CT 掃描和三維重建技術(shù)在中生代海生爬行動(dòng)物魚龍研究中的應(yīng)用

殷亞磊 黃建東

簡介

化石是指保存在巖石中的古生物的遺體或遺跡，是探索生命起源與演化的重要實(shí)證。過去，人們了解化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)唯一的研究方法是系列切片法。該方法通過系列切片、編號(hào)、畫切面圖，最后將連續(xù)的切面圖經(jīng)光學(xué)放大恢復(fù)成蠟質(zhì)模型來觀察化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)。英國地質(zhì)學(xué)家William Johnson Sollas在1903年首創(chuàng)系列切片法，并用該方法在1916年觀察了海生爬行動(dòng)物魚龍屬（Ichthyosaurus）的頭骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但花費(fèi)了一年多的時(shí)間才完成此項(xiàng)研究。系列切片法在古生物化石研究中確實(shí)發(fā)揮了極大的作用，如我國著名古生物學(xué)家張彌曼院士使用該方法對先驅(qū)楊氏魚頭骨的研究證明了該種不具有內(nèi)鼻孔，從而在國際上引發(fā)了關(guān)于肉鰭魚類早期系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系問題的熱烈討論。即使現(xiàn)在，該方法在某些化石類群（如腕足動(dòng)物）的研究中依然在使用。然而，該方法在化石中使用，不僅破壞標(biāo)本導(dǎo)致無法對切過片的標(biāo)本進(jìn)行進(jìn)一步的研究，而且非常耗時(shí)。此外，偶然地，我們可以找到自然保存內(nèi)部結(jié)構(gòu)的化石。然而，這種化石卻極其稀少。

由于損壞標(biāo)本，傳統(tǒng)上被用于觀察化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系列切片法不能被用于珍貴化石標(biāo)本的研究。并且，系列切片法特別耗時(shí)。CT掃描和三維重建技術(shù)由于其不損壞化石和高效性，是一種理想的觀察化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。

CT（Computed Tomography）掃描全稱為計(jì)算機(jī)斷層掃描，可用于化石中研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。近40年來，該技術(shù)在古脊椎動(dòng)物學(xué)中的應(yīng)用日趨廣泛，為解決脊椎動(dòng)物頜的起源、龜鱉類頭骨的起源與演化、蛇類的起源環(huán)境、鳥類腦和內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的演化、哺乳動(dòng)物舌器的起源等問題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。其基本原理是使用高能量的X射線穿透樣品對其整體的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。掃描數(shù)據(jù)由幾千張可疊加的二維投影圖組成。這些投影圖經(jīng)CT機(jī)自帶的軟件重構(gòu)后輸出為一個(gè)體積文件。此文件可在三維建模軟件中使用以恢復(fù)出數(shù)字化的化石模型。CT掃描不僅不損壞標(biāo)本、較為省時(shí)（幾個(gè)小時(shí)即可完成掃描），而且重建出的化石模型同時(shí)具有內(nèi)部和外部的形態(tài)學(xué)信息，因此是一種理想的研究化石標(biāo)本的方法。其在古脊椎動(dòng)物的形態(tài)學(xué)、功能形態(tài)學(xué)、個(gè)體發(fā)育學(xué)等領(lǐng)域的研究中具有很大應(yīng)用前景。

CT和三維重建

1 CT類型

CT按其檢測對象的不同可分為醫(yī)用CT和工業(yè)CT。醫(yī)用CT的檢測對象比較單一，主要是人體。工業(yè)CT的檢測對象則比較多元化，遍布工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如材料、航空和航天。由于醫(yī)用CT的掃描電壓在160kV以下，因此其掃描的空間分辨率較低，在亞毫米級，不適合用于化石的研究。工業(yè)CT的掃描電壓從幾十個(gè)kV到15MeV，其空間分辨率可高達(dá)幾微米，適用于化石的研究。CT按空間分辨率又可分為通用型CT和顯微CT。通用型CT的空間分辨率在幾百微米。根據(jù)X光源的不同，顯微CT又可分為工業(yè)用顯微CT和同步輻射顯微CT。前者的空間分辨率在100微米到幾微米之間，后者的空間分辨率在亞微米級。工業(yè)用顯微CT和同步輻射顯微CT可滿足大多數(shù)化石的無損觀察研究。

2 CT基本原理

X-ray CT掃描的基本物理原理是當(dāng)X光穿透物體時(shí)，X光的能量會(huì)發(fā)生衰減。根據(jù)所掃描物體密度的不同，X光能量的衰減也不同。經(jīng)過對整個(gè)物體的掃描，得出物體所有的密度切面分布圖，通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維的疊加，從而重構(gòu)出該物體的三維立體密度變化圖像。在將體積或圖像堆棧格式的文件導(dǎo)入三維重建軟件時(shí)，僅能夠觀察到借助密度差所顯示的三維形態(tài)信息，而內(nèi)部的結(jié)構(gòu)卻觀察不到。為了更好地解析從CT機(jī)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，三維重建對于研究人員也越來越重要。目前，常用的三維重建軟件包括VG Studio、Drishiti、Mimics、Avizo-Amira和Dragonfly等。其中僅有Drishiti是免費(fèi)開源的軟件并且具有直觀的用戶界面，對于學(xué)生用戶十分友好。

3 三維重建方法

在三維重建軟件的使用中，三維重建和分割的方法大致可以分類三類，分別為手動(dòng)分割、半自動(dòng)分割和自動(dòng)分割。手動(dòng)分割，一般為一幀一幀重建，最后合成一個(gè)立體的感興趣區(qū)。該方法頗為費(fèi)時(shí)，一般在圍巖與化石密度差較小的標(biāo)本或區(qū)域中使用。半自動(dòng)分割，分為插值法、分水嶺和帽子分割法。自動(dòng)分割一般為閾值分割法。后兩種方法一般在圍巖與化石密度差較大的標(biāo)本或區(qū)域中使用。在具體的化石重建中，要針對不同標(biāo)本采用不同的重建方法。并且，在同一個(gè)標(biāo)本的重建中，也可三種方法綜合使用，以最快地重建出自己想要的感興趣區(qū)。

柔腕短吻龍頭骨：A，右側(cè)照片；B，左側(cè)被圍巖遮蓋的CT掃描渲染圖（引自Huang et al., 2020）

CT 掃描在魚龍研究中的應(yīng)用

魚龍是魚龍形類（Ichthyosauriformes）海生爬行動(dòng)物的統(tǒng)稱。該類群起源于早三疊世，滅絕于晚白堊世早期，全球廣布。魚龍化石幾乎全部保存于灰?guī)r中。由于魚龍化石的骨骼成分主要為磷酸鈣，而其圍巖主要成分為碳酸鈣，兩者密度差小，因此CT掃描技術(shù)在該類群的研究中應(yīng)用較為困難也較少。迄今為止，在魚龍的研究中僅有幾篇論文使用了CT掃描技術(shù)。本文以柔腕短吻龍牙齒結(jié)構(gòu)、短腿巢湖龍腭部骨骼和一件產(chǎn)自英國下侏羅統(tǒng)魚龍頭骨的研究這三篇論文為例，來闡述CT掃描和三維重建技術(shù)對魚龍頭骨形態(tài)學(xué)和顱內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)研究所具有的優(yōu)勢。

短腿巢湖龍頭骨腭部CT重建腹視圖（引自Yin et al., 2021）

1 柔腕短吻龍牙齒結(jié)構(gòu)研究

柔腕短吻龍是已知最古老的魚龍之一。該物種保留了許多陸生爬行動(dòng)物的特征，比如短吻（吻部長與頭骨長之比為0.35），薦前椎數(shù)目為31枚。同時(shí)，其也是已知唯一的能夠水陸兩棲生活的魚龍，填補(bǔ)了魚龍從陸地向海洋演化過程中的一個(gè)過渡階段的空白。在系統(tǒng)發(fā)育學(xué)上，柔腕短吻龍的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步確認(rèn)了湖北鱷類和魚龍形類的姐妹群關(guān)系。由于早期的魚龍形類均發(fā)現(xiàn)自華南地區(qū)的下三疊統(tǒng)地層，因此魚龍可能起源于華南。綜上，柔腕短吻龍對于理解魚龍的起源地點(diǎn)、關(guān)鍵特征的早期演化、與其它類群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等十分重要。然而，其頭骨內(nèi)部的形態(tài)學(xué)信息（如牙齒）由于受到圍巖和頭骨外部骨骼的隱埋，無法直接觀察到?；谡?biāo)本暴露的頭骨，柔腕短吻龍的上下頜被認(rèn)為均不具有牙齒。CT掃描該物種正模標(biāo)本的頭骨后，發(fā)現(xiàn)其前頜骨和對應(yīng)的前部齒骨不具有牙齒，而上頜骨和對應(yīng)的后部齒骨具有微小鈍圓的牙齒結(jié)構(gòu)（具有壓磨的功能）。并且發(fā)現(xiàn)這些牙齒幾乎水平垂直于頜骨，因此基于暴露的頭骨很難發(fā)現(xiàn)這些牙齒。與此同時(shí)，該研究也發(fā)現(xiàn)柔腕短吻龍的齒列為三列，且牙齒不具有典型的魚鰭超目的折形牙質(zhì)。在總結(jié)整個(gè)魚龍的牙齒形態(tài)后，該研究發(fā)現(xiàn)魚龍?jiān)谠缙谘莼倪^程中臼型齒獨(dú)立出現(xiàn)了三到五次。由于臼型齒標(biāo)志著食殼性，該研究認(rèn)為不同魚龍類群食殼性的趨同演化加快了魚龍?jiān)诙B紀(jì)末大滅絕之后的分異速度。

2 短腿巢湖龍頭骨腭部解剖結(jié)構(gòu)研究

與頭骨其它結(jié)構(gòu)相比，魚龍腭部結(jié)構(gòu)受到的關(guān)注較少，因此其信息在很大程度上呈未知狀態(tài)。巢湖龍是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的三疊紀(jì)海生爬行動(dòng)物之一，也是了解最多的早三疊世魚龍。該屬內(nèi)已報(bào)道有四個(gè)種，分別為龜山巢湖龍、巢縣巢湖龍、張家灣巢湖龍和短腿巢湖龍。巢湖龍對于理解魚龍的起源和早期演化十分重要，比如腕骨區(qū)域具有與早期雙孔類一樣的延遲骨化現(xiàn)象，并具有中央腕骨這一祖征，還具有代表從陸生雙孔類動(dòng)物到三疊紀(jì)晚期高度適應(yīng)海洋生活的魚龍形類之間過渡的一種運(yùn)動(dòng)方式——鰻魚型式的游泳方式。盡管巢湖龍很重要，但其腭部解剖學(xué)信息近乎未知。借助CT掃描和三維重建技術(shù)，基于產(chǎn)自安徽巢湖下三疊統(tǒng)南陵湖組的副模標(biāo)本近三維立體保存的頭骨化石，一項(xiàng)研究首次重建和系統(tǒng)描述了短腿巢湖龍腭部的解剖學(xué)信息，具體包括顴骨和腭骨接觸、一列小齒出現(xiàn)在腭部的兩側(cè)、犁骨超過內(nèi)鼻孔的前后緣、翼骨位于內(nèi)鼻孔之后、上翼骨出現(xiàn)和外翼骨缺失等。這些發(fā)現(xiàn)極大地豐富了魚龍腭部的解剖學(xué)信息，為探討魚龍的早期演化提供了新的化石證據(jù)。

3 ‘Hauffiopteryx’ typicus顱內(nèi)結(jié)構(gòu)研究

盡管魚龍的發(fā)現(xiàn)歷史已超過200多年，但該類群頭骨及顱內(nèi)結(jié)構(gòu)信息在很大程度上依然呈未知狀態(tài)。2015年，使用CT掃描和三維重建技術(shù)，一項(xiàng)針對一件產(chǎn)自英國早侏羅世‘Hauffiopteryx’ typicus三維立體保存標(biāo)本（BRLSI M1399）的頭骨研究不僅揭示了魚龍新的骨骼形態(tài)學(xué)信息而且首次揭示了該類群的古神經(jīng)學(xué)信息。增大的視葉和小腦表明神經(jīng)解剖學(xué)的形態(tài)適應(yīng)使得魚龍成為一個(gè)高度靈活的視覺捕食者。嗅區(qū)的增大，表明嗅覺對于魚龍來說也很重要。這些結(jié)果進(jìn)一步深化了我們對于魚龍顱內(nèi)結(jié)構(gòu)信息的了解，為研究魚龍?jiān)谥猩y(tǒng)治海洋的解剖學(xué)適應(yīng)提供了一個(gè)新的視角。

BRLSI M1399頭骨：A，照片；B，CT重建右側(cè)視圖；C，CT重建左側(cè)視圖（引自Marek et al., 2015）

BRLSI M1399腦和內(nèi)耳CT重建圖：A，左側(cè)視圖；B，背視圖（引自Marek et al.,2015）

展望

CT掃描和三維重建技術(shù)，由于其無損性和節(jié)約時(shí)間，極大地促進(jìn)了海生爬行動(dòng)物魚龍的研究。其在魚龍研究中的成功使用，不僅揭示了傳統(tǒng)方法所揭示不了的信息，而且開拓了新的研究方向，如古神經(jīng)學(xué)的研究。目前，魚龍研究的最大問題是其在雙孔類中的系統(tǒng)發(fā)育位置以及其早期類群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系不清楚。造成以上問題的主要原因是早三疊世的魚龍化石材料稀少并且保存多破損，能夠提供的形態(tài)學(xué)信息較少。近十年來，在華南早三疊世巢湖動(dòng)物群中發(fā)現(xiàn)了大量保存在泥灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r中的巢湖龍化石，其中有多件標(biāo)本的頭骨呈立體保存并且長度在10cm左右，非常適合顯微CT掃描。借助CT掃描和三維重建技術(shù)，對巢湖龍頭骨及其顱內(nèi)結(jié)構(gòu)展開詳細(xì)研究，將極大地促進(jìn)早期魚龍形態(tài)學(xué)、古神經(jīng)學(xué)和關(guān)鍵特征的演化研究，為確定魚龍?jiān)陔p孔類中的系統(tǒng)發(fā)育位置及其早期類群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供更多常規(guī)方法所觀察不到的形態(tài)學(xué)信息。

致謝：本文得到安徽省自然科學(xué)基金（編號(hào)：2008085MD110）、安徽省自然資源科技項(xiàng)目（編號(hào)：2021-K-13）、安徽省公益性地質(zhì)工作項(xiàng)目（編號(hào)：2021-g-2-16）的支持。