可移动式CT为博物馆文物分析提供新思路.pdf

传媒观察CHUANMEI GUANCHA076自1895年德国物理学家威廉康拉德伦琴发现X射线以来，X射线凭借其自身强大的特性，已被广泛应用于机械、造船、建筑、航天、医疗、文博等领域。但X射线分析技术大多都是二维图像，无法携带关于物体的三维性质的有用信息。为此，英国工程师戈弗雷亨斯费尔德于1971年研发出了世界上第一台CT，以此来重建人脑的三维内部结构。近年来，随着X射线分析技术和计算机技术的飞速发展，现代CT设备的体积越来越小，分辨率也越来越高。因此，可移动式CT系统的研发与应用显得愈发重要，它可以克服场地以及文物大小的限制，实现对文物的360无死角现场检测分析。此次，博物馆文物的可移动式CT断层扫描于2019年在马尔萨拉的利利贝奥地区考古博物馆进行。在该活动中，博物馆提供了一些陶质文物，用于研究其内部结构和制造技术。而计算机断层扫描（CT）是一种无损检测技术，可以有效提供被检测文物的内部信息，以揭示其内部存在的缺陷、裂隙或其他物质。此外，CT技术还可以帮助人们确定研究物体的厚度、大小和相关历史信息，既可以提取文物表面被覆盖的铭文、纹饰等信息，也可以反映出文物修复前后的情况，提供文物的内部信息及病害的发展状况，还可以获取文物的制造技术、原始功能、使用方法、保存状态等信息。计算机断层扫描技术计算机断层扫描（CT）技术主要基于X射线与物质的相互作用，它是于20世纪60年代发展起来的，在20世纪70年代已广泛应用于科学研究，20世纪80年代在国外已用于博物馆文物藏品的科技分析。CT技术之所以广泛应用于各个领域，得益于它是一种无损检测技术，可以研究各种材料和物体的内部结构。它是由从不同角度获取研究对象的X射线照相数据组成的，并通过计算机使用一种特殊的数学算法处理数据；该算法能够重建研究对象的二维横截面图（也被称为切片）。随后，人们可以通过三维渲染软件查看研究对象的所有切片，以此重现物体内部的整个三维体积视图，从而对其进行虚拟切割，以研究其内部结构。目前，两个最常用的渲染软件是VG Studio Max和3D Slicer。因为X射线强度衰减程度与物体密度、厚度成正当前，博物馆文物普遍面临着环境问题与人为因素的威胁。为了更好地了解博物馆文物的内部结构及其制造技术，现通过对利利贝奥地区考古博物馆内的出土文物进行可移动式CT断层扫描，以期实现对博物馆文物的无损检测与图像重建，为博物馆文物的保护分析提供参考。可移动式 CT 为博物馆文物分析可移动式 CT 为博物馆文物分析提供新思路提供新思路?郭 凯郭 凯076077比，所以CT数字扫描图像的灰度值直接体现了X射线的衰减程度：物质密度越大，X射线衰减程度越高，CT数字图像灰度值越小，图像越暗；物质密度越小，X射线衰减程度越低，CT数字图像灰度值越大，图像越亮。根据此原理，可以透过CT数字图像的灰度值来获取研究对象的内部信息。可移动式 CT 的基本组成相关人员通过对样品数据的详细测量，最终选择了适用于中型物体的层析成像设备。该CT系统由三个主要部分组成（见图1）。第一个部分是X射线源：最大电压为130kV的低功率微焦点X射线管（KEVEX PXS10-65W），其焦点在最小功率下小到6m。它配备有自动再生空气系统（内部风扇），内部有一个钨靶和一个0.25mm的铍窗口。X射线管在扫描物体之前需要预热。第 二 个 部 分 是 像 素 尺 寸 为 1 2 7 m 的 高 动 态 范 围（25cm20cm）X射线平板数字探测器（VARIAN PS2520D）。探测方法为间接转换，其闪烁体层为铊与碘化铯的混合物（CsI：Tl），最大帧率为10fps，具有很高的空间分辨率，特别适用于中小型物体的扫描。第三个部分是由德国Physik Instrumente（PI）公司生产的运动系统，由2个垂直平移轴、1个水平平移轴和1个旋转操纵台组成。彼此垂直安装的垂直平移轴与水平平移轴可以使平板探测器扫描比其自身尺寸更大的区域，最大面积约为5050cm2。而X射线源安装在垂直平移轴上可以让X射线垂直扫描物体，以此来增加视野。旋转操纵台则放置在平板探测器和X射线源之间，旋转轴对于获取研究物体不同角度的X射线投影必不可少，并且能够支撑和旋转最大约40kg的重量。为确保X射线不会对检测人员和环境造成伤害，检测现场采取了一些安全措施。首先借助控制软件，将CT系统和控制设备安全地放置在不同的位置，以便安全地进行数据检测（见图2）。其次，架设铅板形成铅房，用于防止X射线的逸散。图1 适用于中型物体的CT系统（作者自制）图2 现场数据采集示意图（作者自制）检测结果与分析为了确保检测质量，在经过预检测之后，相关人员最终确定了陶质文物的采集参数。下表所示的参数是所采集的两件陶质文物的CT图像数据，下面将对检测结果进行简要分析。陶质文物的采集参数表电压130kV电流250A投影数900角度360像素点127m三维像素90.07m放大倍数1.41 倍SDD908mmSOD644mmODD264mm野猪状奶瓶这件野猪状婴儿奶瓶的制作时间可以追溯到公元前4世纪上半叶。图3 野猪状婴儿奶瓶（作者自摄）如图3所示，奶瓶的表面通体彩绘，局部脱落。敞口，口内有七个穿孔（见图4）。以壶嘴为鼻，两侧刻画有眼睛，造型生动可爱。瓶内有一物体，轻微晃动可以发出声响。传媒观察CHUANMEI GUANCHA078通过分析CT断层扫描图像发现，该奶瓶内部的圆形物体在器物烧结完成之前就已存在，不是后来放置到奶瓶中的。这一结论源自以下数据：通过软件测量发现圆形球体直径约为6.93mm，而奶瓶顶部的最大孔直径约为4.77mm，右侧瓶口的直径约为3.96mm（见图5）。图4 婴儿奶瓶顶部的7个孔（作者自制）图5 婴儿奶瓶内的圆形物体（作者自制）此外，奶瓶顶端瓶口的上半部分有被修复过的痕迹。通过肉眼观察，可以看到被修复过的部分彩绘颜色比原来的部分颜色深。而通过CT图像解析可以轻松地区分出被修复过的部分。如图6所示，用于修复奶瓶的材料与奶瓶所使用的原始陶土材料完全不同，修复所用的材料里含有更多杂质。而且被修复区域的某些部分与原始部分的连接不够紧密，两者之间还有裂缝。图6 瓶口上被修复过的部分（作者自制）图7 婴儿奶瓶内的孔和裂缝（作者自制）079通过CT影像，可以发现奶瓶的内壁上还有一个圆形洞槽和一些裂纹，洞的直径约为9.9mm，深度约为2.25mm（见图7）。同时，透过二维横截面影像可以清晰地看到陶土材料中存在一些较大的杂质。喷泉图饰油灯喷泉图饰油灯的尺寸约为89.9mm62.8mm36.5mm。顶部不平，刻绘有喷泉图案。喷泉图饰油灯有大、中、小三孔，大孔为出火口，中孔为注油口，小孔为透气孔。右侧有一圆环状把手。整体保存较为完好，表面仅可见一些轻微的划痕（见图8）。图8 喷泉图饰油灯（作者自摄）图9 油灯的制作工艺（作者自制）在古罗马时代，传统的油灯制作工艺一般包含以下三个步骤（见图9）。首先，使用模具制作油灯的顶部和底部，并用黏土将其黏合在一起形成主体。其次，使用工具将主体表面打磨光滑，并雕刻细节。最后，通过粗细合适的木棒将油灯的把手黏合到主体上。通过CT透视图像可以发现，该油灯内部有一道圆形的沟壑（见图10），这应该就是在将油灯主体顶部与底部相黏合时所产生的痕迹。此外，把手与主体所使用的黏土材料也有所不同，把手所使用的黏土材料密度较小，杂质更多，从图片中可以清晰地看出它们之间的黏合痕迹（见图11）。通过对上述陶土文物的检测与分析，可以看出CT技术具备独特的优势：在不损坏、不接触文物的情况下，CT技术能够精准地检测出陶土文物内部的一切细微损伤、孔隙和杂质。通过3D软件，还可以进一步了解其具体的内部结构和制作工艺。为了便于之后的保存、修复，CT技术还可以提供其内部损伤大小的虚拟测量，以及不同部位的切片视频。图10 油灯内的圆形沟壑（作者自制）图11 油灯内部的杂质和空隙（作者自制）结论CT技术是文化遗产领域非常强大的一种调查研究工具，因为其是一种非侵入性的调查研究工具，可以无损检测各种类型的文物，并以高分辨率对其内部结构进行分析。国内目前应用于文物分析的CT设备大多都是工业CT，而工业CT的缺陷是设备价格昂贵，体积较为庞大，无法到现场进行文物扫描，且扫描时间较长。而由意大利博洛尼亚大学物理学和天文学研究小组研发的一种可移动式CT系统则良好地解决了工业CT体积庞大、不易携带的问题，且具有较高的分辨率。因此可以说，研发并使用新型可移动式CT进行现场分析是CT检测技术的未来发展方向。可移动式CT系统的另一个优点是它可以最大程度地减少文物的移动，从而避免文物在从考古现场或博物馆转移到实验室的过程中受到二次伤害。通过计算机断层扫描技术，我们还可以以数字方式保存文物信息，如横纵截面图片和360可视化视频，这也为文物保护提供了新方向。（作者单位：淮安市文物保护和考古研究所）