高精度成像解析技術(shù)與化石無損檢測(cè)

侯葉茂 尹鵬飛

近十幾年來，中國古生物學(xué)的一系列優(yōu)秀成果接二連三地發(fā)表在世界一流學(xué)術(shù)期刊上。其中，2013年報(bào)道的使人類顏面部骨骼組合首次登上演化舞臺(tái)的全頜魚標(biāo)本，讓我們找到了介于盾皮魚綱和硬骨魚綱兩大類群之間的“缺失環(huán)節(jié)”；2017年報(bào)道的全世界首枚三維立體保存的翼龍蛋胚胎，首次證明翼龍孵化出殼后幼龍只會(huì)走、不會(huì)飛，這對(duì)了解和揭示翼龍生命史具有重要意義……這些研究成果的背后，都離不開高精度的計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography， CT）技術(shù)的助力，它們已成為古生物學(xué)研究不可或缺的重要裝備。

地球生命歷史的見證者——化石為研究生命的起源和演化，提供了最直接的證據(jù)。長期以來，古生物學(xué)家想要進(jìn)一步研究化石的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)，一般采用古組織切片或者連續(xù)磨片的方法對(duì)化石進(jìn)行機(jī)械處理。古組織切片是采用切割機(jī)或者切片機(jī)，將化石古組織結(jié)構(gòu)制成切片進(jìn)行觀察；連續(xù)磨片是一層層地（每層幾十微米）把化石磨掉，磨去一層拍照一次，再根據(jù)放大的投影觀察并畫出化石斷面的內(nèi)部骨骼結(jié)構(gòu)。這些方法對(duì)化石有一定的破壞性，且耗費(fèi)大量的時(shí)間。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)

X射線是一種高能電磁輻射，1895年由倫琴（W. C. R？entgen）首次發(fā)現(xiàn)。由于X射線的穿透性、可吸收性、感光效應(yīng)等因素，決定它在人體各組織結(jié)構(gòu)中有成像的差異，所以被廣泛用于醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，成為疾病診斷中不可或缺的工具。

CT技術(shù)是基于X射線重建的斷層成像，能三維立體地顯示人體組織器官的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。第一臺(tái)CT掃描儀由豪恩斯菲爾德（G. Hounsfield）于1969年發(fā)明，首次應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，彌補(bǔ)了X射線二維圖像（X光片）的不足。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，第五代CT設(shè)備已問世，檢查范圍從顱腦擴(kuò)展到全身。

伴隨著CT技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得的巨大成功，工業(yè)界也開始應(yīng)用醫(yī)用CT進(jìn)行材料缺陷的檢測(cè)。由于工業(yè)產(chǎn)品和人體檢查對(duì)于CT圖像的要求不同，工業(yè)用CT逐步發(fā)展成為一種獨(dú)立的掃描設(shè)備：有掃描精度高、掃描累計(jì)時(shí)間長等特點(diǎn)。通常，按照X射線光源焦斑尺寸和能量大小，工業(yè)用CT分為高能CT、顯微CT和納米CT三類。它們?cè)诠派飳W(xué)研究中均有使用，可應(yīng)用于從毫米級(jí)到米級(jí)的化石無損檢測(cè)，是化石三維成像中最重要的研究手段之一。

通常，高精度CT設(shè)備由X射線管、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、探測(cè)器和分析數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。在掃描樣品過程中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制樣品旋轉(zhuǎn)，X射線管激發(fā)X射線束，探測(cè)器從不同角度收集樣品的X射線投影圖，最后計(jì)算機(jī)對(duì)CT投影圖進(jìn)行數(shù)據(jù)前重建分析，計(jì)算并反推演出測(cè)試樣品的三維CT斷層圖像[1]。

X射線管是CT系統(tǒng)中產(chǎn)生X射線的主要裝置。在X射線真空管中，高壓加速的電子與金屬目標(biāo)（通常是鎢靶）進(jìn)行撞擊產(chǎn)生X射線。加載的電壓和電流是控制X射線的重要因素：電壓（通常是千伏級(jí)別）決定X射線的特征光譜，加壓可有效降低X射線波長，提升X射線對(duì)樣品的穿透性；電流（通常是微安級(jí)別）不改變X射線光譜，但決定X射線強(qiáng)度，改善CT數(shù)據(jù)的灰度對(duì)比度。

X射線探測(cè)器分為多種類型，有半導(dǎo)體探測(cè)器和閃爍體探測(cè)器等。半導(dǎo)體探測(cè)器被X射線照射后產(chǎn)生電流，由加膜晶體管收集并輸出電流。雖然半導(dǎo)體探測(cè)器有能量分辨率比較高、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)，但其尺寸受限，不能隨意增大，且有價(jià)格成本高的劣勢(shì)。目前，最常用的是閃爍體探測(cè)器，它有對(duì)低劑量X射線更敏感的優(yōu)勢(shì)。閃爍體探測(cè)器可將高能X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光波長范圍內(nèi)能量較低的光子，通過光電倍增管或者光電二極管檢測(cè)低能量光子，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。閃爍體與平板探測(cè)器（flat panel detector， FPD）共同構(gòu)成一個(gè)“間接”FPD。間接FPD的典型材料主要在非晶硅平板探測(cè)器上加入摻有鈉的碘化銫，間接FPD具有可做成任意尺寸、探測(cè)效率高和時(shí)間特性好（即最快能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)間分辨率）等特點(diǎn)。

根據(jù)X射線管發(fā)出的不同射線束形狀，工業(yè)用CT掃描方式分為扇束CT掃描和錐束CT掃描。前者主要是聯(lián)合線性X射線探測(cè)器使用，利用扇束X射線穿透旋轉(zhuǎn)物體，應(yīng)用投影圖數(shù)據(jù)前重建分析獲得所有斷層圖構(gòu)建掃描對(duì)象的三維圖像。后者主要搭配2D平板X射線探測(cè)器使用，利用錐束X射線穿透環(huán)繞固定中心軸旋轉(zhuǎn)的物體，通常采集超過1000張投影圖，應(yīng)用投影圖數(shù)據(jù)前重建獲得一系列斷層圖，再生成掃描對(duì)象的三維圖像。

化石無損檢測(cè)中的高精度CT技術(shù)

國內(nèi)古生物研究領(lǐng)域首套自主研制的專門應(yīng)用于化石無損檢測(cè)的高精度CT設(shè)備，采用微焦點(diǎn)X射線管、大面積平板探測(cè)結(jié)合超精密轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)而成，保證了采集的化石CT圖像具有較高的密度分辨率和空間分辨率。這套設(shè)備從2011年起陸續(xù)投入使用，并對(duì)國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)開放共享，為近百家科研單位提供了高質(zhì)量的技術(shù)支撐[2]。目前，高精度CT設(shè)備包括：225千伏顯微工業(yè)CT、450千伏通用型工業(yè)CT、160千伏板狀化石CT和微納能譜CT。

225千伏顯微工業(yè)CT

該CT主要用于檢測(cè)直徑10厘米以下的化石標(biāo)本，例如古魚類化石的感覺管和神經(jīng)系統(tǒng)、古鳥類化石的羽毛和古人類牙齒的釉質(zhì)—齒質(zhì)交界面等解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，都能用該設(shè)備檢測(cè)，結(jié)構(gòu)清晰可見。采集到的CT圖像的體積元素（簡稱體素，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在三維空間分割上的最小單位）最高可以達(dá)到5微米，相對(duì)密度分辨率可達(dá)0.1%，超精密轉(zhuǎn)臺(tái)承重最大工件可達(dá)10千克，X射線穿透的最大厚度等效于35毫米鐵板。

2013年報(bào)道的關(guān)于初始全頜魚上下頜標(biāo)本的研究中，科學(xué)家運(yùn)用225千伏顯微工業(yè)CT掃描了初始全頜魚標(biāo)本，成功復(fù)原了初始全頜魚包括上下頜每一塊骨片的三維立體結(jié)構(gòu)，推斷出它就是介于盾皮魚綱和硬骨魚綱兩大類群之間的“缺失環(huán)節(jié)”，把人類顏面部骨骼組合首次搬上演化的舞臺(tái)。初始全頜魚在古生物學(xué)上的重要意義類似于始祖鳥、游走鯨和南方古猿等耳熟能詳?shù)闹匾斑^渡物種”[3]。

450千伏通用型工業(yè)CT

該CT主要用于檢測(cè)高度1米以下的大型化石標(biāo)本，例如大型恐龍的頭骨和肢骨化石、大型哺乳動(dòng)物的頭骨化石、古人類頭骨和肢骨化石等。通過CT圖像可準(zhǔn)確復(fù)原出三維頭骨化石內(nèi)耳迷路及顱內(nèi)膜等解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。該CT可進(jìn)行錐束和扇束兩種掃描模式：錐束模式可一次性完成直徑35厘米以下目標(biāo)區(qū)域的掃描工作，CT圖像的體素可達(dá)160微米；扇束模式可一次性完成直徑31厘米以下目標(biāo)區(qū)域的掃描工作，CT圖像的體素可達(dá)2.5線對(duì)/毫米，相對(duì)密度分辨率為0.1%。兩種掃描模式均可通過大尺度化石高精度掃描拼接技術(shù)，將CT成像范圍擴(kuò)展到直徑80厘米、高度100厘米的圓柱體空間。超精密轉(zhuǎn)臺(tái)承重最大工件可達(dá)到200千克，X射線穿透的最大厚度等效于60毫米鐵板。

2011年報(bào)道的關(guān)于東亞地區(qū)中更新世晚期人類在受到暴力襲擊后長期存活的研究中，科學(xué)家用450千伏通用型工業(yè)CT掃描了距今13萬年的廣東馬壩人頭骨，在CT圖像中發(fā)現(xiàn)化石表面存在著局部受到鈍性外力沖擊造成的損傷，以及傷后愈合的跡象，推斷頭骨表面痕跡很可能是當(dāng)時(shí)古人類之間暴力行為所導(dǎo)致[4]。

160千伏板狀化石CT

該CT是國內(nèi)首臺(tái)高分辨板狀化石專用X射線顯微層析成像設(shè)備，也是目前無損檢測(cè)大型板狀標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的唯一利器。它可對(duì)較大尺寸的板狀化石標(biāo)本進(jìn)行高精度掃描，對(duì)其內(nèi)部精細(xì)器官及顯微組織進(jìn)行三維立體成像。例如熱河生物群中大量被壓扁的板狀化石，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息在埋藏過程中被相互疊壓，而通過板狀化石CT圖像可以清晰判別鱗片、羽毛、毛發(fā)等細(xì)微結(jié)構(gòu)。160千伏板狀化石CT采用旋轉(zhuǎn)式掃描方式，X射線管的最高電壓可以達(dá)到160千伏，最高電流1.0毫安，CT圖像空間分辨率可達(dá)10微米，圖像對(duì)比靈敏度1.35%，最大可檢測(cè)板狀化石尺寸為330毫米×330毫米，載物平臺(tái)最大承重工件可達(dá)3千克。

2017年報(bào)道的侏羅紀(jì)燕遼生物群滑翔型樹賊獸，揭示了哺乳動(dòng)物中耳結(jié)構(gòu)新型式。通過160千伏板狀化石CT對(duì)化石進(jìn)行高精度掃描，不僅發(fā)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物中耳中典型的鐙骨、砧骨、錘骨、外鼓骨，還發(fā)現(xiàn)在所有已知哺乳動(dòng)物中耳中都不存在上隅骨。上隅骨存在于賊獸這個(gè)類群，說明在哺乳動(dòng)物耳區(qū)的演化過程中，它曾和其他聽小骨一樣進(jìn)入到耳區(qū)，成為聽覺器官的一部分。板狀化石的CT圖像清晰呈現(xiàn)了一個(gè)典型的與所有已知哺乳動(dòng)物中耳有很大差別的全新中耳類型，這個(gè)類型的產(chǎn)生可能與賊獸類特殊的下頜關(guān)節(jié)的形成，以及牙齒的咀嚼運(yùn)動(dòng)模式有關(guān)[5]。

微納能譜CT

該高精度CT設(shè)備采用了最新的X射線能量分辨光子計(jì)數(shù)探測(cè)器技術(shù)，可彌補(bǔ)常規(guī)CT成像常伴有嚴(yán)重偽影、無法獲取化石成分信息等不足，并可以明顯改善CT圖像的對(duì)比度?；诠庾佑?jì)數(shù)探測(cè)器的能量分辨能力，可以計(jì)算出物質(zhì)的電子密度和等效原子序數(shù)等信息。根據(jù)物質(zhì)與X射線相互作用的規(guī)律，利用不同能量的X射線成像，可對(duì)化石標(biāo)本進(jìn)行物質(zhì)分解，獲得被掃描化石的成分信息，這對(duì)于研究化石的形成條件和形成過程具有重要意義。微納能譜CT配備160千伏高功率投射式X射線源和大面積雙能光子技術(shù)探測(cè)器，最高分辨力達(dá)到800納米。

同步輻射光源成像線站

伴隨著古生物學(xué)家對(duì)化石研究的進(jìn)一步深入，需要觀察更細(xì)微的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，例如骨組織和骨細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)、牙本質(zhì)生長線等。借助能量更高、更集中的同步輻射光源，實(shí)現(xiàn)化石超顯微精細(xì)結(jié)構(gòu)的三維成像成為必需。目前國家正在北京懷柔科學(xué)城建設(shè)一條專門應(yīng)用于脊椎動(dòng)物演化、人類起源與古人類遺存研究的同步輻射光源成像線站，進(jìn)而獲得更高靈敏度、更強(qiáng)穿透、低劑量、多尺度分辨、無損的三維化石成像。

目前，高精度CT設(shè)備已廣泛應(yīng)用于脊椎動(dòng)物、無脊椎動(dòng)物、植物和巖石等材料，成為化石標(biāo)本無損顯微三維研究的利器。

[1]郭志平， 董宇峰， 張朝宗. 工業(yè) CT 技術(shù). 無損檢測(cè)， 1996， 18（1）： 27-30.

[2]王燕芳， 魏存峰， 闕介民， 等. 古生物 CT 裝置的研制及應(yīng)用.古脊椎動(dòng)物學(xué)報(bào)， 2019， 57（1）： 84-92.

[3]Zhu M， Yu X， Ahlberg P E， et al. A Silurian placoderm with osteichthyan-like marginal jaw bones. Nature， 2013， 502（7470）： 188-193.

[4]Wu X J， Schepartz L A， Liu W， et al. Antemortem trauma and survival in the late Middle Pleistocene human cranium from Maba， South China. Proc Natl Acad Sci USA， 2011， 108（49）： 19558-19562.

[5]Han G， Mao F， Bi S， et al. A Jurassic gliding euharamiyidan mammal with an ear of five auditory bones. Nature， 2017， 551（7681）： 451-456.

關(guān)鍵詞：化石 225千伏顯微工業(yè)CT 450千伏通用型工業(yè)CT 160千伏板狀化石CT 微納能譜CT ■