CT 技術（計算機斷層掃描技術）在古生物學中的應用

裴文瑞

（西北大學地質(zhì)學系，陜西 西安710069）

CT 全稱Computed Tomography，即計算機斷層掃描技術，是一種無損的三維立體成像技術，在20 世紀初興起[1]，80 年代至今，CT 技術先在醫(yī)學領域得到認可并快速發(fā)展，之后，在工業(yè)領域迅速發(fā)展，CT 儀器逐步劃分為醫(yī)用領域和工業(yè)領域。在地學領域，CT 技術可以測火山巖氣孔大小幫助研究人員了解火山噴發(fā)和巖漿脫氣的動力學過程[2]。在19 世紀末期，有科學家開始將CT 技術應用于古生物學研究[3]。

1 CT 技術基本原理

CT 技術是以物理學為理論基礎，在不破壞被檢測物體的情況下，產(chǎn)生物體橫截面圖像的射線檢測方法。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)和計算機處理系統(tǒng)及安全防護系統(tǒng)[1]。主要組成模塊見圖1[1]。其基本原理是：當一束薄的扇形射線束（X 射線或γ 射線）穿過被檢測物體時，會產(chǎn)生衰減，而衰減的射線強度與物體的線衰減系數(shù)μ 有關；探測器從不同角度采集穿過物體的射線信號，輸入計算機，用數(shù)學重建方法算出射線“切割”物體橫截面衰減系數(shù)的點陣，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)出被檢測物體的形態(tài)。

在現(xiàn)實應用中因所測樣品大小不同主要分為Micro-CT 技術和工業(yè)CT 技術這兩種CT 技術。

2 古生物學簡介

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

表2 實驗坐標對比

圖1 CT 技術設備簡圖[1]

古生物學的研究對象是化石，主要分為動物化石、植物化石和微生物化石?；侵副４嬖趲r層中地質(zhì)歷史時期生物的遺體、生命活動的遺跡以及生物成因的殘留有機分子。同時，藻類、細菌等微生物代謝活動引起沉積環(huán)境的改變，產(chǎn)生的像疊層石、核型石等生物成因沉積構造，也是古生物學的研究對象。傳統(tǒng)的古生物學研究方法主要是鏡下觀察、用解剖針剖析化石內(nèi)部構造等。化石的保存類型多樣，當化石本身與圍巖有一定密度差時，就可利用CT 技術還原化石的形態(tài)，以幫助科研人員更好地剖析化石的內(nèi)部結(jié)構。

3 CT 技術應用于古生物學研究的實例

1984 年,國外學者Conroy 和Van- nier[6]首先將無創(chuàng)性CT技術應用到化石研究方面。之后國內(nèi)學者也開始應用這一研究手段。

3.1 古脊椎動物學CT 技術應用實例

最初古脊椎動物研究內(nèi)容中牙齒相關研究比較多，鼻部相關較少，科研人員用CT 技術對一中國尖齒獸頭骨化石標本保存完好的右半部分鼻部進行掃描，進而研究它是否具有篩板骨這一特征性骨質(zhì)構造,并追溯篩板骨的 系統(tǒng)發(fā)生歷史,解釋哺乳類動物頭骨 的進化[7]。使用設備為東芝TCT80A CT 機，該設備掃描最小層厚相對太大,而實驗樣本相對太小，所得圖像張數(shù)太少，因此無法復原為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說,得出不支持哺乳類動物雙系發(fā)育學說這一結(jié)論[7]。該研究進行較早（26 年前），對后人研究有啟發(fā)意義。同組研究人員后期再次利用CT 技術對魏氏準噶爾翼龍頭骨的腦腔內(nèi)膜化石進行掃描[8]，使用設備為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，在早期人類相關研究中，研究人員也應用了CT 技術。北古所（中國科學院古脊椎動物與古人類研究所, 北京）科學家利用工業(yè)計算機斷層掃描儀(型號: GY-1-450 XCT)掃描柳江人頭骨化石[9]，應用Amira 軟件重建虛擬頭骨顱內(nèi)模（見圖2），得到柳江人顱容量為1567cc，與其他時代化石以及現(xiàn)代人腦對比，推出柳江顱容量位于晚期智人的變異范圍, 而遠大于現(xiàn)代人的平均值等結(jié)論。

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

對于古脊椎動物研究，CT 技術是探究化石內(nèi)部結(jié)構的無創(chuàng)性的工具,它使得科學家能夠把研究深入到化石標本的內(nèi)部，可以精確地確定古脊椎動物化石的內(nèi)腔大小、形態(tài)和位置及內(nèi)部結(jié)構,還可以計算其面積、體積等,進行三維立體重建,并在此基礎上切割,顯示任意平面的結(jié)構[8-9]。

3.2 古無脊椎動物學CT 技術應用實例

古無脊椎動物化石大部分小于古脊椎動物化石，因此對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]

來自南古所（中國科學院南京古生物學研究所）的科研人員分別用兩種CT 技術設備對埃迪卡拉紀陡山沱組磷酸鹽化動物胚胎化石進行了掃描[11]，即基于實驗室X 光源的吸收襯度顯微斷層成像技術（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。來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損壞之處，無法進一步得到化石內(nèi)部的生物結(jié)構。另一種技術同步輻射X 射線相襯顯微斷層成像技術的空間分辨率可以達到亞微米甚至納米級，借助專業(yè)的計算機圖像三維重構軟件，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。造成兩種實驗差距的原因主要是工業(yè)CT 光源來自X 射線管，所發(fā)散的錐狀光束亮度較低（相對同步輻射光源而言），波段較寬，以波長較長，頻率較低的軟X光為主，不具備相干性，會出現(xiàn)低襯度和低信噪比等情況。該研究顯示對于微體化石三維無損成像，同步輻射X 射線相位襯度顯微斷層成像技術是更好的選擇。

對于尺寸更大一些的實體化石，云南大學研究團隊利用化石本身與圍巖有成分差異這一現(xiàn)象，用顯微CT 技術對澄江生物群發(fā)現(xiàn)的節(jié)肢動物周小姐蟲的化石進行了相關實驗[12]，用Drishti 軟件處理數(shù)據(jù)后可以看到埋藏在化石內(nèi)部的動物腿肢細節(jié)（見圖3），較好地還原動物的三維形態(tài)。

圖3 埋藏在巖石內(nèi)部的動物腿肢細節(jié)[12]

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

3.3 古植物學CT 技術應用實例

傳統(tǒng)古植物學由于植物三維化石的密度與動物骨骼化石不同, 且體積小, 普通的CT 掃描技術不能分辨其細微結(jié)構, 導致CT 掃描技術在古植物學研究中應用較少。來自中科院的研究人員對采自云南尋甸先鋒盆地中新世的松屬球果進行了CT 掃描,將得到的內(nèi)部解剖學性狀與現(xiàn)代松屬球果的內(nèi)部結(jié)構進行對比認為化石與現(xiàn)代種Pinus kesiya 最接近, 將化石定為新種Pinus prekesiya[13]。由于該實驗所采用的X 射線CT 掃描的分辨率不夠高,在細胞水平上難以區(qū)分, 對實驗結(jié)果有所限制。但此研究依然是中國古植物化石研究領域的一項創(chuàng)新成果。

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

4 討論與總結(jié)

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

表1 CT 技術分類[15]

結(jié)合討論的應用實例，CT 技術在古生物學上的應用對所測樣品有一定要求。若是化石周圍有圍巖，則需要化石本身與周圍圍巖有一定密度差，這樣所得結(jié)果襯度才好。其次，樣品尺寸越小要求的CT 設備分辨率越高，雖然小尺寸樣品也可以用低分辨率設備測量但效果有限。古生物研究還面臨著樣品整體大小與內(nèi)裹化石大小不對等的情況，對實驗前期修整化石的工作有一定要求，在挑選實驗設備時也要考慮更全面。

針對大型化石，工業(yè)CT 設備基本可滿足實驗所需，對于5cm 及以下尺寸的化石MicroCT 設備可以更好的成像，對于更小的毫米甚至微米級別的化石樣品，MicroCT 堪堪可以測量，也可使用更精密的設備[11]。

古生物學是基于化石研究的一門學科，CT 技術的三維、無損、全面和較快速等特點使他在掃描測量化石內(nèi)部形態(tài)上有獨一無二的優(yōu)勢，可彌補傳統(tǒng)化石成像手段的不足，獲得了古生物學家的一致青睞。隨著CT 技術的廣泛應用，許多以前僅鏡下鑒定過的化石都可以應用這一技術得到無損成像的內(nèi)部結(jié)構，可以幫助科學家更全面的鑒定和研究化石，并輔助完成后續(xù)的如對古環(huán)境的重建等更深一步的科研目標。