X射线CT技术在青铜文物保护研究中的应用
时间：2023-05-30 08:55:35 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
韩 玉，李 磊，席晓琦，李会敏，孙钊颖，赵洪枫，闫 镔
(中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 信息系统工程学院，郑州 450001)
近年来，随着社会经济的进步，考古工作的深入开展，出土的珍贵文物日趋增多，其中青铜器文物占据重要的一部分。由于长时间在地下潮湿的环境中埋藏，导致出土的青铜器文物表面及内部往往存在大量的腐蚀矿化、裂隙及残缺等现象，出土后考古学者未能第一时间使用正确的方法对文物进行封存和保护，从而导致青铜器文物再次受到二次伤害，不利于之后对青铜器文物历史的研究。现阶段，多种现代分析测试方法被广泛应用到青铜器文物保护领域中，如用于文物表面形貌分析的扫描电子显微镜技术、用于文物表面及内部图像分析的红外成像技术、用于文物化学组成成分分析的X射线衍射技术和用于文物内部三维微观结构监测的X射线CT技术等。罗荣斌使用扫描电镜对战国时期的蟠虺纹青铜圆鼎的基体残片及锈蚀产物进行了形貌检测，结果显示锈蚀产物微观形貌各异，呈有序化结晶形态和无序化杂乱状态，表面疏松多孔[1]。Scott D A使用X射线衍射技术研究了希腊青铜时代的一件装饰品文物，通过对其进行组分分析，显示文物表面存在大量的氯磷钠铜矿锈层[2]。但是,传统的光学和电子显微成像技术仅能得到关于文物本身的二维图像，不能检测文物的三维微观结构，并且对材料有一定的破坏作用[3]。与传统的光学成像技术相比，X射线CT技术能够克服这些缺陷，一方面，它可以无损表征物体内部三维结构的形貌及物理特征信息，对于一些脆弱和不易分割的物体是极其友好的，样品无需进行干燥和真空脱水等复杂的预处理过程，避免样品遭受一定程度的损害；
另一方面，对于细小的青铜文物碎片可以进行高分辨率内部结构成像，之后结合先进的数据分析软件，对数据进行后续处理，对于极其珍贵的青铜文物样品是一项尤为合适的现代分析技术。
随着X射线CT技术的高速发展，其应用领域越来越广泛，宋泽明等使用CT技术进行了碳纤维复合芯导线中的损伤检测[4]；
常铭团队将其应用到岩土材料的三维微观结构的研究中[5]。自20世纪70年代，X射线CT技术首次应用到考古领域以来，考古工作者已经对数百件的历史出土文物进行了研究，以制定文物保护方法和程序[6-7]。1987年，Unger A团队使用X射线CT技术对木材进行了保护研究[8]；
1994年，Riesemeier H等使用CT技术测定艺术品中的不同材料、缺陷和隐藏的结构，以此来研究艺术品的保存方法[9]。20世纪90年代末，X射线CT技术首次应用到青铜文物研究中，在罗马尼亚布加勒斯特的电气工程研究所进行了新石器时代的青铜斧头和罗马的青铜雕像的观察[10]。2008年，Mödlinger M使用X射线CT技术对拥有3000年历史的青铜时代晚期的青铜剑进行了检测，以评估铸件的质量和工艺制作条件[11]。2015年，Bettuzzi M团队对公元1世纪的罗马丘比特青铜雕像进行了X射线CT扫描，描述了罗马铸造工人使用的建造技术，并提供了关于雕像保护状况的信息[12]。通过对青铜器文物进行不同方向上的X射线CT成像，可以更加直观地发现文物表面及内部的裂隙和腐蚀情况，分析文物损坏的原因、埋藏环境、制作工艺等，为科研工作者对文物的后续保护和修复研究提供了巨大的便利。
X射线计算机断层扫描技术(CT)利用X射线的强穿透能力，来获得被检测样品不同方向上的投影数据，之后利用计算机信息处理和图像重建算法对所采集的投影数据进行图像重建，最后以三维图像的形式显示出来[13]。针对CT三维图像数据可以进一步使用专业的可视化软件将其进行三维可视化渲染和分割，使其达到更加理想的成像效果，为数据的结果分析提供较大的支撑。X射线CT技术的成像本质是衰减系数成像，当X射线穿透物体时，强度和相位均随折射率变化而改变，不同原子序数和厚度的物体与X射线束发生相互作用后，到达探测器上的光子数量也不同，如式(1)所示。
n=1-δ+iβ
(1)
式中，n为X射线的折射率；
虚部β为吸收系数，控制着衰减或吸收；
i为虚部单位；
实部δ为折射率衰减系数，控制着X射线通过材料时的相移。利用前者可以获得衰减对比度，而利用后者获得相位对比度。线性衰减系数μ表示X射线通过材料时的衰减，电磁辐射的减少即为X射线衰减，如式(2)所示。其中λ为X射线的波长，β为吸收系数，π为圆周率[14]。
μ=4πβ/λ
(2)
X射线CT系统主要包括X射线源、探测器和样品台三个部分[15]。实验室常用的是锥形束CT扫描系统，基本构造如图1所示。通过使用锥形束X射线、X射线源和探测器保持静止，待检测物体围绕固定轴旋转360°来获得投影图像，之后对投影图像进行三维图像重建。从X射线源到探测器的距离以及X射线源到扫描样品的距离决定了X射线CT扫描的几何放大率和三维CT图像的体素大小。通常用于青铜文物微观结构分析的X射线CT系统需要更高的分辨率和信噪比。由于样品尺寸、样品密度及所需的分辨率高低等不同，扫描时间从几分钟到几小时不等。通过定期对青铜文物进行CT成像检测，可以比较出青铜文物内部结构和裂纹的持续变化，为研究文物的长期动态演变提供了可能。
图1 X射线计算机断层扫描系统：实验室典型的锥束CT扫描系统[16]
X射线CT技术由于其无损和高分辨特性被广泛应用到青铜器文物保护研究中，近年来，大量的研究学者使用X射线CT技术对大量的青铜器文物进行研究和分析，为青铜文物保护和修复机制提供了便利。
2009年5月，山东省枣庄市徐楼村发现了两座古墓葬，墓葬中发现了7件带红铜纹饰的青铜器，中国科学院的刘百舸等人对其中一件椭圆形的青铜器“舟”进行了X射线CT成像技术扫描，图2为器物“舟”的光学图像。通过对器物本身进行X射线成像，发现舟盖红铜蝙蝠纹位于靠近舟盖外侧的位置，青铜垫片位于舟盖靠近内壁处。红铜铸造工艺和垫片工艺的相互结合，证实了我国古代社会在青铜铸造工艺上的进步和发展，是古代工艺巧匠的心血，体现出我国古代灿烂的青铜文明[17]。
图2 青铜器物“舟”的光学图像(a)“舟盖”部分；
(b)“舟腹部”部分[17]
2019年，Manal A.Maher使用X射线CT技术来研究古埃及历史晚期所铸造的一体式空心铸青铜猎鹰棺材，通过与其他分析方法相结合，能够分析青铜棺材文物的年代和铸造工艺，更清楚地了解青铜文物时代人类生活方式，在考古文物的保护和存放方面起到了重要的作用。这座青铜猎鹰雕像高27 cm×宽10 cm×长22 cm，重量2931.2 g，被放置在一个底座上，底座由石膏和石灰石粉末混合制成，为了适应雕像的尾部，分为两层，猎鹰青铜器的侧面光学照片如图3(a)所示[18]。图3(b)为猎鹰雕像的X射线二维CT切片图像，图像中显示雕像为一体式铸造，并未使用任何焊接工艺。此外，右侧翅膀存在一条白色的微裂纹(红色区域)，这可能是由于铸造过程中收缩率的变化所导致，因为收缩率能够引起不同的制造缺陷，如微裂缝、气泡和制造器件的严重变形等[19]。
图3 青铜猎鹰棺材图像(a)猎鹰器物侧面图；
(b)二维投影图[18]
图4为猎鹰器物不同方向和位置的X射线CT二维切片图像和三维重建图像。图4(a)显示青铜猎鹰器物颈末端内表面存在的折叠残基，图4(b)显示猎鹰内表面的四个折叠残基(黄色区域)[18]。通过对其进行高分辨X射线CT技术检测，观察到了普通X射线照相术无法获取的丰富微观结构信息，之后结合其他现代分析技术进行青铜器物壁厚的测量，对青铜文物的铸造过程提供了一定的见解，从而帮助历史学家和考古工作人员进一步分析考古物品的真实性。
图4 青铜猎鹰器物的CT图像(a、b)猎鹰器物二维切片图；
(c)三维重建图像[18]
2020年，中国国家博物馆的刘薇团队使用X射线CT成像技术对其馆藏“妇好”青铜偶方彝文物进行了成像研究。青铜偶方彝于1976年出土于河南安阳殷墟妇好墓，是一件商代晚期的青铜器物。通过对“妇好”青铜偶方彝器身侧面、底面和顶部位置进行X射线CT检测，观察到文物四周存在多处裂缝，底面和侧面尤为严重，底面至少由8块碎片拼接组成，大多数裂缝呈白色显示，推测可能为焊接的痕迹，结果如图5(a、b)显示[20]。图5(c)显示器物各面均存在多个黑色的小洞，可能是青铜器物在铸造过程中产生的缩孔或缺陷，也可能是产生的锈蚀原因所致[20]。由于成像结果显示多条裂缝呈现直线状，不像自然力所引起的断裂，由此推测可能是早期修复器物时，文物发生了严重变形，无法利用合适的方法将其修复，因此将变形的青铜器锯解，然后再进行多块拼接，最后焊接形成一个整体[20]。通过对其进行成像，并且结合其他分析测试技术，明确了青铜文物本身所存在的腐蚀和裂隙情况，为之后文物的保存和修复提供了强有力的证据。
图5 青铜器物“妇好”的CT图像及光学照片(a)器身面；
(b)器物底部；
(c)底部铭文“妇好”[20]
本实验室针对西北大学提供的大量青铜硬币进行了X射线CT技术检测，图6为编号2的青铜硬币扫描图像结果。图6(a)为其光学照片，可以观察到硬币表面基体存在一定程度的腐蚀。通过对青铜硬币进行X射线计算机断层扫描成像，结果如图6(b)所示，可以观察到硬币内部结构中存在大量的孔洞、裂隙及腐蚀缺陷，之后对图6(a)中红色区域进行尖端扫描，图6(c)中可以明显地看到尖端存在大量的腐蚀孔洞。此外，也可以通过相应的软件测量其腐蚀深度，进一步了解青铜硬币的腐蚀机理。
图6 青铜硬币的光学照片及CT图像(a)光学照片；
(b)CT扫描图像；
(c)红色区域中的尖端扫描图像
图7(a)为编号1～8的青铜硬币CT扫描结果，从图中可以直观地看到其表面腐蚀情况各不相同，也可对青铜硬币的腐蚀程度进行相应的排序。为了在三维视角下更加清楚地分析青铜文物的腐蚀程度和内部孔洞结构，使用三维可视化软件对其进行孔隙度分析、腐蚀区域的尺寸测量和深度学习算法智能分割。图7(b)为不同硬币的内部孔隙度分布图，观察到硬币内部的孔洞分布各异。比较两种结果，可以看出孔洞分布结果与CT成像分析也有所差异。图7(c)为河南省文物考古研究院提供的青铜样品，通过软件可以对基体区域和锈层区域的腐蚀深度进行尺寸测量，得到腐蚀深度的具体尺寸，为考古工作者提供强有力的数据支撑。图7(d)为使用CT图像数据开展的青铜文物三维图像智能分割，分割后可以实现感兴趣区域的特征提取，也可进一步对感兴趣区域的体积占比进行相应的计算，为青铜文物的腐蚀结果分析提供了便利。以上这些结果进一步证实，X射线CT技术在青铜文物保护研究方面的重要价值。
图7 不同编号青铜硬币的CT扫描结果(a)不同青铜硬币的CT图像；
(b)孔隙度分布图；
(c)文物特征尺寸测量；
(d)三维智能分割结果
随着我国对考古研究行业的重视，国家在文物保护领域投入的人力、物力和财力会逐渐增加，应用专业化的X射线CT仪器对文物进行三维成像，能够在无损的情况下直观观察青铜器文物的腐蚀情况和内部结构，为文物保护工作提供重要的技术支撑。首先本文,描述了X射线CT技术的基本原理；
然后,详细论述了X射线CT技术在青铜文物保护研究中的应用实例，发现其能够对青铜文物的腐蚀程度进行相应的判断和排序，为研究文物的腐蚀机理提供了数据支撑；
之后,通过专业的三维可视化软件可以对CT结果进行智能分割和特征尺寸测量；
最后,对X射线CT技术在青铜文物保护研究中的发展进行了总结。通过X射线CT成像结果，可以对文物进行定期体检，了解其腐蚀情况的演变。青铜文物的存放环境同样影响着其腐蚀情况，通过对CT图像进行分析，能够为文物保存环境提供帮助，更加有利于青铜文物的保护。
