CT 技術(shù)（計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)）在古生物學(xué)中的應(yīng)用

裴文瑞

（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069）

CT 全稱Computed Tomography，即計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，是一種無(wú)損的三維立體成像技術(shù)，在20 世紀(jì)初興起[1]，80 年代至今，CT 技術(shù)先在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到認(rèn)可并快速發(fā)展，之后，在工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，CT 儀器逐步劃分為醫(yī)用領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。在地學(xué)領(lǐng)域，CT 技術(shù)可以測(cè)火山巖氣孔大小幫助研究人員了解火山噴發(fā)和巖漿脫氣的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[2]。在19 世紀(jì)末期，有科學(xué)家開(kāi)始將CT 技術(shù)應(yīng)用于古生物學(xué)研究[3]。

1 CT 技術(shù)基本原理

CT 技術(shù)是以物理學(xué)為理論基礎(chǔ)，在不破壞被檢測(cè)物體的情況下，產(chǎn)生物體橫截面圖像的射線檢測(cè)方法。工業(yè)CT 儀器的核心部件為射線源、掃描系統(tǒng)和探測(cè)器三部分，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)[1]。主要組成模塊見(jiàn)圖1[1]。其基本原理是：當(dāng)一束薄的扇形射線束（X 射線或γ 射線）穿過(guò)被檢測(cè)物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減，而衰減的射線強(qiáng)度與物體的線衰減系數(shù)μ 有關(guān)；探測(cè)器從不同角度采集穿過(guò)物體的射線信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)，用數(shù)學(xué)重建方法算出射線“切割”物體橫截面衰減系數(shù)的點(diǎn)陣，轉(zhuǎn)換成一幅幅橫截面圖像[4]，即得到最原始的斷層掃描數(shù)據(jù)，之后經(jīng)不同軟件如VGStudio 可以將這些橫截面圖像組合成為3D 立體圖像，體現(xiàn)出被檢測(cè)物體的形態(tài)。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中因所測(cè)樣品大小不同主要分為Micro-CT 技術(shù)和工業(yè)CT 技術(shù)這兩種CT 技術(shù)。

2 古生物學(xué)簡(jiǎn)介

古生物學(xué)是研究地質(zhì)歷史時(shí)期的生物界及其發(fā)展與相關(guān)地質(zhì)記錄的學(xué)科，其研究范圍包括各地史時(shí)期地層中保存的生物遺體及遺跡，以及一切與生命活動(dòng)有關(guān)的地質(zhì)記錄[5]。

表2 實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)對(duì)比

圖1 CT 技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)圖[1]

古生物學(xué)的研究對(duì)象是化石，主要分為動(dòng)物化石、植物化石和微生物化石。化石是指保存在巖層中地質(zhì)歷史時(shí)期生物的遺體、生命活動(dòng)的遺跡以及生物成因的殘留有機(jī)分子。同時(shí)，藻類、細(xì)菌等微生物代謝活動(dòng)引起沉積環(huán)境的改變，產(chǎn)生的像疊層石、核型石等生物成因沉積構(gòu)造，也是古生物學(xué)的研究對(duì)象。傳統(tǒng)的古生物學(xué)研究方法主要是鏡下觀察、用解剖針剖析化石內(nèi)部構(gòu)造等?；谋４骖愋投鄻?，當(dāng)化石本身與圍巖有一定密度差時(shí)，就可利用CT 技術(shù)還原化石的形態(tài)，以幫助科研人員更好地剖析化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3 CT 技術(shù)應(yīng)用于古生物學(xué)研究的實(shí)例

1984 年,國(guó)外學(xué)者Conroy 和Van- nier[6]首先將無(wú)創(chuàng)性CT技術(shù)應(yīng)用到化石研究方面。之后國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始應(yīng)用這一研究手段。

3.1 古脊椎動(dòng)物學(xué)CT 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

最初古脊椎動(dòng)物研究?jī)?nèi)容中牙齒相關(guān)研究比較多，鼻部相關(guān)較少，科研人員用CT 技術(shù)對(duì)一中國(guó)尖齒獸頭骨化石標(biāo)本保存完好的右半部分鼻部進(jìn)行掃描，進(jìn)而研究它是否具有篩板骨這一特征性骨質(zhì)構(gòu)造,并追溯篩板骨的 系統(tǒng)發(fā)生歷史,解釋哺乳類動(dòng)物頭骨 的進(jìn)化[7]。使用設(shè)備為東芝TCT80A CT 機(jī)，該設(shè)備掃描最小層厚相對(duì)太大,而實(shí)驗(yàn)樣本相對(duì)太小，所得圖像張數(shù)太少，因此無(wú)法復(fù)原為3D 立體圖像。研究人員僅能根據(jù)圖像分析，最終單就篩板骨這一特征來(lái)說(shuō),得出不支持哺乳類動(dòng)物雙系發(fā)育學(xué)說(shuō)這一結(jié)論[7]。該研究進(jìn)行較早（26 年前），對(duì)后人研究有啟發(fā)意義。同組研究人員后期再次利用CT 技術(shù)對(duì)魏氏準(zhǔn)噶爾翼龍頭骨的腦腔內(nèi)膜化石進(jìn)行掃描[8]，使用設(shè)備為CT Elscint CT Twin，該次研究效果較好，可重建出樣品的三維立體圖像。

同時(shí)，在早期人類相關(guān)研究中，研究人員也應(yīng)用了CT 技術(shù)。北古所（中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所, 北京）科學(xué)家利用工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(型號(hào): GY-1-450 XCT)掃描柳江人頭骨化石[9]，應(yīng)用Amira 軟件重建虛擬頭骨顱內(nèi)模（見(jiàn)圖2），得到柳江人顱容量為1567cc，與其他時(shí)代化石以及現(xiàn)代人腦對(duì)比，推出柳江顱容量位于晚期智人的變異范圍, 而遠(yuǎn)大于現(xiàn)代人的平均值等結(jié)論。

還有科學(xué)家用X 射線雙源CT（SAMOTOM Definition Flash CT）方法對(duì)恐龍蛋進(jìn)行掃描，可以較好地觀察到外部形態(tài)[10]。

對(duì)于古脊椎動(dòng)物研究，CT 技術(shù)是探究化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)創(chuàng)性的工具,它使得科學(xué)家能夠把研究深入到化石標(biāo)本的內(nèi)部，可以精確地確定古脊椎動(dòng)物化石的內(nèi)腔大小、形態(tài)和位置及內(nèi)部結(jié)構(gòu),還可以計(jì)算其面積、體積等,進(jìn)行三維立體重建,并在此基礎(chǔ)上切割,顯示任意平面的結(jié)構(gòu)[8-9]。

3.2 古無(wú)脊椎動(dòng)物學(xué)CT 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

古無(wú)脊椎動(dòng)物化石大部分小于古脊椎動(dòng)物化石，因此對(duì)于前者需要分辨率較高的CT 掃描儀器。

圖2 柳江人頭骨和腦的三維虛擬重建[9]

來(lái)自南古所（中國(guó)科學(xué)院南京古生物學(xué)研究所）的科研人員分別用兩種CT 技術(shù)設(shè)備對(duì)埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組磷酸鹽化動(dòng)物胚胎化石進(jìn)行了掃描[11]，即基于實(shí)驗(yàn)室X 光源的吸收襯度顯微斷層成像技術(shù)（工業(yè)CT）和基于同步輻射光源的相位襯度顯微斷層成像技術(shù)。來(lái)自甕安的胚胎化石多數(shù)情況下是完全磷酸鹽化的，內(nèi)部物質(zhì)成分比較均一，因此工業(yè)CT 設(shè)備的吸收襯度成像所獲得的圖像襯度非常低，即化石內(nèi)部成像的灰度值差異不明顯，僅能看到一些裂溝等物理?yè)p壞之處，無(wú)法進(jìn)一步得到化石內(nèi)部的生物結(jié)構(gòu)。另一種技術(shù)同步輻射X 射線相襯顯微斷層成像技術(shù)的空間分辨率可以達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)，借助專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖像三維重構(gòu)軟件，可以獲得解析度極高的化石圖像[11]，成像效果較前者有大幅提升。造成兩種實(shí)驗(yàn)差距的原因主要是工業(yè)CT 光源來(lái)自X 射線管，所發(fā)散的錐狀光束亮度較低（相對(duì)同步輻射光源而言），波段較寬，以波長(zhǎng)較長(zhǎng)，頻率較低的軟X光為主，不具備相干性，會(huì)出現(xiàn)低襯度和低信噪比等情況。該研究顯示對(duì)于微體化石三維無(wú)損成像，同步輻射X 射線相位襯度顯微斷層成像技術(shù)是更好的選擇。

對(duì)于尺寸更大一些的實(shí)體化石，云南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用化石本身與圍巖有成分差異這一現(xiàn)象，用顯微CT 技術(shù)對(duì)澄江生物群發(fā)現(xiàn)的節(jié)肢動(dòng)物周小姐蟲(chóng)的化石進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)[12]，用Drishti 軟件處理數(shù)據(jù)后可以看到埋藏在化石內(nèi)部的動(dòng)物腿肢細(xì)節(jié)（見(jiàn)圖3），較好地還原動(dòng)物的三維形態(tài)。

圖3 埋藏在巖石內(nèi)部的動(dòng)物腿肢細(xì)節(jié)[12]

大部分無(wú)脊椎動(dòng)物化石尺寸較小，適用于顯微CT 技術(shù)（micro-CT）和超高分辨率CT 技術(shù)。三維無(wú)損成像技術(shù)在無(wú)法將化石單獨(dú)剝離出時(shí)可以幫助科學(xué)家看到巖石內(nèi)部的化石形態(tài)，可以拓寬科學(xué)家的研究?jī)?nèi)容的深度和廣度。

3.3 古植物學(xué)CT 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

傳統(tǒng)古植物學(xué)由于植物三維化石的密度與動(dòng)物骨骼化石不同, 且體積小, 普通的CT 掃描技術(shù)不能分辨其細(xì)微結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致CT 掃描技術(shù)在古植物學(xué)研究中應(yīng)用較少。來(lái)自中科院的研究人員對(duì)采自云南尋甸先鋒盆地中新世的松屬球果進(jìn)行了CT 掃描,將得到的內(nèi)部解剖學(xué)性狀與現(xiàn)代松屬球果的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為化石與現(xiàn)代種Pinus kesiya 最接近, 將化石定為新種Pinus prekesiya[13]。由于該實(shí)驗(yàn)所采用的X 射線CT 掃描的分辨率不夠高,在細(xì)胞水平上難以區(qū)分, 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所限制。但此研究依然是中國(guó)古植物化石研究領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新成果。

由此可見(jiàn)，X 射線CT 掃描可在不破壞古植物標(biāo)本本身的前提下研究化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。分辨率的高低是決定該技術(shù)能否廣泛應(yīng)用于古植物學(xué)的重要因素。在高分辨率CT 設(shè)備的應(yīng)用之下，會(huì)有更多古植物學(xué)研究成果出現(xiàn)。

4 討論與總結(jié)

20 世紀(jì)70 年代初X 射線斷層成像技術(shù)（X-ray computed tomography，CT）的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手段和X 射線放射成像技術(shù)在化石三維結(jié)構(gòu)研究方面的短板[14]。按照空間分辨率和適合觀察的標(biāo)本尺度的不同，CT 技術(shù)可歸為四大類[15]（表格1）。

表1 CT 技術(shù)分類[15]

結(jié)合討論的應(yīng)用實(shí)例，CT 技術(shù)在古生物學(xué)上的應(yīng)用對(duì)所測(cè)樣品有一定要求。若是化石周?chē)袊鷰r，則需要化石本身與周?chē)鷩鷰r有一定密度差，這樣所得結(jié)果襯度才好。其次，樣品尺寸越小要求的CT 設(shè)備分辨率越高，雖然小尺寸樣品也可以用低分辨率設(shè)備測(cè)量但效果有限。古生物研究還面臨著樣品整體大小與內(nèi)裹化石大小不對(duì)等的情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)前期修整化石的工作有一定要求，在挑選實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)也要考慮更全面。

針對(duì)大型化石，工業(yè)CT 設(shè)備基本可滿足實(shí)驗(yàn)所需，對(duì)于5cm 及以下尺寸的化石MicroCT 設(shè)備可以更好的成像，對(duì)于更小的毫米甚至微米級(jí)別的化石樣品，MicroCT 堪堪可以測(cè)量，也可使用更精密的設(shè)備[11]。

古生物學(xué)是基于化石研究的一門(mén)學(xué)科，CT 技術(shù)的三維、無(wú)損、全面和較快速等特點(diǎn)使他在掃描測(cè)量化石內(nèi)部形態(tài)上有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)化石成像手段的不足，獲得了古生物學(xué)家的一致青睞。隨著CT 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多以前僅鏡下鑒定過(guò)的化石都可以應(yīng)用這一技術(shù)得到無(wú)損成像的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以幫助科學(xué)家更全面的鑒定和研究化石，并輔助完成后續(xù)的如對(duì)古環(huán)境的重建等更深一步的科研目標(biāo)。