yīng)用關(guān)系圖Fig.2 Application relationship diagram of X-ray in fish body tissue detection

2 魚體組織器官無損檢測(cè)

2.1 X-ray 成像法

目前廣泛使用3 種X-ray 成像技術(shù)，包括X-ray照相法、X-ray 實(shí)時(shí)成像法和X-CT 技術(shù)。當(dāng)X-ray輻射經(jīng)過待檢測(cè)物體時(shí)，內(nèi)部不同物質(zhì)對(duì)輻射的吸收率不同，因此輻射通過物體后會(huì)呈現(xiàn)不同強(qiáng)度的分布，從而反映出物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，Xray 產(chǎn)生的輻射分布無法直接觀察，需要將其轉(zhuǎn)化為圖像才能進(jìn)行觀察和評(píng)估，為此，X-ray 成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2.1.1 X-ray 實(shí)時(shí)成像法

數(shù)字X-ray 成像技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)的X-ray 拍照方法。傳統(tǒng)方法使用X-ray 敏感的照相膠片記錄放射性圖像，但成本高、成像時(shí)間長(zhǎng)且易損壞等缺點(diǎn)使其難以廣泛應(yīng)用。數(shù)字X-ray 實(shí)時(shí)成像技術(shù)將輻射圖像轉(zhuǎn)化為可見光，在光電轉(zhuǎn)換傳感器中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)記錄，避免了X-ray 膠片的缺點(diǎn)，主要應(yīng)用于魚體組織器官建模和魚骨識(shí)別。X-ray 實(shí)時(shí)成像技術(shù)可以在控制成本的前提下對(duì)活體魚樣本體內(nèi)的器官進(jìn)行研究，相比傳統(tǒng)的解剖等方法，X-ray 圖像能夠提供更多魚體存活時(shí)的信息。在魚刺檢測(cè)中，X-ray 技術(shù)用于識(shí)別魚肉中是否存在魚刺。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者開始使用深度學(xué)習(xí)等方法處理X-ray 數(shù)字圖像，提高魚骨識(shí)別的效率和準(zhǔn)確性。

2.1.2 X-CT 技術(shù)

X-CT 技術(shù)的全稱是X-ray 計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，簡(jiǎn)稱為CT 技術(shù)，其利用X-ray 進(jìn)行影像制作，可沿不同方向掃描物體的某一截面。探測(cè)器測(cè)量每條線上透過的X-ray 量，得到一幅投影圖。通過多次掃描并在不同角度旋轉(zhuǎn)，可以獲得一系列數(shù)據(jù)，再使用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字化的X-ray 信息，得到該截面各個(gè)單位容積的組織完整性、形狀和吸收系數(shù)，并重建圖像（見圖3）。探測(cè)器可分為點(diǎn)、線和面陣列探測(cè)器，其中面陣列探測(cè)器分辨率最高，提供更準(zhǔn)確的圖像信息。X-CT 技術(shù)在影像學(xué)技術(shù)中被廣泛應(yīng)用，也是目前體層攝影中使用最多而且最為完善的技術(shù)之一[4-5]。

圖3 X-CT 原理圖Fig.3 Schematic diagram of X-CT

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，X-CT 技術(shù)可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)魚刺和炎癥[6-11]。由于X-CT 設(shè)備成本較高，其在漁業(yè)領(lǐng)域中主要用于對(duì)魚體進(jìn)行高精度建模。相較于X-ray 實(shí)時(shí)成像技術(shù)，X-CT 技術(shù)能更詳細(xì)地了解魚體內(nèi)各器官在完整狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)情況。近年來，魚體建模的相關(guān)研究和應(yīng)用已有較多進(jìn)展[12-16]。實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的X-ray 照相法與X-CT 技術(shù)都是通用的透視檢測(cè)技術(shù)（見表1）。從成像結(jié)果來看，X-ray 主要呈現(xiàn)二維圖像數(shù)據(jù)，而X-CT 技術(shù)則呈現(xiàn)三維數(shù)字圖像。在精度方面，X-ray 技術(shù)已成功應(yīng)用于形態(tài)學(xué)分析、能夠達(dá)到毫米級(jí)；而X-CT 技術(shù)則在形態(tài)學(xué)和組織學(xué)分析等方面能夠達(dá)到亞毫米級(jí)或納米級(jí)的高精度[17-19]。

表1 X-ray 照相法與X-CT 技術(shù)的區(qū)別Table 1 Differences between X-ray photography and X-ray computed tomography

除此之外，顯微CT 還在魚類骨骼研究中得到廣泛應(yīng)用，魚類骨骼的結(jié)構(gòu)特征對(duì)于理解魚類的游泳和適應(yīng)性至關(guān)重要。顯微CT 是一種采用X 射線成像原理進(jìn)行高分辨三維成像的設(shè)備，可以在不破壞樣品的情況下對(duì)骨骼、牙齒和各種生物材料等離體標(biāo)本進(jìn)行高分辨三維成像[20]。顯微CT可以非常精確地重建魚類骨骼的三維結(jié)構(gòu)，并解析魚鰭、魚鱗、魚翅等特殊結(jié)構(gòu)的形態(tài)和功能。此外，顯微CT 還能用于魚類骨質(zhì)病變、骨折和畸形等骨骼病理學(xué)研究。

隨著檢測(cè)精度要求的提高，更高精度的顯微CT 在有關(guān)魚體研究中得到了廣泛應(yīng)用。顯微CT 采用與普通臨床CT 不同的微焦點(diǎn)X 射線球管，分辨率高達(dá)幾微米，是一種非破壞性的3D 成像技術(shù)，可以清晰地了解樣本內(nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)。顯微CT 技術(shù)在各種魚類樣本的研究中應(yīng)用廣泛，很多學(xué)者還利用顯微CT 技術(shù)開展了魚體組織建模、魚類耳石和魚類化石等方面的研究[20-22]。

2.1.3 X-ray 成像法的安全隱患

在漁業(yè)領(lǐng)域中，X-ray 成像技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，也被認(rèn)為是一種非常重要的研究工具。該技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)魚體內(nèi)部構(gòu)造以及生長(zhǎng)發(fā)育過程進(jìn)行研究。然而，盡管該技術(shù)在漁業(yè)研究中有著巨大優(yōu)勢(shì)，但在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量輻射，因此必須對(duì)其潛在的人體健康和環(huán)境安全隱患保持重視。實(shí)際上，X-ray 技術(shù)的輻射量會(huì)對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，特別是CT 技術(shù)所造成的輻射量甚至是X-ray 照相法的數(shù)倍。為確保使用人員的健康和環(huán)境安全并遵守國(guó)際輻射安全標(biāo)準(zhǔn)，必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施。為解決這一問題，研究人員需要不斷探索和發(fā)展更加安全的X-ray技術(shù)，以確保在提高精度和效率的同時(shí)，不會(huì)對(duì)健康和環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

2.2 魚體組織器官建模

2004 年，OKUMURA T 等[23]使用X-CT 技術(shù)對(duì)魚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維形態(tài)測(cè)量，以估算魚類聲學(xué)后向散射截面。盡管當(dāng)時(shí)X-CT 設(shè)備價(jià)格昂貴，導(dǎo)致應(yīng)用相對(duì)較少，但隨著X-ray 技術(shù)的推廣和價(jià)格下降，對(duì)魚類等其他小型脊椎動(dòng)物進(jìn)行建模的研究逐漸增加。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，魚類建模也趨向于數(shù)字化[24]。由于魚類體型較小并且市場(chǎng)需求廣泛，因此X-CT技術(shù)在漁業(yè)建模領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。

近年來，X-ray 技術(shù)在魚體組織器官建模領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于X-CT 技術(shù)成本較高，需要高精度的場(chǎng)景較多，因此大多數(shù)的魚體組織器官檢測(cè)工作采用了X-ray 數(shù)字成像法。不管是采用X-CT技術(shù)還是X-ray 數(shù)字成像法，這些研究都成功地對(duì)不同種類的魚類進(jìn)行了三維建模和分析。一些研究采用了先進(jìn)的數(shù)字成像軟件和系統(tǒng)（如自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和圖像分析系統(tǒng)）來實(shí)現(xiàn)高效和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和分析。這些研究涵蓋了包括小型脊椎動(dòng)物、南大洋中上層魚類、通過水力渦輪機(jī)通道的魚類、青干金槍魚和黃鰭金槍魚在內(nèi)的多種魚類，如表2 所示。表2 中所列文獻(xiàn)對(duì)于進(jìn)一步研究魚類的形態(tài)、解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和生理學(xué)特征具有重要意義。

表2 魚體建模相關(guān)研究Table 2 Related studies on fish body modeling

2.3 魚骨識(shí)別

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)模型在圖像識(shí)別方面的準(zhǔn)確率已經(jīng)不低于人類。由于同種魚類體內(nèi)的魚骨數(shù)量不一定相同，并且魚骨會(huì)隨著魚類個(gè)體的生長(zhǎng)而變化，因此在工業(yè)生產(chǎn)中需要對(duì)魚片中的魚骨進(jìn)行檢測(cè)[17-18]。現(xiàn)如今，由于X-ray 設(shè)備的價(jià)格大幅降低，某些魚類產(chǎn)品生產(chǎn)商已經(jīng)開始使用X-ray 設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢查，這也進(jìn)一步推動(dòng)了X-ray 圖像魚骨識(shí)別技術(shù)的研究（見表3）。

表3 近年來魚骨識(shí)別相關(guān)研究Table 3 Related studies on fish bone recognition in recent years

表3 中3 個(gè)魚骨檢測(cè)的研究案例分別使用了不同的研究數(shù)據(jù)、算法模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)，但都旨在嘗試自動(dòng)檢測(cè)魚片中的魚骨。支持向量機(jī)、Conv-Net 和CNN 等算法模型在X-ray 數(shù)字圖像識(shí)別方面具有很高的準(zhǔn)確率。這些研究拓展了魚類食品質(zhì)量檢測(cè)的方法和技術(shù)，并具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景[27-28]。

2.4 魚類化石檢測(cè)

X 光技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗哂袩o損檢測(cè)的特點(diǎn)。顯微CT 技術(shù)是一種高分辨率檢測(cè)技術(shù)，對(duì)古生代魚類的研究尤為重要。蓋志琨等[21]通過研究工業(yè)用顯微CT 和同步輻射顯微CT，發(fā)現(xiàn)兩者相互補(bǔ)充且滿足了多數(shù)化石材料的無損探測(cè)要求。而B?A?EJOWSKI B 等[22]在2015 年研究了新發(fā)現(xiàn)的奧瓦多夫-布熱津基（波蘭）晚侏羅世石灰?guī)r中的鯡亞部魚類的遺骸，利用X-ray 顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（XMT），即顯微CT 技術(shù)，取得了微米級(jí)或亞微米級(jí)的高分辨率三維斷層圖像，成功揭示了放射線魚類頜骨細(xì)節(jié)。顯微CT 技術(shù)使研究者能夠在不破壞珍貴化石樣品的情況下進(jìn)行高精度的探測(cè)研究，為脊椎動(dòng)物早期演化史的研究提供了重要支持。

3 魚體微量元素檢測(cè)

3.1 X-ray 分析技術(shù)

3.1.1 X-ray 衍射技術(shù)

X-ray 具有波動(dòng)特性和衍射能力。當(dāng)一束單色X-ray 入射晶體時(shí)，衍射線的分布方向和強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于衍射波的疊加效應(yīng)，射線在某些方向上會(huì)增強(qiáng)，在其他方向上則會(huì)減弱。通過分析底片上的衍射花樣，可以確定晶體的結(jié)構(gòu)。因此，X-ray 衍射技術(shù)可用于分析晶體結(jié)構(gòu)和材料性能[29]。在漁業(yè)研究中，X-ray 衍射技術(shù)廣泛用于化石成份分析、生物殘留物鑒定、魚體細(xì)胞結(jié)構(gòu)和骨骼元素組成測(cè)量等方面。例如，2014 年，F(xiàn)REIRE P T C 等人[30]通過紅外光譜、拉曼光譜和X-ray 衍射技術(shù)研究了巴西東北部Araripe 盆地兩個(gè)不同地層中的白堊紀(jì)魚類腔棘魚化石，并證明了這兩個(gè)地層中魚類化石的形成過程不同。此外，2006 年，Al-KHAYAT H A 等人[31]利用低角度X-RAY 衍射數(shù)據(jù)，對(duì)骨性魚肌肌球蛋白絲的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并證實(shí)X-ray 衍射技術(shù)可以使觀察靜止肌肉中肌球蛋白頭在肌球蛋白膜上的排列更加簡(jiǎn)化。通過X-ray 衍射技術(shù)，研究者可以精確地測(cè)定魚類化石的形成過程以及肌球蛋白絲的精細(xì)結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，X-ray 衍射技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將變得更加廣泛，為相關(guān)研究提供強(qiáng)有力的支持。

3.1.2 X-ray 吸收光譜法

X-ray 吸收光譜法包括穿透法和熒光法。穿透法是通過改變X-ray 的入射能量范圍來掃描目標(biāo)原子的能量范圍，從而確定元素類型的方法。當(dāng)X-ray 照射到樣品原子上時(shí)，電子從內(nèi)部躍遷到外層能級(jí)，導(dǎo)致電子被吸收而X-ray 也被吸收，被吸收的量取決于原子的種類和能量。當(dāng)能量相同時(shí)，原子會(huì)吸收X 射線，導(dǎo)致透射X-ray 的強(qiáng)度減弱，通過測(cè)量透射和入射的比值，可以計(jì)算出透射率。原子吸收X-ray 的方式和強(qiáng)度的差異可以用來研究樣品的化學(xué)成份和結(jié)構(gòu)信息。2011 年，PHIBBS J 等人[32]使用穿透法測(cè)定了加拿大薩斯喀徹溫省北部鈾加工廠水域籠養(yǎng)小魚體內(nèi)硒的含量。而熒光法則是使用激發(fā)樣品并測(cè)量特定元素的熒光波長(zhǎng)，從而確定元素含量的方法。其中，全反射X-ray 熒光分析技術(shù)（TXRF）是一種快速的多元素同步分析方法，可以定性和定量分析較廣泛的元素含量。該方法主要用于分析魚體組織器官的微量元素，也可用于分析魚耳石成份。由于TXRF 可以同時(shí)測(cè)量多種元素，因此在漁業(yè)產(chǎn)品元素分析中備受關(guān)注。

3.2 魚耳石微量元素研究

魚耳石中微量元素的含量可以通過X-ray 熒光分析技術(shù)快速且準(zhǔn)確地檢測(cè)，這一技術(shù)可為研究魚類的生長(zhǎng)環(huán)境和生活史提供幫助。由于魚耳石中輪紋的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成相對(duì)穩(wěn)定，可以很好地反映魚類在生長(zhǎng)周期中所處的生物、物理、化學(xué)環(huán)境。研究者們利用X-ray 熒光技術(shù)探索魚耳石中微量元素含量與魚類生長(zhǎng)環(huán)境之間的關(guān)系，為魚類資源的合理管理和利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[33]。分析魚耳石微量元素已成為魚類生長(zhǎng)環(huán)境研究中的重要手段，為了解魚類生活史、洄游規(guī)律等方面提供支持（見表4）。

表4 魚耳石相關(guān)研究Table 4 Related studies on fish otoliths

在魚耳石研究中，應(yīng)用了多種X-ray 技術(shù)。其中，X-CT 技術(shù)可用來記錄魚耳石的形成過程；X-ray 熒光法可用來研究魚耳石的組成元素。由CT 顯微掃描得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以訓(xùn)練自動(dòng)判斷魚耳石圖像年齡的模型。這些方法提供了更高分辨率、全方位的耳石結(jié)構(gòu)和成份信息，可用在不同發(fā)育階段識(shí)別魚耳石的年齡。經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別模型可接近高準(zhǔn)確率地識(shí)別出耳石的年齡，而對(duì)于某些魚種，其準(zhǔn)確率有待提高?？偟膩砜矗@些研究為魚類生物學(xué)和漁業(yè)管理提供了重要的技術(shù)和理論支持。

3.3 魚體微量元素的檢測(cè)

魚體微量元素的研究通常采用X-ray 熒光分析技術(shù)，這種技術(shù)能夠方便地檢測(cè)樣本中的不同元素成份。在樣品分析領(lǐng)域，X-ray 技術(shù)應(yīng)用廣泛且實(shí)用。在魚體微量元素研究中，X-ray 技術(shù)具有廣泛應(yīng)用和一定優(yōu)勢(shì)（見表5）。

魚類通常處于水生食物鏈的頂端。它們自由探索水生生態(tài)系統(tǒng)，因此可能從水中富集某些重金屬元素。魚類在淡水系統(tǒng)中是最具指示性的因素之一[44]。生物方法可用于檢測(cè)淡水環(huán)境中的金屬含量，這是一種經(jīng)濟(jì)和敏感的方法。通過測(cè)量魚體中金屬元素的含量，可以估計(jì)環(huán)境中重金屬的污染程度和對(duì)人類的潛在風(fēng)險(xiǎn)。表5 涉及的文獻(xiàn)主要包括X-ray 熒光分析法、X-ray 顯微分析法、X-ray 吸收光譜法、X-ray 衍射技術(shù)和微能色散X 射線熒光分析法。這些技術(shù)在魚類中重金屬元素的檢測(cè)和分析方面發(fā)揮了重要作用。研究的對(duì)象包括不同類型的魚類和不同地區(qū)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。通過分析這些元素的含量和分布情況，可以評(píng)估水域的污染狀況和魚類的安全性。需要指出的是，這些研究并沒有涉及所有可能存在的污染物和所有可能受到污染的魚類和地區(qū)，因此需要進(jìn)一步研究和探索。此外，不同的魚類對(duì)不同元素的吸收和富集能力可能存在差異，因此需要注意選擇合適的指示物種進(jìn)行檢測(cè)。最后，需要結(jié)合當(dāng)?shù)厮|(zhì)狀況和環(huán)境條件等因素對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋和分析。

4 存在問題及展望

因國(guó)外曾壟斷X-ray 技術(shù)，X-ray 設(shè)備價(jià)格高昂且僅限于醫(yī)療和安保行業(yè)。然而，隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備的普及，X-ray 技術(shù)已擴(kuò)散到輕工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，價(jià)格逐漸下降。在生魚片生產(chǎn)中，X-ray 技術(shù)能高效識(shí)別魚骨，確保食品安全和質(zhì)量。在魚體建模方面，X-ray 技術(shù)記錄標(biāo)本數(shù)據(jù)精確無誤，提高了準(zhǔn)確性和保存性。X-ray 衍射技術(shù)和吸收光譜法在微量元素檢測(cè)方面?zhèn)涫荜P(guān)注，在環(huán)境檢測(cè)和漁業(yè)供應(yīng)鏈管理中有重要應(yīng)用潛力。漁業(yè)領(lǐng)域持續(xù)推廣X-ray 技術(shù)的應(yīng)用，具有重要的價(jià)值和促進(jìn)作用。

4.1 X-ray 技術(shù)在魚體組織及微量元素檢測(cè)中的研究趨勢(shì)

在魚體組織及微量元素檢測(cè)領(lǐng)域，研究者已經(jīng)使用不同的 X-ray 技術(shù)對(duì)樣本進(jìn)行了研究，而這些技術(shù)的選擇取決于研究目標(biāo)。近年來，相關(guān)文獻(xiàn)的研究方向和熱度如圖4 所示。

圖4 包括左側(cè)的柱狀圖和右側(cè)的折線圖，左側(cè)的柱狀圖展示了不同X-ray 技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域中相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)量，每個(gè)柱子的顏色表示相應(yīng)X-ray 技術(shù)在該領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)數(shù)量；右側(cè)的折線圖顯示了不同X-ray 技術(shù)有關(guān)魚體組織及微量元素檢測(cè)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量，隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。通過對(duì)圖4 進(jìn)行分析，可以更深入地了解該領(lǐng)域內(nèi)不同技術(shù)和文獻(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)和熱點(diǎn)。

近年來，在魚體研究領(lǐng)域，X-ray 數(shù)字成像法和X-ray 吸收光譜法得到了廣泛的應(yīng)用。在這兩種技術(shù)中，X-ray 數(shù)字成像法受到最高的熱度。近5 年來，與體外魚骨識(shí)別和魚體組織器官相關(guān)的研究占據(jù)了近半的X-ray 數(shù)字成像法的研究文獻(xiàn)數(shù)量。相比之下，X-ray 吸收光譜法的相關(guān)研究文獻(xiàn)主要集中于2010～2015 年之間，近年來熱度有所下降，主要用于魚體微量元素的檢測(cè)。目前，Xray 技術(shù)在魚骨識(shí)別、魚體組織器官建模以及魚體微量元素檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用中存在的問題

雖然已有學(xué)者提出了很多有關(guān)魚體檢測(cè)和應(yīng)用方面的X-ray 技術(shù)方案，但X-ray 技術(shù)早年間的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括醫(yī)院、安保和微量元素分析等領(lǐng)域，因此X-ray 技術(shù)的推廣在傳統(tǒng)輕工業(yè)領(lǐng)域仍存在一系列困難。其中，X-ray 技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

1）工業(yè)設(shè)備升級(jí)的成本較大。

在輕工業(yè)生產(chǎn)中增添X-ray 設(shè)備以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化質(zhì)檢，需要重新設(shè)計(jì)自動(dòng)化流水線，這使得Xray 技術(shù)在傳統(tǒng)輕工業(yè)行業(yè)中的升級(jí)成本相對(duì)較高。此外，通用的工業(yè)X-ray 檢測(cè)設(shè)備目前大多需要人工進(jìn)行目視識(shí)別，準(zhǔn)確率無法保證。

2）X-ray 設(shè)備大多較為龐大且難以移動(dòng)。

盡管已經(jīng)有可移動(dòng)的X-ray 照相設(shè)備問世，但由于其膠片成像效果較差且易受外界影響，而XCT 技術(shù)的成像效果雖好，但設(shè)備價(jià)格昂貴難以普及。而對(duì)于X-ray 衍射技術(shù)和吸收光譜法的檢測(cè)設(shè)備來說，設(shè)備龐大，被檢測(cè)的樣本還需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行制備，檢測(cè)流程相當(dāng)復(fù)雜。

3）X-ray 技術(shù)存在一定的安全隱患。

長(zhǎng)時(shí)間受到X-ray 的輻射會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不可逆的傷害，因此在將X-ray 技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域時(shí)，人體的安全性必須得到充分考慮。目前有關(guān)X-ray 技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用相對(duì)較少，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍需要對(duì)設(shè)備的安全性和性能等方面做出規(guī)范。

4.3 未來的研究方向

隨著X-ray 檢測(cè)設(shè)備價(jià)格的下降，其在漁業(yè)領(lǐng)域具有更加廣泛的應(yīng)用潛力，因此，近年來關(guān)于Xray 技術(shù)在魚體檢測(cè)方面的研究不斷增多。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于X-ray 在魚體組織及微量元素檢測(cè)方面的相關(guān)研究，根據(jù)目前的研究?jī)?nèi)容，分析總結(jié)出以下幾點(diǎn)有較大研究與應(yīng)用潛力的方向。

1）將X-ray 微量元素檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品原料的質(zhì)檢。

在食品生產(chǎn)領(lǐng)域中，原材料的質(zhì)量控制是很重要的部分，但目前只能采用抽樣送檢的方法來對(duì)部分魚產(chǎn)品原料進(jìn)行質(zhì)檢，若將X-ray 微量元素檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，則可以對(duì)原料進(jìn)行微量元素的檢測(cè)，從源頭控制食品安全。

2）研發(fā)更小型化、通用化的X-ray 設(shè)備。

無論是CT 成像、X-ray 熒光分析還是X-ray 衍射技術(shù)，其設(shè)備的體積都很大，并且需要專業(yè)的人員進(jìn)行操作，而這都是限制X-ray 技術(shù)應(yīng)用于輕工業(yè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。研發(fā)更小型、便捷、安全的設(shè)備，可以促進(jìn)多種X-ray 技術(shù)在漁業(yè)捕撈環(huán)境監(jiān)控等方面的應(yīng)用。

3）將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于X-ray 技術(shù)的數(shù)據(jù)處理中。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，其在圖像識(shí)別領(lǐng)域已不弱于人類，目前深度學(xué)習(xí)技術(shù)在魚骨識(shí)別方面已有一些學(xué)者嘗試應(yīng)用，都得到了不錯(cuò)的效果。除了X-ray 光片的識(shí)別外，深度學(xué)習(xí)技術(shù)也可以用在更多類型的X-ray 數(shù)據(jù)上，以此可以降低Xray 數(shù)據(jù)的分析門檻與應(yīng)用成本，更有助于推廣其在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。