宋利明，李金霖，張 敏,2

(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)，國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

黃鰭金槍魚(Thunnus albacares)是一種高度洄游的金槍魚類，廣泛分布在大西洋、太平洋和印度洋的熱帶和亞熱帶海域[1]。黃鰭金槍魚是一種相對較大的金槍魚類，最常見的捕獲尺寸為叉長40～150 cm，體重1.3～70.0 kg[1]。該物種在約3～5 齡、叉長100 cm 時達(dá)到性成熟[2-3]。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對多種魚類的成魚和仔稚魚的魚體骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[4-23]，還對魚類尾部骨骼發(fā)育情況進(jìn)行了研究[24-26]，但對金槍魚類骨骼的探索較少[27]。骨骼是魚類年齡鑒定和生長發(fā)育狀況分析的重要依據(jù)[28]，研究魚類的骨骼，對魚類分類學(xué)有較大的幫助。

計算機(jī)斷層掃描是利用X 射線可以穿透生物體的特性對生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，X 射線CT 對生物體密度的分辨率高，不僅能夠清晰顯示密度差別大的軟組織和骨骼結(jié)構(gòu)，同時能清晰顯示差別小的軟組織結(jié)構(gòu)和器官，一般所顯示的組織結(jié)構(gòu)之間沒有重疊。由于CT 成像是一種數(shù)字化成像技術(shù)，所以CT 掃描的圖像數(shù)據(jù)可以運(yùn)用計算機(jī)軟件進(jìn)行多種后期處理，包括二維顯示、三維顯示等，可用于深入研究。

在魚體中，骨骼、肌肉以及帶有空氣囊的鰾的密度差別較大，當(dāng)X 射線穿透魚體時，不同密度的部位對X 射線的吸收程度不同，在魚體結(jié)構(gòu)中，骨骼部分的密度高，對X 射線吸收多，照片中呈白影；鰾部分含氣體、密度低，X 射線吸收少，呈黑影[29]。許多學(xué)者使用X 射線對金槍魚類的骨骼和鰾進(jìn)行了拍攝，以研究骨骼系統(tǒng)，確定鰾的位置、長度、寬度等[27]。本實(shí)驗通過X 射線計算機(jī)斷層(CT)掃描技術(shù)對黃鰭金槍魚魚體進(jìn)行掃描，通過醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 對CT 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重構(gòu)了黃鰭金槍魚的骨骼、鰾和肌肉等三維圖像并測定其相應(yīng)的體積和表面積，以期為魚類學(xué)、魚病學(xué)和魚類聲學(xué)回波強(qiáng)度等的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗對象

實(shí)驗用黃鰭金槍魚樣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。該樣本有關(guān)參數(shù)：叉長66.0 cm、體寬13.6 cm、體高16.5 cm、體重5.75 kg。

1.2 實(shí)驗方法

實(shí)驗前將冷庫中冷凍的樣本提前24 h 解凍。將魚體放入某醫(yī)院的CT 成像系統(tǒng)中進(jìn)行掃描。CT 成像系統(tǒng)的型號為：TOSHIBA Aquilion，掃描時焦點(diǎn)設(shè)置為小焦點(diǎn)，掃描參數(shù)為120 kV，100 mA，kV 為高壓電下X 射線球管產(chǎn)生的管電壓，mA 為管電流，二者的高低影響CT 成像的清晰度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗選擇層厚為1 mm 進(jìn)行掃描，得到大量魚體斷層掃描圖像。將X 射線CT 掃描圖像DICOM 文件導(dǎo)入Mimics 軟件(MIS_Research_21.0)中，選取骨骼、鰾和肌肉進(jìn)行三維重建。對于骨骼、鰾和肌肉部分，模型可識別出每部分的CT 值(單位HU)，設(shè)置骨骼的CT 值閾值為126～1 500 HU，鰾和肌肉的閾值分別為-1 015～-985 HU 和50～110 HU，軟件自動提取CT 值閾值范圍內(nèi)的部分，上述魚體各部分閾值范圍沒有重疊，可以準(zhǔn)確把魚體各部分分開，此時的魚體各個部分圖像最為清晰，在軟件中構(gòu)建出魚體每個器官或組織的圖像后，軟件會自動計算所建圖像的體積、表面積，在軟件右下角Object 欄中，選中需要查看的目標(biāo)圖像，點(diǎn)擊Properties 可以看到每個器官或組織圖像的體積、表面積以及每個器官或組織在軟件坐標(biāo)系下的具體位置等詳細(xì)信息。利用該軟件中的標(biāo)尺可量出鰾的最大長度和寬度。利用下列公式計算得出骨骼、鰾和肌肉的體積(表面積)占整個魚體體積(表面積)的百分比：

式中，Pi為i項的體積(表面積)占魚體總體積(表面積)的百分比，Qi為i項的體積(表面積)，Q為魚體總體積(表面積)。

2 結(jié)果

2.1 不同部位的三維重構(gòu)

通過對黃鰭金槍魚不同器官或組織的三維重構(gòu)，可以清晰地看出黃鰭金槍魚的整體影像(圖1-a)、魚體結(jié)構(gòu)(圖1-b)、骨骼結(jié)構(gòu)(圖1-c)、鰾(圖1-d)及其在腹腔中的相對位置(圖1-e)以及肌肉部分(圖1-f)。魚體呈紡錘形，尾柄較細(xì)，鰾的最大長度和寬度分別為11.20 和2.33 cm (圖1-a)；魚體的腹腔較小，肌肉較多(圖1-b)；骨骼細(xì)密、粗壯、每節(jié)軀椎和尾椎、腹肋、背肋和脈棘等明顯(圖1-c)；鰾呈辣椒狀、鰾壁較厚，其形態(tài)清晰(圖1-d)；鰾緊貼軀椎和腹肋，占腹腔體積的比例較高，在腹腔中的相對位置清晰(圖1-e)；肌肉豐滿，呈紡錘形(圖1-f)。

圖1 黃鰭金槍魚CT 掃描圖像(a)整體影像，(b)魚體結(jié)構(gòu)，(c)骨骼，(d)鰾的形態(tài)，(e)鰾在腹腔中的相對位置，(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 不同部位的體積和表面積

黃鰭金槍魚骨骼、鰾、肌肉的體積和表面積以及相應(yīng)的百分比見表1。骨骼、鰾、肌肉的體積分別占整體的7.76%、0.88%和91.36%，其對應(yīng)的表面積分別占29.52%、0.74%和69.74%。

表1 骨骼、鰾和肌肉的體積和表面積以及相應(yīng)的百分比Tab.1 Volume and surface area of the skeleton,swim bladder and muscle,and the corresponding percentage

3 討論

3.1 X 射線CT 魚體掃描成像方法的精度

X 射線CT 魚體掃描成像方法操作簡單，實(shí)驗步驟較少，還原度高。X 射線CT 的優(yōu)勢在于對骨骼等高密度組織成像較清晰準(zhǔn)確，可以精確地對骨骼和軟組織分別成像。目前對魚類骨骼系統(tǒng)的研究主要有煮沸剝離魚肉法[15]、X 射線骨骼成像法[23]和去肉浸泡漂白法等[16]。還有一些學(xué)者采用軟骨-硬骨雙染色技術(shù)，對施氏鱘(Acipenser schrenckii)仔稚幼魚[30]、鱖 (Siniperca chuatsi)仔稚魚[22]，以及尖吻鱸(Lates calcarifer)仔魚[21]的骨骼系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)觀察，總結(jié)出相應(yīng)骨骼的生長發(fā)育規(guī)律及骨化時間。楊蕊等[27]使用了方斑東風(fēng)螺(Babylonia areolata)舔食骨骼標(biāo)本制作法獲得了青干金槍魚(T.tonggol)骨骼，對青干金槍魚骨骼系統(tǒng)做了比較詳盡的分析。

本實(shí)驗使用X 射線CT 魚體掃描成像與三維建模軟件相結(jié)合的方法對黃鰭金槍魚魚體各器官或組織進(jìn)行三維重建得出其形態(tài)，對硬骨魚類的骨骼研究更加快捷方便。特別是對魚體骨骼和鰾部分三維重建還原度較高，圖像可以清晰反映出魚體骨骼和鰾的結(jié)構(gòu)，有利于魚類學(xué)、魚類聲波回波方面的研究。通過本實(shí)驗可以清楚呈現(xiàn)黃鰭金槍魚鰾的形態(tài)和其在腹腔中的相對位置，說明黃鰭金槍魚是有鰾魚類，這一結(jié)果與學(xué)者們[31-33]的研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為黃鰭金槍魚生長到2 kg 時鰾開始發(fā)育[31]，屬于有鰾魚類。Bertrand等[32]根據(jù)海上觀測估計，得出60 和90 cm 叉長的黃鰭金槍魚鰾的體積分別為80 和130 cm3，為魚體體積的1.0%～1.7%。根據(jù)Moreno 等[34]對叉長為45.2～70.8 cm (平均值為58 cm) 4 尾黃鰭金槍魚鰾的最大長度的測定，得出平均最大長度為11 cm，占叉長的20%左右。本實(shí)驗中黃鰭金槍魚的叉長為66.0 cm，鰾的體積為43.41 cm3，約為魚體體積的0.88%，最大長度為11.2 cm，占叉長的17%。本研究得出的結(jié)果更加精確。

3.2 X 射線CT 魚體掃描成像方法可用于量化分析

X 射線CT 魚體掃描成像方法可把魚體結(jié)構(gòu)數(shù)字化處理，可用于魚類器官、組織結(jié)構(gòu)的量化分析。對比其他研究方法，此方法可以快速得到魚體各部分的體積和表面積(如骨骼、鰾和肌肉)，甚至對于某一器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，有利于養(yǎng)殖的名貴魚類活體，如藍(lán)鰭金槍魚(T.thynnus)、馬蘇金槍魚(T.maccoyii)等魚病的診斷。今后還可以對活體魚類的生物學(xué)特性進(jìn)行深入研究，可以通過圖像找到耳石，測定同一尾魚在不同的生長條件下耳石的形態(tài)變化參數(shù)等。

3.3 X 射線CT 魚體掃描成像的不足

X 射線CT 成像，利用生物體中不同組織對X 射線的吸收能力不同進(jìn)而穿過生物體后X 射線的能量不同進(jìn)行成像。X 射線可以精確區(qū)分人體中的骨骼和肌肉，對于魚類而言，其各部分組織、器官的密度與人類的存在一定的差距，特別是魚類頭部的肌肉密度不同于魚體其他部分，本實(shí)驗所使用的X 射線CT 掃描機(jī)成像精度一般，對于魚體頭部的肌肉和骨骼分辨率偏低。今后如果要對魚類頭部的結(jié)構(gòu)和組織進(jìn)行精確研究，建議使用成像精度較高的X 射線CT 掃描機(jī)。

3.4 展望

本方法肌肉部分的形態(tài)和體積計算存在一定的誤差。骨骼密度高，吸收的X 射線量多，影像在照片上成白影，充滿空氣的鰾密度小，吸收的X 射線量少，影像呈現(xiàn)黑影。肌肉的密度較小，介于骨骼和鰾的密度之間，選取密度閾值需要有一定的經(jīng)驗。本實(shí)驗所用的黃鰭金槍魚經(jīng)過反復(fù)的冷凍、化凍，肌肉的密度發(fā)生一定的變化，也影響了魚體的完整性，對肌肉部分的三維重建造成一定的誤差。今后應(yīng)不斷積累各個組織、器官選取密度閾值的經(jīng)驗，使用鮮度較好的魚類進(jìn)行實(shí)驗，以提高測定精度。

感謝浙江大洋世家股份有限公司和中水集團(tuán)遠(yuǎn)洋股份有限公司的大力支持。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）