化石專用CT的誕生、應用和發展

魏存峰, 王 哲, 王燕芳, 侯葉茂, 尹鵬飛, 魏 龍

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京市射線成像技術與裝備工程技術研究中心， 北京 100049； 2.中國科學院大學，核科學與技術學院， 北京 100049； 3.濟南中科核技術研究院， 濟南 250131； 4.中國科學院 脊椎動物演化與人類起源重點實驗室，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所， 北京 100044)

0 引言

古生物化石是解開生命起源與進化謎題的重要研究資料?；瘜Ｓ肅T出現之前，科學家挖掘到化石后，為了得到化石的內部結構，不得不采用耗時、毀壞性的磨片法，在繪圖重建化石結構的同時卻“親手”毀掉了化石，而珍貴的化石標本不允許進行這樣的“解剖”，所以很長一段時間相關研究只能停留在化石的外表面。自2010年起，我國具有自主知識產權的化石專用CT投入使用后，可以對化石進行全方位“體檢”，得到上千層化石的圖像數據，最高分辨5微米，約是頭發絲的十分之一，實現了“無創解剖”化石標本、精確復原標本內部的三維形態[1-10]?；瘜Ｓ肅T已成為科學家分析化石內部結構的“利器”。至此，相關研究成果在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Scientific Reports》、《PNAS》等重要刊物上發表論文150余篇。

1 化石專用CT的誕生

“人類是什么進化來的？恐龍滅絕的原因是什么？”等等這些未知之謎一直影響著科學家們去探尋，可以為這些謎題提供最直接研究證據的就是古生物化石。我國脊椎動物化石資源十分豐富，從地球上第一條魚到新舊時期古人類化石，門類齊全，種類繁多，保存完整精細，使全世界古生物學家十分羨慕和驚嘆，賦之于“世界化石圖書館”之稱。

以前，為了研究化石內部的結構，科學家們只能將好不容易挖掘到的化石一層層磨掉，每磨掉一層就畫一張圖，然后根據繪圖重建化石內部的情況，必須非常小心，因為層要分得很薄，所以，在化石的研究過程中不得不“損壞”化石。我國著名古生物學家張彌曼院士在研究楊氏魚時，為了制出蠟質模型，采用的是傳統的連續磨片法：先以微米為單位，在化石上磨掉薄薄的一層，畫一個切面圖，再磨掉一小層，再畫一個切面，直到磨完一整塊化石為止。一張復雜的圖動輒要畫十幾個小時，2.8厘米長的魚顱骨化石，張彌曼院士總共畫了540多幅[11]?？上攵?，研究一塊完整的化石需要花費多長時間，常常以年為單位。好不容易挖出有價值的化石對于古生物學家來說是如獲至寶，這些化石可能是很難再得到的珍品甚至孤品，可是為了復原其內部結構，卻要親手“毀掉”這些化石，這才是讓科學家真正心疼的事情。而早期脊椎動物腦顱化石十分珍貴，不能破壞，這也使得對古生代魚類各個類群腦顱的詳細比較解剖學研究在20世紀后期一直處于停滯不前的狀態。

于是，科學家們考慮有沒有這樣一種儀器設備？可以對化石進行“體檢”？透過化石堅硬的表面“看到”其內部精細的結構，而對化石本身沒有任何損傷？這時大家自然會想到CT?，F代人對CT并不陌生，到醫院看病，經常會通過做CT來檢查人體內的病灶。古生物化石是由于自然作用在地層中保存下來的古生物的遺體，完全可以利用CT的原理給化石做“體檢”！這讓科學家們看到了一線曙光，但是在國內利用醫用CT掃描化石時發現毫米級的分辨率不能滿足應用需求，對中小脊椎動物化石的微觀精細器官根本無法辨識。其實自1996年，國外古生物學界就開始使用高分辨率CT斷層技術進行研究工作，并且隨著CT技術的成熟和進步，取得了越來越多的重大進展。當時中國科學院古脊椎動物與古人類研究所已與美國德州大學和澳大利亞國立大學等科研機構開展了這方面的合作研究，雖有一些成果，但每次化石檢測都需要排隊等待對方的機時，并支付高昂的費用，而且這樣的合作也無法形成我國自主的知識產權，更何況重要的人類標本作為文物根本不允許拿到境外去掃描，所以一直以來，古生物學家都苦于沒有先進的儀器用于這方面的研究。

為了研制具有自主知識產權的化石CT設備，為我國古生物學領域的應用研究提供重要的技術支撐，2008年在中國科學院重大科研裝備研制項目支持下，由中國科學院古脊椎動物與古人類研究所牽頭，聯合中國科學院高能物理研究所、中國科學院自動化研究所共同開展了此項跨研究所、跨學科、跨研究領域的合作，于是化石專用CT應運而生。

化石專用CT與醫用CT相比，X射線的強度要大得多，對樣品的穿透能力及位置的分辨能力也提高許多；與常規工業CT相比有以下兩個特點：① 化石標本多樣：化石種類多(古魚類、恐龍、古鳥類、古哺乳動物、古人類，古植物等)，尺度范圍大(8～800 mm)；② 成像精度要求高：既要求化石的內部微細結構的清晰再現，又要求能夠在圖像上區分密度差異很小的化石與巖石，以便去掉無用的巖石信息，準確復原化石的三維結構。這些都給科研人員提出了新的挑戰。

經過科研人員的努力，于2009年底研制完成兩套化石專用CT設備：① 225 kV三維顯微化石CT(225-3D-μCT)可以完成小化石樣品的高分辨率容積成像，最高分辨率可達5 μm；② 450 kV通用型化石CT(450-TY-ICT)可以實現大尺度化石樣品的高信噪比斷層成像，最大掃描尺寸可達800 mm，如圖1所示。這兩套化石專用CT設備[12]主要應用于對中小脊椎動物化石的精細器官及內部微組織進行斷層掃描和三維立體重建，幫助科學家開展對牙齒本質釉質結構、早期魚類腦化石中微小神經通道、古人類顱內膜及腦容量等方向的研究。

圖1 我國首套古生物化石專用CT設備(a)225 kV三維顯微化石CT;(b)450 kV通用型化石CT

2 化石專用CT的典型應用

2.1 我國首次用CT復原古人類大腦

人類的大腦是如何進化而來的？化石人類腦演化就是研究在人類進化過程中腦的變化過程。我國擁有豐富的古人類化石標本，非常珍貴，不可能進行實體解剖，也不允許拿到境外去掃描。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所吳秀杰課題組利用高分辨率化石CT對柳江人頭骨進行了掃描及三維重建，區分出頭骨化石的腦腔和骨壁密度的差異，在不破壞化石標本的情況下，把研究工作從化石標本的外表延伸到標本內部，獲取虛擬的柳江人顱內模及腦的形態特征的數據，為研究人類大腦演化及柳江人在人類進化中的地位提供了新的信息。虛擬顱內模測量獲得柳江人的顱容量為1567 mL，位于晚期智人的變異范圍而遠大于現代人的平均值。這是我國學者首次利用斷層掃描技術清晰展示古人類腦的形態特征，如圖2所示。相關成果[13]發表在《科學通報》期刊上。

圖2 柳江人CT 掃描及三維虛擬重建頭骨和顱內模

2.2 “古魚展新臉”—令人瞠目結舌的化石發現

從演化的角度來看，人類屬于硬骨魚綱的一員，人類的顏面部骨骼，例如構成我們上頜的上頜骨和構成我們下巴的下頜骨(也稱齒骨)，在早期硬骨魚那里都可以找到原型。然而，硬骨魚的這些骨骼，尤其是上、下頜骨又是如何起源的，古生物學家一直沒有找到確切的證據[14]。2010年，在云南曲靖古老的志留紀地層中發現了一件保存完好的、兼有盾皮魚身體特征以及硬骨魚頜部特征的古魚化石。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏研究團隊利用高分辨率化石CT對古魚化石進行了高分辨率掃描及三維重建與分割，經研究，他們將其命名為“初始全頜魚”。該發現填補了演化“缺失的一環”，揭開了頜骨起源的奧秘。由于全頜魚是人類顏面部骨骼在演化史舞臺上的首次同時登場，因此科學家又通俗地將這一發現稱為“古魚新臉”，如圖3所示?！斑@一重要化石的發現使我們現在全力進行對有頜類早期演化重新架構?！惫偶棺祫游飬f會副主席約翰·朗教授撰文稱：“對古生物學家來說，找到這條魚就像物理學家找到了希格斯玻色子(上帝粒子)，它極大地沖擊了我們對早期脊椎動物演化的理解，這可說是自始祖鳥(第一塊在恐龍和鳥類間架起橋梁的化石)以來，最激動人心的化石發現之一”[14]。研究成果[15]發表在《Nature》雜志上，并被Nature網站選為頭條文章。

圖3 全頜魚的CT掃描及三維虛擬重建

2.3 最新應用:“魚類的黎明——志留紀早期特異埋藏揭秘“從魚到人”演化關鍵躍升”

2022年9月，《Nature》刊物發表了用戶單位中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏院士和其合作團隊的最新研究成果[16]：“重慶生物群，一個全新的、大量保存志留紀早期完整有頜魚類化石的生物群，堪稱“有頜魚類的黎明”。這是繼澄江生物群、熱河生物群之后，又一個在我國發現的、為探索生命之樹演化重要節點提供大量關鍵證據的特異埋藏化石庫，將完整有頜類的化石記錄大大前推了1100萬年，將若干人類身體結構的起源追溯到4.36億年前的化石魚類中?！盵17]

化石專用CT投入使用至今，已在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Scientific Reports》、《PNAS》等重要刊物上發表論文130余篇。

3 化石專用CT的發展

3.1 板狀化石掃描專用顯微CL

我國遼西出土的許多重要化石(魚、鳥、哺乳動物等)呈薄板形態，獲得其內部精細器官及微組織的三維形態對研究生命起源和演化有相當重要的作用，由于板狀化石在長軸方向穿透厚度大，透視圖像的對比度靈敏度降低，使用常規CT進行高分辨率成像十分困難甚至無法穿透，如圖4所示。只有板狀顯微CL(Computed Laminograph)技術可以獲取化石內部微觀組織(血管、神經等)結構，為研究取得重大突破提供重要的技術手段。顯微CL采用斜入射掃描方式進行高分辨成像，解決了常規CT無法檢測的技術難題，已成為板狀化石無損復原的唯一可靠方法。

圖4 常規CT高分辨率掃描板狀化石時存在碰撞和射線穿透性差的問題

中國科學院高能物理研究所團隊于2012年研制完成板狀化石掃描專用顯微CL設備，如圖5所示。該系統可以方便安全的將樣品水平固定在載物臺上，避免了常規CT放樣時需要將化石傾斜或垂直放置可能存在的損壞化石的缺陷。顯微CL掃描方式及結構圖如圖6所示。顯微CL掃描樣品時，在一定范圍內不受樣品本身長寬尺寸限制，可以盡可能地靠近射線源，獲得比常規高精度CT更高的空間分辨率；同時解決了樣品長軸方向計數過低甚至無法穿透的問題，圖像襯度也得到明顯的提升，可以得到板狀化石內部精細器官及微組織高精度三維結構信息，為古生物學家提供了獨特的研究手段[18-20]，有力支撐了多項重大發現和創新成果[21-28]。

圖5 板狀化石掃描專用顯微CL

圖6 顯微CL掃描方式及結構圖

板狀化石顯微CL設備目前累計檢測化石750余件，支撐古生物學家在《Nature》、《Science》等期刊上發表論文20余篇。其中五項成果分別入選2018年、2019年、2020年和2021年中國古生物學十大進展。

此外，顯微CL技術已擴展應用到電力、電子和半導體行業，針對電子器件封裝檢測需求，可以對4～12寸晶圓中的TSV(Through-silicon via)進行智能缺陷檢測[29]；針對功率模塊的在線檢測需求，可以實現功率模塊的在線檢測[30-31]，為我國新能源汽車關鍵部件的制造提供了全新的質量控制手段。

3.2 化石專用能譜CT

近年來，能譜成像技術快速發展，常規CT也開始向雙能CT以及能譜CT方向發展。目前多數使用的雙能CT技術，一般通過改變X光機電壓進行兩次掃描實現，其能譜硬化和高低能譜之間的重疊，對圖像質量和檢測精度帶來很大影響。隨著X射線能量分辨光子計數探測器技術的問世，促使 X射線探測器技術的發展有了質的飛躍?；赬射線能量分辨光子計數探測器的能譜CT技術能夠展現更為豐富的X射線衰減特性，可以提供更多有利于判別物質特性的信息，在對物質表征及其對比研究上具有明顯優勢[32-33]?；瘜Ｓ媚茏VCT對于準確區分密度相近的化石組織結構與圍巖具有重要幫助，此外，利用不同的X射線能量成像，可以同時獲得被掃描化石的成分信息，對于研究化石的形成條件和形成過程具有重要參考價值。中國科學院高能物理研究所團隊于2022年研制完成化石專用能譜CT，儀器如圖7所示。

圖7 化石專用能譜CT

此外，基于光子計數探測器的能譜CT技術還可以應用于生物醫學領域，滿足其在骨骼研究、腫瘤研究、心血管疾病研究、疾病機制研究和評價、生物材料的研究和開發以及新藥開發等多方面的研究需求。中國科學院高能物理研究所團隊研發的“小動物活體能譜顯微CT”獲得2020年度“中國體視學學會科技進步一等獎”。

4 結語

化石專用CT的成功研制填補了國內空白，保護了珍貴化石資源，節省了大量境外檢測費用。通過該設備的自主研制，已建立了一個性能先進、功能多樣、樣品多尺度的成像平臺，解決了國內科學家化石檢測及研究的難題，并在平臺上做出了一批高水平的重大科研成果?；瘜Ｓ肅T和隨后發展起來的板狀化石掃描專用顯微CL、化石專用能譜CT形成了一套系列設備，已成為古生物研究不可或缺的高科技手。通過對化石標本進行無損化掃描和三維虛擬重建，為開展精細的形態學、比較解剖學、形態功能學、古生物學起源和進化等研究起到了不可替代的作用，將推動和鞏固我國在古生物學科前沿領域的領先地位。

中國科學院高能物理研究所團隊目前正致力于高亮度X射線源和光子計數X射線成像探測器的自主研制，攻克“卡脖子”的技術難題，支撐高端科學儀器研制，助力科學研究，推動儀器技術創新和科學研究的深度交叉、融合發展。