X-ray在鱼体组织及微量元素检测中的应用.pdf

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-ray 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/JAO202445.0103005Application 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),EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090,China）Abstract：Thehardtissueoffish,especiallytheskeleton,isthetissuethatsupportsfishbodyandprotectsitsinternalorgans.Thecharacteristicdetectionandanalysisofthehardtissueisthedatabasisforstudyingfishswimmingmotion,fishanatomy,fishbodymodelingandsoon.WiththedevelopmentofX-raytechnologyandthewideapplicationofdomesticequipment,thecostofinstrumentsandequipmenthasbeensignificantlyreduced,whichmakestheapplicationofX-rayinfisheryresearchandautomaticproductionpossible.Thebasic principle of X-ray technology and its application in the detection of fish body tissues were firstintroduced.TheapplicationofX-raytechnologyinthefieldoffisherywasmainlydividedintonondestructivedetectionoffishtissuesandorgans,andidentificationoftraceelementsinfishbody.X-raytechnologies,including photography,digital imaging,diffraction and X-ray absorption spectroscopy,were introducedrespectively.Then,theirapplicationsinthemodelingoffishbodytissuesandorgans,fishskeletondetection,fishfossilresearch,otolithanalysisandtraceelementdetectionoffishbodywerereviewed,andproblemsexistingintheapplicationofX-rayinthefieldoffisheryweresummarized.Finally,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，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0.001nm10nm 之间的电磁波。在 X-ray 成像过程中，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-ray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，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、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 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，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年份作者建模对象技术结果2018WEINHARDTV等12小型脊椎动物的身体、器官和组织形态CT扫描设计了一整套适用于小型脊椎动物的自动数据处理、器官和组织分割的细胞级CT高通量3D数据采集和图像分析系统。2019DORNANT等13南大洋中上层鱼类CT扫描证明了随着纬度向南极大陆增加，鱼类群落从拥有充气泳囊的鱼类转变为缺乏充气泳囊的鱼类。2020MUELLERM等14通过水力涡轮机通道的鱼类X-ray数字成像法X-ray图像成功检测到鱼体内的骨骼损伤、膀胱异常、肺气肿、游离腹腔气体和出血。2021杨蕊等15青干金枪鱼X-ray数字成像法与骨骼标本制作法揭示了青干金枪鱼的骨骼形态特征，丰富了金枪鱼属鱼类的生物学基础。2022宋利明等16黄鳍金枪鱼CT扫描与医学影像软件Mimics在实验中对黄鳍金枪鱼的骨骼、鳔和肌肉进行三维重构，并测定了相应部分的体积和表面积。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年份作者研究数据算法模型评价指标准确率应用场景2011MERYD等19鳟鱼的X-ray数字光片支持向量机交叉验证法对大型、中型和小型鱼骨的检测性能分别为100%、98.5%和93.5%实现了自动检测鱼片中是否存在鱼骨。2020HUNGTR等253332条鱼的X-ray数字图片ConvNet准确率其关键点正确率高达98.86%提出了FishPose预测，简化了测量鱼骨骼长度的相关工作。2021URAZOEK等26使用虚拟鱼骨构建数据集CNN平均F值平均F值为0.747实验结果表明，在实际的X-ray图片中仍成功检测到了鱼骨。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 BAEJOWSKIB 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3.1.1X-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170应用光学第45卷第1期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，FREIREPTC 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-KHAYATHA 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。3.1.2X-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，PHIBBSJ 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年份作者技术研究对象结果2007LIMBURGKE等人34同步辐射微束X-ray荧光法Ca、Sr、Zn、Ba、Mn、Se等元素绘制了耳石中多种微量元素的20m高分辨率面积图与浓度图。2018SCHULZ-MIRBACHT等人35硬X-ray相位对比成像（XPCI）琼脂糖建立了琼脂糖分离耳石的简单模型，成功地将耳石的原位运动可视化。2018LONGJM等人36X-CT技术斑点鲑在孵化过程中的耳石日环形成过程研究结果证明它们耳石的日环在孵化后几天形成，这与从附着的无柄幼体到自由游泳幼体的过渡有关。2019MOOREBR等人37CT显微扫描数据与预训练的卷积神经网络（CNN）鱼耳石图像识别年龄的模型该模型在鲷鱼图像中47%的类别与人类判断年龄相符，35%与人类年龄估计误差在1年以内。鳕鱼图像中41%与人类判断的年龄相符。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171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）。表 5 X-ray 技术关于鱼体微量元素的研究Table 5 Related studies on trace elements in fish bodies by X-ray technique年份作者研究样本技术测量元素研究结果2006VIVESAES等38皮拉西卡巴河中鱼类的肌肉和内脏全反射X-ray荧光分析法Al、Si、K、Ca、和Ti等元素通过内脏中的重金属元素含量对皮拉西卡巴河的污染情况进行了评估。2006MICHAELG等39搪瓷食品罐中存放的鱼类产品X-ray显微分析法C、Al、Sn、Ti、S和Fe 实验结果表明，金属罐变色对人体健康无害，而漆粘附失效可能导致脱铁和钢腐蚀现象，会影响罐装产品的安全性。2011DASILVACARNEIROC等40巴西Septiba湾鱼类和牡蛎同步辐射全反射X-ray荧光法Al、K、Ca、Cr、Mn等元素实验结果表明，Septiba湾的鱼类肌肉中积累了高浓度的铬和硒，牡蛎中铬、锌、硒含量较高，其中锌含量特别高。2011PHIBBSJ等32加拿大萨斯喀彻温省北部铀加工厂水域笼养小鱼X-ray吸收光谱法Se实验测定了鱼体内硒的生物累积和营养转移的主要途径与化学分布，支持了硒摄取的主要形式是饲料的假说。2012KARTHIKEYANS等41可食性鱼类X-ray衍射技术Ni、Cr、Ca、Mg和P结果表明，可食性鱼类骨组织中镍的毒性作用比铬更明显2014ZARAZAG等42Tepuxtepec大坝的草鱼样本全反射X-ray荧光分析法Cr、Ni、Cu、Zn、Hg和Pb草鱼组织中重金属含量超标且具有毒性，除汞外，鳃、肝脏和肾脏中的金属积累量明显高于肌肉。2022LEITORG等43斑马鱼微能色散X射线荧光分析法Ca、Fe、Cu、Zn和Hg 实验绘制微量元素在斑马鱼中的分布图，其中鳃的汞浓度较高。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。(a)累积柱状图鱼骨识别鱼耳石研究鱼类化石检测鱼体微量元素检测鱼体组织器官建模应用领域(b)累积折线图时间7654321019952000200020052005201020102015201520202020至今文献数目76543210文献数目x-ray实时成像法CT技术显微CT技术x-ray吸收光谱法x-ray衍射技术x-ray实时成像法CT技术显微CT技术x-ray吸收光谱法x-ray衍射技术172应用光学第45卷第1期(a)累积柱状图鱼骨识别鱼耳石研究鱼类化石检测鱼体微量元素检测鱼体组织器官建模应用领域(b)累积折线图时间7654321019952000200020052005201020102015201520202020至今文献数目76543210文献数目x-ray实时成像法CT技术显微CT技术x-ray吸收光谱法x-ray衍射技术x-ray实时成像法CT技术显微CT技术x-ray吸收光谱法x-ray衍射技术图 4 X-ray 技术在渔业研究中不同领域和不同时间的文献累计图Fig.4 Cumulative literature diagram of X-ray technologyin different fields and at different times in fisheryresearch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 20102015 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，X-ray 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。4.2 应用中存在的问题虽然已有学者提出了很多有关鱼体检测和应用方面的 X-ray 技术方案，但 X-ray 技术早年间的应用场景主要包括医院、安保和微量元素分析等领域，因此 X-ray 技术的推广在传统轻工业领域仍存在一系列困难。其中，X-ray 技术的应用难点主要有以下几个方面：1）工业设备升级的成本较大。在轻工业生产中增添 X-ray 设备以实现自动化质检，需要重新设计自动化流水线，这使得 X-ray 技术在传统轻工业行业中的升级成本相对较高。此外，通用的工业 X-ray 检测设备目前大多需要人工进行目视识别，准确率无法保证。2）X-ray 设备大多较为庞大且难以移动。尽管已经有可移动的 X-ray 照相设备问世，但由于其胶片成像效果较差且易受外界影响，而 X-CT 技术的成像效果虽好，但设备价格昂贵难以普及。而对于 X-ray 衍射技术和吸收光谱法的检测设备来说，设备庞大，被检测的样本还需要专业技术人员进行制备，检测流程相当复杂。3）X-ray 技术存在一定的安全隐患。长时间受到 X-ray 的辐射会对人体产生不可逆的伤害，因此在将 X-ray 技术应用到其他领域时，人体的安全性必须得到充分考虑。目前有关X-ray 技术的扩展应用相对较少，扩大其应用范围需要对设备的安全性和性能等方面做出规范。4.3 未来的研究方向随着 X-ray 检测设备价格的下降，其在渔业领域具有更加广泛的应用潜力，因此，近年来关于 X-ray 技术在鱼体检测方面的研究不断增多。本文总结了国内外关于 X-ray 在鱼体组织及微量元素检测方面的相关研究，根据目前的研究内容，分析总结出以下几点有较大研究与应用潜力的方向。1）将 X-ray 微量元素检测技术应用于工业产品原料的质检。在食品生产领域中，原材料的质量控制是很重要的部分，但目前只能采用抽样送检的方法来对部分鱼产品原料进行质检，若将 X-ray 微量元素检测技术应用到工业生产自动化中，则可以对原料进行微量元素的检测，从源头控制食品安全。2）研发更小型化、通用化的 X-ray 设备。无论是 CT 成像、X-ray 荧光分析还是 X-ray 衍射技术，其设备的体积都很大，并且需要专业的人员进行操作，而这都是限制 X-ray 技术应用于轻工业领域的难点。研发更小型、便捷、安全的设备，可以促进多种 X-ray 技术在渔业捕捞环境监控等方面的应用。3）将深度学习技术应用于 X-ray 技术的数据处理中。随着深度学习技术的发展，其在图像识别领域已不弱于人类，目前深度学习技术在鱼骨识别方面已有一些学者尝试应用，都得到了不错的效果。除了 X-ray 光片的识别外，深度学习技术也可应用光学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173以用在更多类型的 X-ray 数