可移動(dòng)式CT為博物館文物分析提供新思路

當(dāng)前，博物館文物普遍面臨著環(huán)境問(wèn)題與人為因素的威脅。為了更好地了解博物館文物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)，現(xiàn)通過(guò)對(duì)利利貝奧地區(qū)考古博物館內(nèi)的出土文物進(jìn)行可移動(dòng)式CT斷層掃描，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)博物館文物的無(wú)損檢測(cè)與圖像重建，為博物館文物的保護(hù)分析提供參考。

自1895年德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái)，X射線憑借其自身強(qiáng)大的特性，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、造船、建筑、航天、醫(yī)療、文博等領(lǐng)域。但X射線分析技術(shù)大多都是二維圖像，無(wú)法攜帶關(guān)于物體的三維性質(zhì)的有用信息。為此，英國(guó)工程師戈弗雷·亨斯費(fèi)爾德于1971年研發(fā)出了世界上第一臺(tái)CT，以此來(lái)重建人腦的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著X射線分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代CT設(shè)備的體積越來(lái)越小，分辨率也越來(lái)越高。因此，可移動(dòng)式CT系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用顯得愈發(fā)重要，它可以克服場(chǎng)地以及文物大小的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)文物的360°無(wú)死角現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析。

此次，博物館文物的可移動(dòng)式CT斷層掃描于2019年在馬爾薩拉的利利貝奧地區(qū)考古博物館進(jìn)行。在該活動(dòng)中，博物館提供了一些陶質(zhì)文物，用于研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)。而計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以有效提供被檢測(cè)文物的內(nèi)部信息，以揭示其內(nèi)部存在的缺陷、裂隙或其他物質(zhì)。此外，CT技術(shù)還可以幫助人們確定研究物體的厚度、大小和相關(guān)歷史信息，既可以提取文物表面被覆蓋的銘文、紋飾等信息，也可以反映出文物修復(fù)前后的情況，提供文物的內(nèi)部信息及病害的發(fā)展?fàn)顩r，還可以獲取文物的制造技術(shù)、原始功能、使用方法、保存狀態(tài)等信息。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)主要基于X射線與物質(zhì)的相互作用，它是于20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的，在20世紀(jì)70年代已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究，20世紀(jì)80年代在國(guó)外已用于博物館文物藏品的科技分析。CT技術(shù)之所以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，得益于它是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以研究各種材料和物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它是由從不同角度獲取研究對(duì)象的X射線照相數(shù)據(jù)組成的，并通過(guò)計(jì)算機(jī)使用一種特殊的數(shù)學(xué)算法處理數(shù)據(jù)；該算法能夠重建研究對(duì)象的二維橫截面圖（也被稱(chēng)為切片）。隨后，人們可以通過(guò)三維渲染軟件查看研究對(duì)象的所有切片，以此重現(xiàn)物體內(nèi)部的整個(gè)三維體積視圖，從而對(duì)其進(jìn)行虛擬切割，以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前，兩個(gè)最常用的渲染軟件是VG Studio Max和3D Slicer。因?yàn)閄射線強(qiáng)度衰減程度與物體密度、厚度成正比，所以CT數(shù)字掃描圖像的灰度值直接體現(xiàn)了X射線的衰減程度：物質(zhì)密度越大，X射線衰減程度越高，CT數(shù)字圖像灰度值越小，圖像越暗；物質(zhì)密度越小，X射線衰減程度越低，CT數(shù)字圖像灰度值越大，圖像越亮。根據(jù)此原理，可以透過(guò)CT數(shù)字圖像的灰度值來(lái)獲取研究對(duì)象的內(nèi)部信息。

可移動(dòng)式CT的基本組成

相關(guān)人員通過(guò)對(duì)樣品數(shù)據(jù)的詳細(xì)測(cè)量，最終選擇了適用于中型物體的層析成像設(shè)備。該CT系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成（見(jiàn)圖1）。

第一個(gè)部分是X射線源：最大電壓為130kV的低功率微焦點(diǎn)X射線管（KEVEX PXS10-65W），其焦點(diǎn)在最小功率下小到6μm。它配備有自動(dòng)再生空氣系統(tǒng)（內(nèi)部風(fēng)扇），內(nèi)部有一個(gè)鎢靶和一個(gè)0.25mm的鈹窗口。X射線管在掃描物體之前需要預(yù)熱。

第二個(gè)部分是像素尺寸為127μm的高動(dòng)態(tài)范圍（25cm×20cm）X射線平板數(shù)字探測(cè)器（VARIAN PS2520D）。探測(cè)方法為間接轉(zhuǎn)換，其閃爍體層為鉈與碘化銫的混合物（CsI：Tl），最大幀率為10fps，具有很高的空間分辨率，特別適用于中小型物體的掃描。

第三個(gè)部分是由德國(guó)Physik Instrumente（PI）公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，由2個(gè)垂直平移軸、1個(gè)水平平移軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)操縱臺(tái)組成。彼此垂直安裝的垂直平移軸與水平平移軸可以使平板探測(cè)器掃描比其自身尺寸更大的區(qū)域，最大面積約為50×50cm2。而X射線源安裝在垂直平移軸上可以讓X射線垂直掃描物體，以此來(lái)增加視野。旋轉(zhuǎn)操縱臺(tái)則放置在平板探測(cè)器和X射線源之間，旋轉(zhuǎn)軸對(duì)于獲取研究物體不同角度的X射線投影必不可少，并且能夠支撐和旋轉(zhuǎn)最大約40kg的重量。

為確保X射線不會(huì)對(duì)檢測(cè)人員和環(huán)境造成傷害，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采取了一些安全措施。首先借助控制軟件，將CT系統(tǒng)和控制設(shè)備安全地放置在不同的位置，以便安全地進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)（見(jiàn)圖2）。其次，架設(shè)鉛板形成鉛房，用于防止X射線的逸散。

檢測(cè)結(jié)果與分析

為了確保檢測(cè)質(zhì)量，在經(jīng)過(guò)預(yù)檢測(cè)之后，相關(guān)人員最終確定了陶質(zhì)文物的采集參數(shù)。下表所示的參數(shù)是所采集的兩件陶質(zhì)文物的CT圖像數(shù)據(jù)，下面將對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

野豬狀奶瓶

這件野豬狀嬰兒奶瓶的制作時(shí)間可以追溯到公元前4世紀(jì)上半葉。

如圖3所示，奶瓶的表面通體彩繪，局部脫落。敞口，口內(nèi)有七個(gè)穿孔（見(jiàn)圖4）。以壺嘴為鼻，兩側(cè)刻畫(huà)有眼睛，造型生動(dòng)可愛(ài)。瓶?jī)?nèi)有一物體，輕微晃動(dòng)可以發(fā)出聲響。

通過(guò)分析CT斷層掃描圖像發(fā)現(xiàn)，該奶瓶?jī)?nèi)部的圓形物體在器物燒結(jié)完成之前就已存在，不是后來(lái)放置到奶瓶中的。這一結(jié)論源自以下數(shù)據(jù)：通過(guò)軟件測(cè)量發(fā)現(xiàn)圓形球體直徑約為6.93mm，而奶瓶頂部的最大孔直徑約為4.77mm，右側(cè)瓶口的直徑約為3.96mm（見(jiàn)圖5）。

此外，奶瓶頂端瓶口的上半部分有被修復(fù)過(guò)的痕跡。通過(guò)肉眼觀察，可以看到被修復(fù)過(guò)的部分彩繪顏色比原來(lái)的部分顏色深。而通過(guò)CT圖像解析可以輕松地區(qū)分出被修復(fù)過(guò)的部分。如圖6所示，用于修復(fù)奶瓶的材料與奶瓶所使用的原始陶土材料完全不同，修復(fù)所用的材料里含有更多雜質(zhì)。而且被修復(fù)區(qū)域的某些部分與原始部分的連接不夠緊密，兩者之間還有裂縫。

通過(guò)CT影像，可以發(fā)現(xiàn)奶瓶的內(nèi)壁上還有一個(gè)圓形洞槽和一些裂紋，洞的直徑約為9.9mm，深度約為2.25mm（見(jiàn)圖7）。同時(shí)，透過(guò)二維橫截面影像可以清晰地看到陶土材料中存在一些較大的雜質(zhì)。

噴泉圖飾油燈

噴泉圖飾油燈的尺寸約為89.9mm×62.8mm×36.5mm。頂部不平，刻繪有噴泉圖案。噴泉圖飾油燈有大、中、小三孔，大孔為出火口，中孔為注油口，小孔為透氣孔。右側(cè)有一圓環(huán)狀把手。整體保存較為完好，表面僅可見(jiàn)一些輕微的劃痕（見(jiàn)圖8）。

在古羅馬時(shí)代，傳統(tǒng)的油燈制作工藝一般包含以下三個(gè)步驟（見(jiàn)圖9）。首先，使用模具制作油燈的頂部和底部，并用黏土將其黏合在一起形成主體。其次，使用工具將主體表面打磨光滑，并雕刻細(xì)節(jié)。最后，通過(guò)粗細(xì)合適的木棒將油燈的把手黏合到主體上。通過(guò)CT透視圖像可以發(fā)現(xiàn)，該油燈內(nèi)部有一道圓形的溝壑（見(jiàn)圖10），這應(yīng)該就是在將油燈主體頂部與底部相黏合時(shí)所產(chǎn)生的痕跡。此外，把手與主體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較小，雜質(zhì)更多，從圖片中可以清晰地看出它們之間的黏合痕跡（見(jiàn)圖11）。

通過(guò)對(duì)上述陶土文物的檢測(cè)與分析，可以看出CT技術(shù)具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：在不損壞、不接觸文物的情況下，CT技術(shù)能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)出陶土文物內(nèi)部的一切細(xì)微損傷、孔隙和雜質(zhì)。通過(guò)3D軟件，還可以進(jìn)一步了解其具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制作工藝。為了便于之后的保存、修復(fù)，CT技術(shù)還可以提供其內(nèi)部損傷大小的虛擬測(cè)量，以及不同部位的切片視頻。

結(jié)論

CT技術(shù)是文化遺產(chǎn)領(lǐng)域非常強(qiáng)大的一種調(diào)查研究工具，因?yàn)槠涫且环N非侵入性的調(diào)查研究工具，可以無(wú)損檢測(cè)各種類(lèi)型的文物，并以高分辨率對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用于文物分析的CT設(shè)備大多都是工業(yè)CT，而工業(yè)CT的缺陷是設(shè)備價(jià)格昂貴，體積較為龐大，無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行文物掃描，且掃描時(shí)間較長(zhǎng)。而由意大利博洛尼亞大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)研究小組研發(fā)的一種可移動(dòng)式CT系統(tǒng)則良好地解決了工業(yè)CT體積龐大、不易攜帶的問(wèn)題，且具有較高的分辨率。因此可以說(shuō)，研發(fā)并使用新型可移動(dòng)式CT進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析是CT檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

可移動(dòng)式CT系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以最大程度地減少文物的移動(dòng)，從而避免文物在從考古現(xiàn)場(chǎng)或博物館轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中受到二次傷害。通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，我們還可以以數(shù)字方式保存文物信息，如橫縱截面圖片和360°可視化視頻，這也為文物保護(hù)提供了新方向。

（作者單位：淮安市文物保護(hù)和考古研究所）