X射線“顯微CT”在象牙與仿制品鑒定中的應用

邱云亮

X射線“顯微CT”在象牙與仿制品鑒定中的應用

邱云亮

X射線“顯微CT”（以下簡稱“顯微CT”）又稱Micro-CT、微焦點CT、微型CT或者μCT等，其是X射線CT的一種。“顯微CT”在醫學、地質學、材料學等領域均得到了廣泛的應用,并取得了良好的效果。筆者在利用“顯微CT”對象牙及其仿制品研究后發現，利用該技術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踐意義，之前尚無學者應用“顯微CT”技術對象牙等制品進行類似的研究。

一、CT影像技術概述

“顯微CT”是一種X射線CT，X射線CT（簡稱X-CT）的工作基礎是X射線，X射線由德國物理學家倫琴于1895年發現，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線在穿透物質時會被吸收而發生衰減，實踐中用吸收系數（又稱衰減系數）來表示，不同的物質其吸收系數是不同的。X-CT的原理系采用X射線束對物體一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過的X射線，先將透過的X射線轉變為可見光，再經光電轉換為電信號，最后經模擬/數字轉換器轉換為數字輸入計算機處理形成圖像。

CT圖像形成是將選定層面分成若干個體積相同的長方體，稱之為體素，每個體素的X射線吸收系數可以通過數學方法算出。根據每個體素的X射線吸收系數的不同將其排列成矩陣，即數字矩陣，經數字/模擬轉換器把數字矩陣中的每個數字轉為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素，并按矩陣排列，即構成CT圖像。可見X射線CT圖像是經過一系列轉換后的重建圖像。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），還可以進行三維立體圖像重建后觀察局部的立體結構。因此，利用CT的這一功能可以無損觀察某一物體的內部結構。

X-CT不僅能用來觀察物質的內部結構，還能根據X線的吸收系數來反映某物質的密度，實踐中是將其吸收系數換算成“CT值”來表示密度的高低。某物質的“CT值”等于該物質的吸收系數與水的吸收系數之差再與水的吸收系數相比之后乘以一個常數，計算公式為：CT值=（U-U水）/U水×K，K為常數（取值為1000），U代表某物質的吸收系數，U水代表水的吸收系數，“CT值”越高提示物質密度越高。“CT值”的單位為亨氏單位（Hu）。例如，水的吸收系數為1，按照“CT值”的計算公式可求得水的“CT值”為0Hu；空氣的吸收系數為0.0013接近于0，其“CT值”就大約為-1000Hu。不同的物質具有不同的密度，密度不同（或內部結構不均勻）則“CT值”不同。鑒于物質的“CT值”和密度存在著緊密關聯，因此，就可依據“CT值”的不同而將物質予以鑒別。

筆者在本文中重點敘述“顯微CT”在象牙與仿制品的鑒別中的具體應用。

二、“顯微CT”的具體應用

（一）顯微功能的應用

CT的工作基礎是X射線，其本身就是一種無損式的影像檢查技術。“顯微CT”是在普通CT的基礎上發展而來的，其最初設計的目的是用來探測陶瓷材料中的結構缺陷和金屬中的應力缺陷，能在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內部結構。與普通CT相比，“顯微CT”優勢在于其空間分辨率極高，可達到微米級，高檔的“顯微CT”甚至能達到納米級別。空間分辨率是指影像中能夠分辨的最小細節。普通CT的空間分辨率通常只能達到0.5毫米（500微米），而普通“顯微CT”的最高分辨率能達到9微米，高端“顯微CT”最高分辨率甚至能達到0.4微米（400納米）的程度，普通CT與之相比相差數百、甚至千倍。研究發現，一般的生物樣本其內部大都具備微管（系有機物構成的細小管道）結構，微管直徑大多在0.8～2.2微米之間，高端“顯微CT”的空間分辨率對于大多數生物樣本和非均質物體均能清晰的顯示出其內部結構。對物體進行掃描時能顯示出具有良好的“顯微”作用。除了上述的分辨率的優勢之外，“顯微CT”無需任何其他的樣品制備，就可以無損式的對樣品進行觀測，可在樣品的任意方向上，對任一截面結構視覺化為3個正交剖面（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“感興趣區”（ROI）進行重點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。系采用化學工藝合成，常見的有干酪素塑料、酚醛澆鑄樹脂、硝化纖維塑料等。②魚牙仿制品。系使用海洋里較大的魚的牙齒進行的仿制，如：海象牙、海豬牙等。③動物骨骼。常見的有豬、羊、牛、馬等動物的四肢骨骼進行處理仿制。④動物犄角。一般系采用山羊角、羚羊角、鹿角等雕刻制成。

筆者進行該項研究時，選擇了現生象牙、酚醛澆鑄樹脂人造象牙、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”進行掃描，該型號“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：象牙內部結構呈均質狀，無明顯框架結構及紋理（見圖1～2）；加入填充物的樹脂仿象牙制品，內部結構不均勻，可見高密度的添加物顆粒（圖3～4）；山羊角有清晰的內外層結構分層：外層呈均質結構，內層為骨質類結構，骨質內并可見較多的孔洞（見圖5～6）；小尾寒羊腿骨靠近中央骨髓腔的骨皮質內可見大小不等的“孔洞”（系血管滋養孔）（見圖7），靠近端段的骨髓腔內還可見骨骼橫跨骨髓腔的“骨橋現象”（見圖8）。

圖1 象牙（二維掃描）

圖2 象牙（局部三維重建）

圖3 樹脂內加有添加物（二維掃描）

圖4 樹脂內加有添加物（局部三維重建）

圖5 山羊角的遠端（二維掃描）

圖6 山羊角遠端（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”不能顯示出內部微管直徑小于9微米樣本的結構。如，在掃描觀察象牙樣品時，“剖面”會呈現為“均質結構”的假象（見圖1）。若樣本內部有直徑9微米以上的結構（如樹脂內的顆粒添加物，骨骼內的血管滋養孔）存在時，完全能夠清晰的將其顯示出來的。總體來講，若欲更好的觀察樣本的內部結構，更高分辨率（如0.4微米）的“顯微CT”優于分辨率較低的“顯微CT”，但其檢測費用成本將增加。

（二）“CT值”的應用

據前所述，“CT值”不是一個絕對值，而是一個相對值，不同組織的“CT值”各異，各自在一定范圍內波動，水的“CT值”約為0Hu，空氣的“CT值”約為-1000Hu。

筆者選擇了現生象牙、猛犸象牙，以及常見的仿象牙制品或原料：純樹脂、摻入添加物的樹脂、魚骨、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”對上述樣本的“CT值”進行檢測，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”的對比圖可以看出，現生象牙的“CT值”大致在3000Hu～3400Hu之間，密度較高。猛犸象牙的“CT值”約2700Hu～2800Hu，密度低于現生象牙，提示“CT值”3000Hu為二者的分界線。因本研究的樣本數較少，“CT值”3000Hu作為分界線是否穩定可靠，還需要加大樣本量進行統計分析，這可以作為以后研究的一個方向。筆者分析認為，猛犸象系已經滅絕了的哺乳動物，猛犸牙大多保存在阿拉斯加和西伯利亞等地的凍土層中，距今約有上萬年的歷史，經過長時間的地層埋藏，猛犸象牙牙質中的有機基質、鈣含量、結晶水已嚴重損失。這種變化應是導致其“CT值”出現下降的主要原因。由此表明，“CT值”可以作為現生象牙和猛犸象牙鑒別時的重要參考指標。沒有摻入填充物的純樹脂，其“CT值”明顯低于現生象牙和猛犸象牙，能非常容易地將它們區分開來。加入填充物的樹脂仿象牙制品，“CT值”與象牙接近，筆者認為，這可能與所摻入填充物的種類有關系，因填充物不同其“CT值”會有較大的區別。魚骨類的仿象牙制品（俗稱海馬玉石），其外觀和現生象牙極其相似，通過檢測發現，其“CT值”僅在8Hu～10Hu之間，數值非常低，與現生象牙相差300多倍，通過“CT值”這一個指標就能很容易的將其鑒別出。

三、總結

目前在國內尚沒有機構或個人通過“顯微CT”進行象牙鑒定的相關研究，更沒有通過“顯微CT”進行種屬鑒定的系統性研究。通過“顯微CT”這種無損檢測方法，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部結構，不同的材質其內部結構必然存在著差異，依據該材質的差異進而將由不同材質所制的象牙工藝品和仿象牙工藝品進行良好的鑒別和區分，為司法鑒定提供技術支撐。通過“顯微CT”掃描檢測，不但可以區分象牙和非象牙制品，而且可以區分現生象牙和猛犸象牙；通過“顯微CT”掃描檢測，還可以對象牙制品內部是否填充有其他雜物物質進行鑒定；通過“顯微CT”掃描檢測簡便、易行、可操作性強，且準確率很高，幾乎沒有誤判的可能。這種檢測方法，也可為其他種屬野生動物制品鑒別或研究提供借鑒。

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

（作者單位南京森林警察學院）

（責任編輯盧維英）