化石專用CT的誕生、應(yīng)用和發(fā)展

魏存峰, 王 哲, 王燕芳, 侯葉茂, 尹鵬飛, 魏 龍

(1.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心， 北京 100049； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100049； 3.濟(jì)南中科核技術(shù)研究院， 濟(jì)南 250131； 4.中國科學(xué)院 脊椎動(dòng)物演化與人類起源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)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(jìn)化謎題的重要研究資料?；瘜Ｓ肅T出現(xiàn)之前，科學(xué)家挖掘到化石后，為了得到化石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不得不采用耗時(shí)、毀壞性的磨片法，在繪圖重建化石結(jié)構(gòu)的同時(shí)卻“親手”毀掉了化石，而珍貴的化石標(biāo)本不允許進(jìn)行這樣的“解剖”，所以很長一段時(shí)間相關(guān)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(shí)產(chǎn)權(quán)的化石專用CT投入使用后，可以對化石進(jìn)行全方位“體檢”，得到上千層化石的圖像數(shù)據(jù)，最高分辨5微米，約是頭發(fā)絲的十分之一，實(shí)現(xiàn)了“無創(chuàng)解剖”化石標(biāo)本、精確復(fù)原標(biāo)本內(nèi)部的三維形態(tài)[1-10]?；瘜Ｓ肅T已成為科學(xué)家分析化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“利器”。至此，相關(guān)研究成果在《Science》、《Nature》、《Nature Communications》、《Scientific Reports》、《PNAS》等重要刊物上發(fā)表論文150余篇。

1 化石專用CT的誕生

“人類是什么進(jìn)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(xué)家們?nèi)ヌ綄ぃ梢詾檫@些謎題提供最直接研究證據(jù)的就是古生物化石。我國脊椎動(dòng)物化石資源十分豐富，從地球上第一條魚到新舊時(shí)期古人類化石，門類齊全，種類繁多，保存完整精細(xì)，使全世界古生物學(xué)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)，科學(xué)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(jù)繪圖重建化石內(nèi)部的情況，必須非常小心，因?yàn)閷右值煤鼙。?，在化石的研究過程中不得不“損壞”化石。我國著名古生物學(xué)家張彌曼院士在研究楊氏魚時(shí)，為了制出蠟質(zhì)模型，采用的是傳統(tǒng)的連續(xù)磨片法：先以微米為單位，在化石上磨掉薄薄的一層，畫一個(gè)切面圖，再磨掉一小層，再畫一個(gè)切面，直到磨完一整塊化石為止。一張復(fù)雜的圖動(dòng)輒要畫十幾個(gè)小時(shí)，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(fèi)多長時(shí)間，常常以年為單位。好不容易挖出有價(jià)值的化石對于古生物學(xué)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(fù)原其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，卻要親手“毀掉”這些化石，這才是讓科學(xué)家真正心疼的事情。而早期脊椎動(dòng)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(gè)類群腦顱的詳細(xì)比較解剖學(xué)研究在20世紀(jì)后期一直處于停滯不前的狀態(tài)。

于是，科學(xué)家們考慮有沒有這樣一種儀器設(shè)備？可以對化石進(jìn)行“體檢”？透過化石堅(jiān)硬的表面“看到”其內(nèi)部精細(xì)的結(jié)構(gòu)，而對化石本身沒有任何損傷？這時(shí)大家自然會(huì)想到CT?，F(xiàn)代人對CT并不陌生，到醫(yī)院看病，經(jīng)常會(huì)通過做CT來檢查人體內(nèi)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(xué)家們看到了一線曙光，但是在國內(nèi)利用醫(yī)用CT掃描化石時(shí)發(fā)現(xiàn)毫米級(jí)的分辨率不能滿足應(yīng)用需求，對中小脊椎動(dòng)物化石的微觀精細(xì)器官根本無法辨識(shí)。其實(shí)自1996年，國外古生物學(xué)界就開始使用高分辨率CT斷層技術(shù)進(jìn)行研究工作，并且隨著CT技術(shù)的成熟和進(jìn)步，取得了越來越多的重大進(jìn)展。當(dāng)時(shí)中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所已與美國德州大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)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(duì)等待對方的機(jī)時(shí)，并支付高昂的費(fèi)用，而且這樣的合作也無法形成我國自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，更何況重要的人類標(biāo)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(xué)家都苦于沒有先進(jìn)的儀器用于這方面的研究。

為了研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的化石CT設(shè)備，為我國古生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供重要的技術(shù)支撐，2008年在中國科學(xué)院重大科研裝備研制項(xiàng)目支持下，由中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院高能物理研究所、中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所共同開展了此項(xiàng)跨研究所、跨學(xué)科、跨研究領(lǐng)域的合作，于是化石專用CT應(yīng)運(yùn)而生。

化石專用CT與醫(yī)用CT相比，X射線的強(qiáng)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(guī)工業(yè)CT相比有以下兩個(gè)特點(diǎn)：① 化石標(biāo)本多樣：化石種類多(古魚類、恐龍、古鳥類、古哺乳動(dòng)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(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的清晰再現(xiàn)，又要求能夠在圖像上區(qū)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(zhǔn)確復(fù)原化石的三維結(jié)構(gòu)。這些都給科研人員提出了新的挑戰(zhàn)。

經(jīng)過科研人員的努力，于2009年底研制完成兩套化石專用CT設(shè)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(dá)5 μm；② 450 kV通用型化石CT(450-TY-ICT)可以實(shí)現(xiàn)大尺度化石樣品的高信噪比斷層成像，最大掃描尺寸可達(dá)800 mm，如圖1所示。這兩套化石專用CT設(shè)備[12]主要應(yīng)用于對中小脊椎動(dòng)物化石的精細(xì)器官及內(nèi)部微組織進(jìn)行斷層掃描和三維立體重建，幫助科學(xué)家開展對牙齒本質(zhì)釉質(zhì)結(jié)構(gòu)、早期魚類腦化石中微小神經(jīng)通道、古人類顱內(nèi)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(shè)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(yīng)用

2.1 我國首次用CT復(fù)原古人類大腦

人類的大腦是如何進(jìn)化而來的？化石人類腦演化就是研究在人類進(jìn)化過程中腦的變化過程。我國擁有豐富的古人類化石標(biāo)本，非常珍貴，不可能進(jìn)行實(shí)體解剖，也不允許拿到境外去掃描。中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)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(jìn)行了掃描及三維重建，區(qū)分出頭骨化石的腦腔和骨壁密度的差異，在不破壞化石標(biāo)本的情況下，把研究工作從化石標(biāo)本的外表延伸到標(biāo)本內(nèi)部，獲取虛擬的柳江人顱內(nèi)模及腦的形態(tài)特征的數(shù)據(jù)，為研究人類大腦演化及柳江人在人類進(jìn)化中的地位提供了新的信息。虛擬顱內(nèi)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(yuǎn)大于現(xiàn)代人的平均值。這是我國學(xué)者首次利用斷層掃描技術(shù)清晰展示古人類腦的形態(tài)特征，如圖2所示。相關(guān)成果[13]發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》期刊上。

圖2 柳江人CT 掃描及三維虛擬重建頭骨和顱內(nèi)模

2.2 “古魚展新臉”—令人瞠目結(jié)舌的化石發(fā)現(xiàn)

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(gòu)成我們上頜的上頜骨和構(gòu)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(xué)家一直沒有找到確切的證據(jù)[14]。2010年，在云南曲靖古老的志留紀(jì)地層中發(fā)現(xiàn)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(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所朱敏研究團(tuán)隊(duì)利用高分辨率化石CT對古魚化石進(jìn)行了高分辨率掃描及三維重建與分割，經(jīng)研究，他們將其命名為“初始全頜魚”。該發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了演化“缺失的一環(huán)”，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(tái)上的首次同時(shí)登場，因此科學(xué)家又通俗地將這一發(fā)現(xiàn)稱為“古魚新臉”，如圖3所示。“這一重要化石的發(fā)現(xiàn)使我們現(xiàn)在全力進(jìn)行對有頜類早期演化重新架構(gòu)。”古脊椎動(dòng)物協(xié)會(huì)副主席約翰·朗教授撰文稱：“對古生物學(xué)家來說，找到這條魚就像物理學(xué)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(dòng)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(dòng)人心的化石發(fā)現(xiàn)之一”[14]。研究成果[15]發(fā)表在《Nature》雜志上，并被Nature網(wǎng)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(yīng)用:“魚類的黎明——志留紀(jì)早期特異埋藏揭秘“從魚到人”演化關(guān)鍵躍升”

2022年9月，《Nature》刊物發(fā)表了用戶單位中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所朱敏院士和其合作團(tuán)隊(duì)的最新研究成果[16]：“重慶生物群，一個(gè)全新的、大量保存志留紀(jì)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(gè)在我國發(fā)現(xiàn)的、為探索生命之樹演化重要節(jié)點(diǎn)提供大量關(guān)鍵證據(jù)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(jié)構(gòu)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(fā)表論文130余篇。

3 化石專用CT的發(fā)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(dòng)物等)呈薄板形態(tài)，獲得其內(nèi)部精細(xì)器官及微組織的三維形態(tài)對研究生命起源和演化有相當(dāng)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(guī)CT進(jìn)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(shù)可以獲取化石內(nèi)部微觀組織(血管、神經(jīng)等)結(jié)構(gòu)，為研究取得重大突破提供重要的技術(shù)手段。顯微CL采用斜入射掃描方式進(jìn)行高分辨成像，解決了常規(guī)CT無法檢測的技術(shù)難題，已成為板狀化石無損復(fù)原的唯一可靠方法。

圖4 常規(guī)CT高分辨率掃描板狀化石時(shí)存在碰撞和射線穿透性差的問題

中國科學(xué)院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)于2012年研制完成板狀化石掃描專用顯微CL設(shè)備，如圖5所示。該系統(tǒng)可以方便安全的將樣品水平固定在載物臺(tái)上，避免了常規(guī)CT放樣時(shí)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(jié)構(gòu)圖如圖6所示。顯微CL掃描樣品時(shí)，在一定范圍內(nèi)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(guī)高精度CT更高的空間分辨率；同時(shí)解決了樣品長軸方向計(jì)數(shù)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(nèi)部精細(xì)器官及微組織高精度三維結(jié)構(gòu)信息，為古生物學(xué)家提供了獨(dú)特的研究手段[18-20]，有力支撐了多項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)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(jié)構(gòu)圖

板狀化石顯微CL設(shè)備目前累計(jì)檢測化石750余件，支撐古生物學(xué)家在《Nature》、《Science》等期刊上發(fā)表論文20余篇。其中五項(xiàng)成果分別入選2018年、2019年、2020年和2021年中國古生物學(xué)十大進(jìn)展。

此外，顯微CL技術(shù)已擴(kuò)展應(yīng)用到電力、電子和半導(dǎo)體行業(yè)，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(jìn)行智能缺陷檢測[29]；針對功率模塊的在線檢測需求，可以實(shí)現(xiàn)功率模塊的在線檢測[30-31]，為我國新能源汽車關(guān)鍵部件的制造提供了全新的質(zhì)量控制手段。

3.2 化石專用能譜CT

近年來，能譜成像技術(shù)快速發(fā)展，常規(guī)CT也開始向雙能CT以及能譜CT方向發(fā)展。目前多數(shù)使用的雙能CT技術(shù)，一般通過改變X光機(jī)電壓進(jìn)行兩次掃描實(shí)現(xiàn)，其能譜硬化和高低能譜之間的重疊，對圖像質(zhì)量和檢測精度帶來很大影響。隨著X射線能量分辨光子計(jì)數(shù)探測器技術(shù)的問世，促使 X射線探測器技術(shù)的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍?；赬射線能量分辨光子計(jì)數(shù)探測器的能譜CT技術(shù)能夠展現(xiàn)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(zhì)特性的信息，在對物質(zhì)表征及其對比研究上具有明顯優(yōu)勢[32-33]?；瘜Ｓ媚茏VCT對于準(zhǔn)確區(qū)分密度相近的化石組織結(jié)構(gòu)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(shí)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(jià)值。中國科學(xué)院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)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(jì)數(shù)探測器的能譜CT技術(shù)還可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，滿足其在骨骼研究、腫瘤研究、心血管疾病研究、疾病機(jī)制研究和評價(jià)、生物材料的研究和開發(fā)以及新藥開發(fā)等多方面的研究需求。中國科學(xué)院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“小動(dòng)物活體能譜顯微CT”獲得2020年度“中國體視學(xué)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

4 結(jié)語

化石專用CT的成功研制填補(bǔ)了國內(nèi)空白，保護(hù)了珍貴化石資源，節(jié)省了大量境外檢測費(fèi)用。通過該設(shè)備的自主研制，已建立了一個(gè)性能先進(jìn)、功能多樣、樣品多尺度的成像平臺(tái)，解決了國內(nèi)科學(xué)家化石檢測及研究的難題，并在平臺(tái)上做出了一批高水平的重大科研成果?；瘜Ｓ肅T和隨后發(fā)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(shè)備，已成為古生物研究不可或缺的高科技手。通過對化石標(biāo)本進(jìn)行無損化掃描和三維虛擬重建，為開展精細(xì)的形態(tài)學(xué)、比較解剖學(xué)、形態(tài)功能學(xué)、古生物學(xué)起源和進(jìn)化等研究起到了不可替代的作用，將推動(dòng)和鞏固我國在古生物學(xué)科前沿領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

中國科學(xué)院高能物理研究所團(tuán)隊(duì)目前正致力于高亮度X射線源和光子計(jì)數(shù)X射線成像探測器的自主研制，攻克“卡脖子”的技術(shù)難題，支撐高端科學(xué)儀器研制，助力科學(xué)研究，推動(dòng)儀器技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)研究的深度交叉、融合發(fā)展。