高精度成像解析技術與化石無損檢測

侯葉茂 尹鵬飛

近十幾年來，中國古生物學的一系列優秀成果接二連三地發表在世界一流學術期刊上。其中，2013年報道的使人類顏面部骨骼組合首次登上演化舞臺的全頜魚標本，讓我們找到了介于盾皮魚綱和硬骨魚綱兩大類群之間的“缺失環節”；2017年報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走、不會飛，這對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算機斷層掃描（computed tomography， CT）技術的助力，它們已成為古生物學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。長期以來，古生物學家想要進一步研究化石的內部精細結構，一般采用古組織切片或者連續磨片的方法對化石進行機械處理。古組織切片是采用切割機或者切片機，將化石古組織結構制成切片進行觀察；連續磨片是一層層地（每層幾十微米）把化石磨掉，磨去一層拍照一次，再根據放大的投影觀察并畫出化石斷面的內部骨骼結構。這些方法對化石有一定的破壞性，且耗費大量的時間。

計算機斷層掃描技術

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

CT技術是基于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構形態。第一臺CT掃描儀由豪恩斯菲爾德（G. Hounsfield）于1969年發明，首次應用于醫療領域，彌補了X射線二維圖像（X光片）的不足。經過幾十年的發展，第五代CT設備已問世，檢查范圍從顱腦擴展到全身。

伴隨著CT技術在醫學領域取得的巨大成功，工業界也開始應用醫用CT進行材料缺陷的檢測。由于工業產品和人體檢查對于CT圖像的要求不同，工業用CT逐步發展成為一種獨立的掃描設備：有掃描精度高、掃描累計時間長等特點。通常，按照X射線光源焦斑尺寸和能量大小，工業用CT分為高能CT、顯微CT和納米CT三類。它們在古生物學研究中均有使用，可應用于從毫米級到米級的化石無損檢測，是化石三維成像中最重要的研究手段之一。

通常，高精度CT設備由X射線管、運動控制系統、探測器和分析數據的計算機系統組成。在掃描樣品過程中，運動控制系統控制樣品旋轉，X射線管激發X射線束，探測器從不同角度收集樣品的X射線投影圖，最后計算機對CT投影圖進行數據前重建分析，計算并反推演出測試樣品的三維CT斷層圖像[1]。

X射線管是CT系統中產生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（通常是鎢靶）進行撞擊產生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射線對樣品的穿透性；電流（通常是微安級別）不改變X射線光譜，但決定X射線強度，改善CT數據的灰度對比度。

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

根據X射線管發出的不同射線束形狀，工業用CT掃描方式分為扇束CT掃描和錐束CT掃描。前者主要是聯合線性X射線探測器使用，利用扇束X射線穿透旋轉物體，應用投影圖數據前重建分析獲得所有斷層圖構建掃描對象的三維圖像。后者主要搭配2D平板X射線探測器使用，利用錐束X射線穿透環繞固定中心軸旋轉的物體，通常采集超過1000張投影圖，應用投影圖數據前重建獲得一系列斷層圖，再生成掃描對象的三維圖像。

化石無損檢測中的高精度CT技術

國內古生物研究領域首套自主研制的專門應用于化石無損檢測的高精度CT設備，采用微焦點X射線管、大面積平板探測結合超精密轉臺設計而成，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。這套設備從2011年起陸續投入使用，并對國內外科研機構開放共享，為近百家科研單位提供了高質量的技術支撐[2]。目前，高精度CT設備包括：225千伏顯微工業CT、450千伏通用型工業CT、160千伏板狀化石CT和微納能譜CT。

225千伏顯微工業CT

該CT主要用于檢測直徑10厘米以下的化石標本，例如古魚類化石的感覺管和神經系統、古鳥類化石的羽毛和古人類牙齒的釉質—齒質交界面等解剖學結構，都能用該設備檢測，結構清晰可見。采集到的CT圖像的體積元素（簡稱體素，數字數據在三維空間分割上的最小單位）最高可以達到5微米，相對密度分辨率可達0.1%，超精密轉臺承重最大工件可達10千克，X射線穿透的最大厚度等效于35毫米鐵板。

2013年報道的關于初始全頜魚上下頜標本的研究中，科學家運用225千伏顯微工業CT掃描了初始全頜魚標本，成功復原了初始全頜魚包括上下頜每一塊骨片的三維立體結構，推斷出它就是介于盾皮魚綱和硬骨魚綱兩大類群之間的“缺失環節”，把人類顏面部骨骼組合首次搬上演化的舞臺。初始全頜魚在古生物學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的重要“過渡物種”[3]。

450千伏通用型工業CT

該CT主要用于檢測高度1米以下的大型化石標本，例如大型恐龍的頭骨和肢骨化石、大型哺乳動物的頭骨化石、古人類頭骨和肢骨化石等。通過CT圖像可準確復原出三維頭骨化石內耳迷路及顱內膜等解剖學結構。該CT可進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厘米以下目標區域的掃描工作，CT圖像的體素可達160微米；扇束模式可一次性完成直徑31厘米以下目標區域的掃描工作，CT圖像的體素可達2.5線對/毫米，相對密度分辨率為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，將CT成像范圍擴展到直徑80厘米、高度100厘米的圓柱體空間。超精密轉臺承重最大工件可達到200千克，X射線穿透的最大厚度等效于60毫米鐵板。

2011年報道的關于東亞地區中更新世晚期人類在受到暴力襲擊后長期存活的研究中，科學家用450千伏通用型工業CT掃描了距今13萬年的廣東馬壩人頭骨，在CT圖像中發現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時古人類之間暴力行為所導致[4]。

160千伏板狀化石CT

該CT是國內首臺高分辨板狀化石專用X射線顯微層析成像設備，也是目前無損檢測大型板狀標本內部結構的唯一利器。它可對較大尺寸的板狀化石標本進行高精度掃描，對其內部精細器官及顯微組織進行三維立體成像。例如熱河生物群中大量被壓扁的板狀化石，其內部結構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、毛發等細微結構。160千伏板狀化石CT采用旋轉式掃描方式，X射線管的最高電壓可以達到160千伏，最高電流1.0毫安，CT圖像空間分辨率可達10微米，圖像對比靈敏度1.35%，最大可檢測板狀化石尺寸為330毫米×330毫米，載物平臺最大承重工件可達3千克。

2017年報道的侏羅紀燕遼生物群滑翔型樹賊獸，揭示了哺乳動物中耳結構新型式。通過160千伏板狀化石CT對化石進行高精度掃描，不僅發現了哺乳動物中耳中典型的鐙骨、砧骨、錘骨、外鼓骨，還發現在所有已知哺乳動物中耳中都不存在上隅骨。上隅骨存在于賊獸這個類群，說明在哺乳動物耳區的演化過程中，它曾和其他聽小骨一樣進入到耳區，成為聽覺器官的一部分。板狀化石的CT圖像清晰呈現了一個典型的與所有已知哺乳動物中耳有很大差別的全新中耳類型，這個類型的產生可能與賊獸類特殊的下頜關節的形成，以及牙齒的咀嚼運動模式有關[5]。

微納能譜CT

該高精度CT設備采用了最新的X射線能量分辨光子計數探測器技術，可彌補常規CT成像常伴有嚴重偽影、無法獲取化石成分信息等不足，并可以明顯改善CT圖像的對比度?；诠庾佑嫈堤綔y器的能量分辨能力，可以計算出物質的電子密度和等效原子序數等信息。根據物質與X射線相互作用的規律，利用不同能量的X射線成像，可對化石標本進行物質分解，獲得被掃描化石的成分信息，這對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探測器，最高分辨力達到800納米。

同步輻射光源成像線站

伴隨著古生物學家對化石研究的進一步深入，需要觀察更細微的解剖學結構，例如骨組織和骨細胞的顯微結構、牙本質生長線等。借助能量更高、更集中的同步輻射光源，實現化石超顯微精細結構的三維成像成為必需。目前國家正在北京懷柔科學城建設一條專門應用于脊椎動物演化、人類起源與古人類遺存研究的同步輻射光源成像線站，進而獲得更高靈敏度、更強穿透、低劑量、多尺度分辨、無損的三維化石成像。

目前，高精度CT設備已廣泛應用于脊椎動物、無脊椎動物、植物和巖石等材料，成為化石標本無損顯微三維研究的利器。

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

[2]王燕芳， 魏存峰， 闕介民， 等. 古生物 CT 裝置的研制及應用.古脊椎動物學報， 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.

關鍵詞：化石 225千伏顯微工業CT 450千伏通用型工業CT 160千伏板狀化石CT 微納能譜CT ■