化石专用CT的诞生、应用和发展

魏存峰, 王 哲, 王燕芳, 侯叶茂, 尹鹏飞, 魏 龙

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心， 北京 100049； 2.中国科学院大学，核科学与技术学院， 北京 100049； 3.济南中科核技术研究院， 济南 250131； 4.中国科学院 脊椎动物演化与人类起源重点实验室，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所， 北京 100044)

0 引言

古生物化石是解开生命起源与进化谜题的重要研究资料。化石专用CT出现之前，科学家挖掘到化石后，为了得到化石的内部结构，不得不采用耗时、毁坏性的磨片法，在绘图重建化石结构的同时却“亲手”毁掉了化石，而珍贵的化石标本不允许进行这样的“解剖”，所以很长一段时间相关研究只能停留在化石的外表面。自2010年起，我国具有自主知识产权的化石专用CT投入使用后，可以对化石进行全方位“体检”，得到上千层化石的图像数据，最高分辨5微米，约是头发丝的十分之一，实现了“无创解剖”化石标本、精确复原标本内部的三维形态[1-10]。化石专用CT已成为科学家分析化石内部结构的“利器”。至此，相关研究成果在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Scientific Reports》、《PNAS》等重要刊物上发表论文150余篇。

1 化石专用CT的诞生

“人类是什么进化来的？恐龙灭绝的原因是什么？”等等这些未知之谜一直影响着科学家们去探寻，可以为这些谜题提供最直接研究证据的就是古生物化石。我国脊椎动物化石资源十分丰富，从地球上第一条鱼到新旧时期古人类化石，门类齐全，种类繁多，保存完整精细，使全世界古生物学家十分羡慕和惊叹，赋之于“世界化石图书馆”之称。

以前，为了研究化石内部的结构，科学家们只能将好不容易挖掘到的化石一层层磨掉，每磨掉一层就画一张图，然后根据绘图重建化石内部的情况，必须非常小心，因为层要分得很薄，所以，在化石的研究过程中不得不“损坏”化石。我国著名古生物学家张弥曼院士在研究杨氏鱼时，为了制出蜡质模型，采用的是传统的连续磨片法：先以微米为单位，在化石上磨掉薄薄的一层，画一个切面图，再磨掉一小层，再画一个切面，直到磨完一整块化石为止。一张复杂的图动辄要画十几个小时，2.8厘米长的鱼颅骨化石，张弥曼院士总共画了540多幅[11]。可想而知，研究一块完整的化石需要花费多长时间，常常以年为单位。好不容易挖出有价值的化石对于古生物学家来说是如获至宝，这些化石可能是很难再得到的珍品甚至孤品，可是为了复原其内部结构，却要亲手“毁掉”这些化石，这才是让科学家真正心疼的事情。而早期脊椎动物脑颅化石十分珍贵，不能破坏，这也使得对古生代鱼类各个类群脑颅的详细比较解剖学研究在20世纪后期一直处于停滞不前的状态。

于是，科学家们考虑有没有这样一种仪器设备？可以对化石进行“体检”？透过化石坚硬的表面“看到”其内部精细的结构，而对化石本身没有任何损伤？这时大家自然会想到CT。现代人对CT并不陌生，到医院看病，经常会通过做CT来检查人体内的病灶。古生物化石是由于自然作用在地层中保存下来的古生物的遗体，完全可以利用CT的原理给化石做“体检”！这让科学家们看到了一线曙光，但是在国内利用医用CT扫描化石时发现毫米级的分辨率不能满足应用需求，对中小脊椎动物化石的微观精细器官根本无法辨识。其实自1996年，国外古生物学界就开始使用高分辨率CT断层技术进行研究工作，并且随着CT技术的成熟和进步，取得了越来越多的重大进展。当时中国科学院古脊椎动物与古人类研究所已与美国德州大学和澳大利亚国立大学等科研机构开展了这方面的合作研究，虽有一些成果，但每次化石检测都需要排队等待对方的机时，并支付高昂的费用，而且这样的合作也无法形成我国自主的知识产权，更何况重要的人类标本作为文物根本不允许拿到境外去扫描，所以一直以来，古生物学家都苦于没有先进的仪器用于这方面的研究。

为了研制具有自主知识产权的化石CT设备，为我国古生物学领域的应用研究提供重要的技术支撑，2008年在中国科学院重大科研装备研制项目支持下，由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所牵头，联合中国科学院高能物理研究所、中国科学院自动化研究所共同开展了此项跨研究所、跨学科、跨研究领域的合作，于是化石专用CT应运而生。

化石专用CT与医用CT相比，X射线的强度要大得多，对样品的穿透能力及位置的分辨能力也提高许多；与常规工业CT相比有以下两个特点：① 化石标本多样：化石种类多(古鱼类、恐龙、古鸟类、古哺乳动物、古人类，古植物等)，尺度范围大(8～800 mm)；② 成像精度要求高：既要求化石的内部微细结构的清晰再现，又要求能够在图像上区分密度差异很小的化石与岩石，以便去掉无用的岩石信息，准确复原化石的三维结构。这些都给科研人员提出了新的挑战。

经过科研人员的努力，于2009年底研制完成两套化石专用CT设备：① 225 kV三维显微化石CT(225-3D-μCT)可以完成小化石样品的高分辨率容积成像，最高分辨率可达5 μm；② 450 kV通用型化石CT(450-TY-ICT)可以实现大尺度化石样品的高信噪比断层成像，最大扫描尺寸可达800 mm，如图1所示。这两套化石专用CT设备[12]主要应用于对中小脊椎动物化石的精细器官及内部微组织进行断层扫描和三维立体重建，帮助科学家开展对牙齿本质釉质结构、早期鱼类脑化石中微小神经通道、古人类颅内膜及脑容量等方向的研究。

图1 我国首套古生物化石专用CT设备(a)225 kV三维显微化石CT;(b)450 kV通用型化石CT

2 化石专用CT的典型应用

2.1 我国首次用CT复原古人类大脑

人类的大脑是如何进化而来的？化石人类脑演化就是研究在人类进化过程中脑的变化过程。我国拥有丰富的古人类化石标本，非常珍贵，不可能进行实体解剖，也不允许拿到境外去扫描。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴秀杰课题组利用高分辨率化石CT对柳江人头骨进行了扫描及三维重建，区分出头骨化石的脑腔和骨壁密度的差异，在不破坏化石标本的情况下，把研究工作从化石标本的外表延伸到标本内部，获取虚拟的柳江人颅内模及脑的形态特征的数据，为研究人类大脑演化及柳江人在人类进化中的地位提供了新的信息。虚拟颅内模测量获得柳江人的颅容量为1567 mL，位于晚期智人的变异范围而远大于现代人的平均值。这是我国学者首次利用断层扫描技术清晰展示古人类脑的形态特征，如图2所示。相关成果[13]发表在《科学通报》期刊上。

图2 柳江人CT 扫描及三维虚拟重建头骨和颅内模

2.2 “古鱼展新脸”—令人瞠目结舌的化石发现

从演化的角度来看，人类属于硬骨鱼纲的一员，人类的颜面部骨骼，例如构成我们上颌的上颌骨和构成我们下巴的下颌骨(也称齿骨)，在早期硬骨鱼那里都可以找到原型。然而，硬骨鱼的这些骨骼，尤其是上、下颌骨又是如何起源的，古生物学家一直没有找到确切的证据[14]。2010年，在云南曲靖古老的志留纪地层中发现了一件保存完好的、兼有盾皮鱼身体特征以及硬骨鱼颌部特征的古鱼化石。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏研究团队利用高分辨率化石CT对古鱼化石进行了高分辨率扫描及三维重建与分割，经研究，他们将其命名为“初始全颌鱼”。该发现填补了演化“缺失的一环”，揭开了颌骨起源的奥秘。由于全颌鱼是人类颜面部骨骼在演化史舞台上的首次同时登场，因此科学家又通俗地将这一发现称为“古鱼新脸”，如图3所示。“这一重要化石的发现使我们现在全力进行对有颌类早期演化重新架构。”古脊椎动物协会副主席约翰·朗教授撰文称：“对古生物学家来说，找到这条鱼就像物理学家找到了希格斯玻色子(上帝粒子)，它极大地冲击了我们对早期脊椎动物演化的理解，这可说是自始祖鸟(第一块在恐龙和鸟类间架起桥梁的化石)以来，最激动人心的化石发现之一”[14]。研究成果[15]发表在《Nature》杂志上，并被Nature网站选为头条文章。

图3 全颌鱼的CT扫描及三维虚拟重建

2.3 最新应用:“鱼类的黎明——志留纪早期特异埋藏揭秘“从鱼到人”演化关键跃升”

2022年9月，《Nature》刊物发表了用户单位中国科学院古脊椎动物与古人类研究所朱敏院士和其合作团队的最新研究成果[16]：“重庆生物群，一个全新的、大量保存志留纪早期完整有颌鱼类化石的生物群，堪称“有颌鱼类的黎明”。这是继澄江生物群、热河生物群之后，又一个在我国发现的、为探索生命之树演化重要节点提供大量关键证据的特异埋藏化石库，将完整有颌类的化石记录大大前推了1100万年，将若干人类身体结构的起源追溯到4.36亿年前的化石鱼类中。”[17]

化石专用CT投入使用至今，已在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Scientific Reports》、《PNAS》等重要刊物上发表论文130余篇。

3 化石专用CT的发展

3.1 板状化石扫描专用显微CL

我国辽西出土的许多重要化石(鱼、鸟、哺乳动物等)呈薄板形态，获得其内部精细器官及微组织的三维形态对研究生命起源和演化有相当重要的作用，由于板状化石在长轴方向穿透厚度大，透视图像的对比度灵敏度降低，使用常规CT进行高分辨率成像十分困难甚至无法穿透，如图4所示。只有板状显微CL(Computed Laminograph)技术可以获取化石内部微观组织(血管、神经等)结构，为研究取得重大突破提供重要的技术手段。显微CL采用斜入射扫描方式进行高分辨成像，解决了常规CT无法检测的技术难题，已成为板状化石无损复原的唯一可靠方法。

图4 常规CT高分辨率扫描板状化石时存在碰撞和射线穿透性差的问题

中国科学院高能物理研究所团队于2012年研制完成板状化石扫描专用显微CL设备，如图5所示。该系统可以方便安全的将样品水平固定在载物台上，避免了常规CT放样时需要将化石倾斜或垂直放置可能存在的损坏化石的缺陷。显微CL扫描方式及结构图如图6所示。显微CL扫描样品时，在一定范围内不受样品本身长宽尺寸限制，可以尽可能地靠近射线源，获得比常规高精度CT更高的空间分辨率；同时解决了样品长轴方向计数过低甚至无法穿透的问题，图像衬度也得到明显的提升，可以得到板状化石内部精细器官及微组织高精度三维结构信息，为古生物学家提供了独特的研究手段[18-20]，有力支撑了多项重大发现和创新成果[21-28]。

图5 板状化石扫描专用显微CL

图6 显微CL扫描方式及结构图

板状化石显微CL设备目前累计检测化石750余件，支撑古生物学家在《Nature》、《Science》等期刊上发表论文20余篇。其中五项成果分别入选2018年、2019年、2020年和2021年中国古生物学十大进展。

此外，显微CL技术已扩展应用到电力、电子和半导体行业，针对电子器件封装检测需求，可以对4～12寸晶圆中的TSV(Through-silicon via)进行智能缺陷检测[29]；针对功率模块的在线检测需求，可以实现功率模块的在线检测[30-31]，为我国新能源汽车关键部件的制造提供了全新的质量控制手段。

3.2 化石专用能谱CT

近年来，能谱成像技术快速发展，常规CT也开始向双能CT以及能谱CT方向发展。目前多数使用的双能CT技术，一般通过改变X光机电压进行两次扫描实现，其能谱硬化和高低能谱之间的重叠，对图像质量和检测精度带来很大影响。随着X射线能量分辨光子计数探测器技术的问世，促使 X射线探测器技术的发展有了质的飞跃。基于X射线能量分辨光子计数探测器的能谱CT技术能够展现更为丰富的X射线衰减特性，可以提供更多有利于判别物质特性的信息，在对物质表征及其对比研究上具有明显优势[32-33]。化石专用能谱CT对于准确区分密度相近的化石组织结构与围岩具有重要帮助，此外，利用不同的X射线能量成像，可以同时获得被扫描化石的成分信息，对于研究化石的形成条件和形成过程具有重要参考价值。中国科学院高能物理研究所团队于2022年研制完成化石专用能谱CT，仪器如图7所示。

图7 化石专用能谱CT

此外，基于光子计数探测器的能谱CT技术还可以应用于生物医学领域，满足其在骨骼研究、肿瘤研究、心血管疾病研究、疾病机制研究和评价、生物材料的研究和开发以及新药开发等多方面的研究需求。中国科学院高能物理研究所团队研发的“小动物活体能谱显微CT”获得2020年度“中国体视学学会科技进步一等奖”。

4 结语

化石专用CT的成功研制填补了国内空白，保护了珍贵化石资源，节省了大量境外检测费用。通过该设备的自主研制，已建立了一个性能先进、功能多样、样品多尺度的成像平台，解决了国内科学家化石检测及研究的难题，并在平台上做出了一批高水平的重大科研成果。化石专用CT和随后发展起来的板状化石扫描专用显微CL、化石专用能谱CT形成了一套系列设备，已成为古生物研究不可或缺的高科技手。通过对化石标本进行无损化扫描和三维虚拟重建，为开展精细的形态学、比较解剖学、形态功能学、古生物学起源和进化等研究起到了不可替代的作用，将推动和巩固我国在古生物学科前沿领域的领先地位。

中国科学院高能物理研究所团队目前正致力于高亮度X射线源和光子计数X射线成像探测器的自主研制，攻克“卡脖子”的技术难题，支撑高端科学仪器研制，助力科学研究，推动仪器技术创新和科学研究的深度交叉、融合发展。