基于CT 扫描数据的黄鳍金枪鱼鱼体三维重构

宋利明，李金霖，张 敏,2

(1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海海洋大学，国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306)

黄鳍金枪鱼(Thunnus albacares)是一种高度洄游的金枪鱼类，广泛分布在大西洋、太平洋和印度洋的热带和亚热带海域[1]。黄鳍金枪鱼是一种相对较大的金枪鱼类，最常见的捕获尺寸为叉长40～150 cm，体重1.3～70.0 kg[1]。该物种在约3～5 龄、叉长100 cm 时达到性成熟[2-3]。近年来国内外许多学者对多种鱼类的成鱼和仔稚鱼的鱼体骨骼结构进行了研究[4-23]，还对鱼类尾部骨骼发育情况进行了研究[24-26]，但对金枪鱼类骨骼的探索较少[27]。骨骼是鱼类年龄鉴定和生长发育状况分析的重要依据[28]，研究鱼类的骨骼，对鱼类分类学有较大的帮助。

计算机断层扫描是利用X 射线可以穿透生物体的特性对生物体内部结构进行成像，X 射线CT 对生物体密度的分辨率高，不仅能够清晰显示密度差别大的软组织和骨骼结构，同时能清晰显示差别小的软组织结构和器官，一般所显示的组织结构之间没有重叠。由于CT 成像是一种数字化成像技术，所以CT 扫描的图像数据可以运用计算机软件进行多种后期处理，包括二维显示、三维显示等，可用于深入研究。

在鱼体中，骨骼、肌肉以及带有空气囊的鳔的密度差别较大，当X 射线穿透鱼体时，不同密度的部位对X 射线的吸收程度不同，在鱼体结构中，骨骼部分的密度高，对X 射线吸收多，照片中呈白影；鳔部分含气体、密度低，X 射线吸收少，呈黑影[29]。许多学者使用X 射线对金枪鱼类的骨骼和鳔进行了拍摄，以研究骨骼系统，确定鳔的位置、长度、宽度等[27]。本实验通过X 射线计算机断层(CT)扫描技术对黄鳍金枪鱼鱼体进行扫描，通过医学影像软件Mimics 对CT 扫描数据进行处理，重构了黄鳍金枪鱼的骨骼、鳔和肌肉等三维图像并测定其相应的体积和表面积，以期为鱼类学、鱼病学和鱼类声学回波强度等的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验对象

实验用黄鳍金枪鱼样品由浙江大洋世家股份有限公司提供，捕自中西太平洋基里巴斯海域。该样本有关参数：叉长66.0 cm、体宽13.6 cm、体高16.5 cm、体重5.75 kg。

1.2 实验方法

实验前将冷库中冷冻的样本提前24 h 解冻。将鱼体放入某医院的CT 成像系统中进行扫描。CT 成像系统的型号为：TOSHIBA Aquilion，扫描时焦点设置为小焦点，扫描参数为120 kV，100 mA，kV 为高压电下X 射线球管产生的管电压，mA 为管电流，二者的高低影响CT 成像的清晰度。

1.3 数据分析

本实验选择层厚为1 mm 进行扫描，得到大量鱼体断层扫描图像。将X 射线CT 扫描图像DICOM 文件导入Mimics 软件(MIS_Research_21.0)中，选取骨骼、鳔和肌肉进行三维重建。对于骨骼、鳔和肌肉部分，模型可识别出每部分的CT 值(单位HU)，设置骨骼的CT 值阈值为126～1 500 HU，鳔和肌肉的阈值分别为-1 015～-985 HU 和50～110 HU，软件自动提取CT 值阈值范围内的部分，上述鱼体各部分阈值范围没有重叠，可以准确把鱼体各部分分开，此时的鱼体各个部分图像最为清晰，在软件中构建出鱼体每个器官或组织的图像后，软件会自动计算所建图像的体积、表面积，在软件右下角Object 栏中，选中需要查看的目标图像，点击Properties 可以看到每个器官或组织图像的体积、表面积以及每个器官或组织在软件坐标系下的具体位置等详细信息。利用该软件中的标尺可量出鳔的最大长度和宽度。利用下列公式计算得出骨骼、鳔和肌肉的体积(表面积)占整个鱼体体积(表面积)的百分比：

式中，Pi为i项的体积(表面积)占鱼体总体积(表面积)的百分比，Qi为i项的体积(表面积)，Q为鱼体总体积(表面积)。

2 结果

2.1 不同部位的三维重构

通过对黄鳍金枪鱼不同器官或组织的三维重构，可以清晰地看出黄鳍金枪鱼的整体影像(图1-a)、鱼体结构(图1-b)、骨骼结构(图1-c)、鳔(图1-d)及其在腹腔中的相对位置(图1-e)以及肌肉部分(图1-f)。鱼体呈纺锤形，尾柄较细，鳔的最大长度和宽度分别为11.20 和2.33 cm (图1-a)；鱼体的腹腔较小，肌肉较多(图1-b)；骨骼细密、粗壮、每节躯椎和尾椎、腹肋、背肋和脉棘等明显(图1-c)；鳔呈辣椒状、鳔壁较厚，其形态清晰(图1-d)；鳔紧贴躯椎和腹肋，占腹腔体积的比例较高，在腹腔中的相对位置清晰(图1-e)；肌肉丰满，呈纺锤形(图1-f)。

图1 黄鳍金枪鱼CT 扫描图像(a)整体影像，(b)鱼体结构，(c)骨骼，(d)鳔的形态，(e)鳔在腹腔中的相对位置，(f)肌肉。Fig.1 Computed tomography (CT) scan image of T.albacares(a) overall image,(b) fish body structure,(c) skeleton,(d) swim bladder morphology,(e) relative position of swim bladder in abdominal cavity,(f)muscle.

2.2 不同部位的体积和表面积

黄鳍金枪鱼骨骼、鳔、肌肉的体积和表面积以及相应的百分比见表1。骨骼、鳔、肌肉的体积分别占整体的7.76%、0.88%和91.36%，其对应的表面积分别占29.52%、0.74%和69.74%。

表1 骨骼、鳔和肌肉的体积和表面积以及相应的百分比Tab.1 Volume and surface area of the skeleton,swim bladder and muscle,and the corresponding percentage

3 讨论

3.1 X 射线CT 鱼体扫描成像方法的精度

X 射线CT 鱼体扫描成像方法操作简单，实验步骤较少，还原度高。X 射线CT 的优势在于对骨骼等高密度组织成像较清晰准确，可以精确地对骨骼和软组织分别成像。目前对鱼类骨骼系统的研究主要有煮沸剥离鱼肉法[15]、X 射线骨骼成像法[23]和去肉浸泡漂白法等[16]。还有一些学者采用软骨-硬骨双染色技术，对施氏鲟(Acipenser schrenckii)仔稚幼鱼[30]、鳜 (Siniperca chuatsi)仔稚鱼[22]，以及尖吻鲈(Lates calcarifer)仔鱼[21]的骨骼系统进行连续观察，总结出相应骨骼的生长发育规律及骨化时间。杨蕊等[27]使用了方斑东风螺(Babylonia areolata)舔食骨骼标本制作法获得了青干金枪鱼(T.tonggol)骨骼，对青干金枪鱼骨骼系统做了比较详尽的分析。

本实验使用X 射线CT 鱼体扫描成像与三维建模软件相结合的方法对黄鳍金枪鱼鱼体各器官或组织进行三维重建得出其形态，对硬骨鱼类的骨骼研究更加快捷方便。特别是对鱼体骨骼和鳔部分三维重建还原度较高，图像可以清晰反映出鱼体骨骼和鳔的结构，有利于鱼类学、鱼类声波回波方面的研究。通过本实验可以清楚呈现黄鳍金枪鱼鳔的形态和其在腹腔中的相对位置，说明黄鳍金枪鱼是有鳔鱼类，这一结果与学者们[31-33]的研究结果一致，他们认为黄鳍金枪鱼生长到2 kg 时鳔开始发育[31]，属于有鳔鱼类。Bertrand等[32]根据海上观测估计，得出60 和90 cm 叉长的黄鳍金枪鱼鳔的体积分别为80 和130 cm3，为鱼体体积的1.0%～1.7%。根据Moreno 等[34]对叉长为45.2～70.8 cm (平均值为58 cm) 4 尾黄鳍金枪鱼鳔的最大长度的测定，得出平均最大长度为11 cm，占叉长的20%左右。本实验中黄鳍金枪鱼的叉长为66.0 cm，鳔的体积为43.41 cm3，约为鱼体体积的0.88%，最大长度为11.2 cm，占叉长的17%。本研究得出的结果更加精确。

3.2 X 射线CT 鱼体扫描成像方法可用于量化分析

X 射线CT 鱼体扫描成像方法可把鱼体结构数字化处理，可用于鱼类器官、组织结构的量化分析。对比其他研究方法，此方法可以快速得到鱼体各部分的体积和表面积(如骨骼、鳔和肌肉)，甚至对于某一器官的内部结构进行深入分析，有利于养殖的名贵鱼类活体，如蓝鳍金枪鱼(T.thynnus)、马苏金枪鱼(T.maccoyii)等鱼病的诊断。今后还可以对活体鱼类的生物学特性进行深入研究，可以通过图像找到耳石，测定同一尾鱼在不同的生长条件下耳石的形态变化参数等。

3.3 X 射线CT 鱼体扫描成像的不足

X 射线CT 成像，利用生物体中不同组织对X 射线的吸收能力不同进而穿过生物体后X 射线的能量不同进行成像。X 射线可以精确区分人体中的骨骼和肌肉，对于鱼类而言，其各部分组织、器官的密度与人类的存在一定的差距，特别是鱼类头部的肌肉密度不同于鱼体其他部分，本实验所使用的X 射线CT 扫描机成像精度一般，对于鱼体头部的肌肉和骨骼分辨率偏低。今后如果要对鱼类头部的结构和组织进行精确研究，建议使用成像精度较高的X 射线CT 扫描机。

3.4 展望

本方法肌肉部分的形态和体积计算存在一定的误差。骨骼密度高，吸收的X 射线量多，影像在照片上成白影，充满空气的鳔密度小，吸收的X 射线量少，影像呈现黑影。肌肉的密度较小，介于骨骼和鳔的密度之间，选取密度阈值需要有一定的经验。本实验所用的黄鳍金枪鱼经过反复的冷冻、化冻，肌肉的密度发生一定的变化，也影响了鱼体的完整性，对肌肉部分的三维重建造成一定的误差。今后应不断积累各个组织、器官选取密度阈值的经验，使用鲜度较好的鱼类进行实验，以提高测定精度。

感谢浙江大洋世家股份有限公司和中水集团远洋股份有限公司的大力支持。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）