CT 技术（计算机断层扫描技术）在古生物学中的应用

裴文瑞

（西北大学地质学系，陕西 西安710069）

CT 全称Computed Tomography，即计算机断层扫描技术，是一种无损的三维立体成像技术，在20 世纪初兴起[1]，80 年代至今，CT 技术先在医学领域得到认可并快速发展，之后，在工业领域迅速发展，CT 仪器逐步划分为医用领域和工业领域。在地学领域，CT 技术可以测火山岩气孔大小帮助研究人员了解火山喷发和岩浆脱气的动力学过程[2]。在19 世纪末期，有科学家开始将CT 技术应用于古生物学研究[3]。

1 CT 技术基本原理

CT 技术是以物理学为理论基础，在不破坏被检测物体的情况下，产生物体横截面图像的射线检测方法。工业CT 仪器的核心部件为射线源、扫描系统和探测器三部分，并结合数据采集系统、数据重建系统和计算机处理系统及安全防护系统[1]。主要组成模块见图1[1]。其基本原理是：当一束薄的扇形射线束（X 射线或γ 射线）穿过被检测物体时，会产生衰减，而衰减的射线强度与物体的线衰减系数μ 有关；探测器从不同角度采集穿过物体的射线信号，输入计算机，用数学重建方法算出射线“切割”物体横截面衰减系数的点阵，转换成一幅幅横截面图像[4]，即得到最原始的断层扫描数据，之后经不同软件如VGStudio 可以将这些横截面图像组合成为3D 立体图像，体现出被检测物体的形态。

在现实应用中因所测样品大小不同主要分为Micro-CT 技术和工业CT 技术这两种CT 技术。

2 古生物学简介

古生物学是研究地质历史时期的生物界及其发展与相关地质记录的学科，其研究范围包括各地史时期地层中保存的生物遗体及遗迹，以及一切与生命活动有关的地质记录[5]。

表2 实验坐标对比

图1 CT 技术设备简图[1]

古生物学的研究对象是化石，主要分为动物化石、植物化石和微生物化石。化石是指保存在岩层中地质历史时期生物的遗体、生命活动的遗迹以及生物成因的残留有机分子。同时，藻类、细菌等微生物代谢活动引起沉积环境的改变，产生的像叠层石、核型石等生物成因沉积构造，也是古生物学的研究对象。传统的古生物学研究方法主要是镜下观察、用解剖针剖析化石内部构造等。化石的保存类型多样，当化石本身与围岩有一定密度差时，就可利用CT 技术还原化石的形态，以帮助科研人员更好地剖析化石的内部结构。

3 CT 技术应用于古生物学研究的实例

1984 年,国外学者Conroy 和Van- nier[6]首先将无创性CT技术应用到化石研究方面。之后国内学者也开始应用这一研究手段。

3.1 古脊椎动物学CT 技术应用实例

最初古脊椎动物研究内容中牙齿相关研究比较多，鼻部相关较少，科研人员用CT 技术对一中国尖齿兽头骨化石标本保存完好的右半部分鼻部进行扫描，进而研究它是否具有筛板骨这一特征性骨质构造,并追溯筛板骨的 系统发生历史,解释哺乳类动物头骨 的进化[7]。使用设备为东芝TCT80A CT 机，该设备扫描最小层厚相对太大,而实验样本相对太小，所得图像张数太少，因此无法复原为3D 立体图像。研究人员仅能根据图像分析，最终单就筛板骨这一特征来说,得出不支持哺乳类动物双系发育学说这一结论[7]。该研究进行较早（26 年前），对后人研究有启发意义。同组研究人员后期再次利用CT 技术对魏氏准噶尔翼龙头骨的脑腔内膜化石进行扫描[8]，使用设备为CT Elscint CT Twin，该次研究效果较好，可重建出样品的三维立体图像。

同时，在早期人类相关研究中，研究人员也应用了CT 技术。北古所（中国科学院古脊椎动物与古人类研究所, 北京）科学家利用工业计算机断层扫描仪(型号: GY-1-450 XCT)扫描柳江人头骨化石[9]，应用Amira 软件重建虚拟头骨颅内模（见图2），得到柳江人颅容量为1567cc，与其他时代化石以及现代人脑对比，推出柳江颅容量位于晚期智人的变异范围, 而远大于现代人的平均值等结论。

还有科学家用X 射线双源CT（SAMOTOM Definition Flash CT）方法对恐龙蛋进行扫描，可以较好地观察到外部形态[10]。

对于古脊椎动物研究，CT 技术是探究化石内部结构的无创性的工具,它使得科学家能够把研究深入到化石标本的内部，可以精确地确定古脊椎动物化石的内腔大小、形态和位置及内部结构,还可以计算其面积、体积等,进行三维立体重建,并在此基础上切割,显示任意平面的结构[8-9]。

3.2 古无脊椎动物学CT 技术应用实例

古无脊椎动物化石大部分小于古脊椎动物化石，因此对于前者需要分辨率较高的CT 扫描仪器。

图2 柳江人头骨和脑的三维虚拟重建[9]

来自南古所（中国科学院南京古生物学研究所）的科研人员分别用两种CT 技术设备对埃迪卡拉纪陡山沱组磷酸盐化动物胚胎化石进行了扫描[11]，即基于实验室X 光源的吸收衬度显微断层成像技术（工业CT）和基于同步辐射光源的相位衬度显微断层成像技术。来自瓮安的胚胎化石多数情况下是完全磷酸盐化的，内部物质成分比较均一，因此工业CT 设备的吸收衬度成像所获得的图像衬度非常低，即化石内部成像的灰度值差异不明显，仅能看到一些裂沟等物理损坏之处，无法进一步得到化石内部的生物结构。另一种技术同步辐射X 射线相衬显微断层成像技术的空间分辨率可以达到亚微米甚至纳米级，借助专业的计算机图像三维重构软件，可以获得解析度极高的化石图像[11]，成像效果较前者有大幅提升。造成两种实验差距的原因主要是工业CT 光源来自X 射线管，所发散的锥状光束亮度较低（相对同步辐射光源而言），波段较宽，以波长较长，频率较低的软X光为主，不具备相干性，会出现低衬度和低信噪比等情况。该研究显示对于微体化石三维无损成像，同步辐射X 射线相位衬度显微断层成像技术是更好的选择。

对于尺寸更大一些的实体化石，云南大学研究团队利用化石本身与围岩有成分差异这一现象，用显微CT 技术对澄江生物群发现的节肢动物周小姐虫的化石进行了相关实验[12]，用Drishti 软件处理数据后可以看到埋藏在化石内部的动物腿肢细节（见图3），较好地还原动物的三维形态。

图3 埋藏在岩石内部的动物腿肢细节[12]

大部分无脊椎动物化石尺寸较小，适用于显微CT 技术（micro-CT）和超高分辨率CT 技术。三维无损成像技术在无法将化石单独剥离出时可以帮助科学家看到岩石内部的化石形态，可以拓宽科学家的研究内容的深度和广度。

3.3 古植物学CT 技术应用实例

传统古植物学由于植物三维化石的密度与动物骨骼化石不同, 且体积小, 普通的CT 扫描技术不能分辨其细微结构, 导致CT 扫描技术在古植物学研究中应用较少。来自中科院的研究人员对采自云南寻甸先锋盆地中新世的松属球果进行了CT 扫描,将得到的内部解剖学性状与现代松属球果的内部结构进行对比认为化石与现代种Pinus kesiya 最接近, 将化石定为新种Pinus prekesiya[13]。由于该实验所采用的X 射线CT 扫描的分辨率不够高,在细胞水平上难以区分, 对实验结果有所限制。但此研究依然是中国古植物化石研究领域的一项创新成果。

由此可见，X 射线CT 扫描可在不破坏古植物标本本身的前提下研究化石的内部结构。分辨率的高低是决定该技术能否广泛应用于古植物学的重要因素。在高分辨率CT 设备的应用之下，会有更多古植物学研究成果出现。

4 讨论与总结

20 世纪70 年代初X 射线断层成像技术（X-ray computed tomography，CT）的出现，弥补了传统手段和X 射线放射成像技术在化石三维结构研究方面的短板[14]。按照空间分辨率和适合观察的标本尺度的不同，CT 技术可归为四大类[15]（表格1）。

表1 CT 技术分类[15]

结合讨论的应用实例，CT 技术在古生物学上的应用对所测样品有一定要求。若是化石周围有围岩，则需要化石本身与周围围岩有一定密度差，这样所得结果衬度才好。其次，样品尺寸越小要求的CT 设备分辨率越高，虽然小尺寸样品也可以用低分辨率设备测量但效果有限。古生物研究还面临着样品整体大小与内裹化石大小不对等的情况，对实验前期修整化石的工作有一定要求，在挑选实验设备时也要考虑更全面。

针对大型化石，工业CT 设备基本可满足实验所需，对于5cm 及以下尺寸的化石MicroCT 设备可以更好的成像，对于更小的毫米甚至微米级别的化石样品，MicroCT 堪堪可以测量，也可使用更精密的设备[11]。

古生物学是基于化石研究的一门学科，CT 技术的三维、无损、全面和较快速等特点使他在扫描测量化石内部形态上有独一无二的优势，可弥补传统化石成像手段的不足，获得了古生物学家的一致青睐。随着CT 技术的广泛应用，许多以前仅镜下鉴定过的化石都可以应用这一技术得到无损成像的内部结构，可以帮助科学家更全面的鉴定和研究化石，并辅助完成后续的如对古环境的重建等更深一步的科研目标。