侯叶茂 尹鹏飞
近十几年来，中国古生物学的一系列优秀成果接二连三地发表在世界一流学术期刊上。其中，2013年报道的使人类颜面部骨骼组合首次登上演化舞台的全颌鱼标本，让我们找到了介于盾皮鱼纲和硬骨鱼纲两大类群之间的“缺失环节”；
2017年报道的全世界首枚三维立体保存的翼龙蛋胚胎，首次证明翼龙孵化出壳后幼龙只会走、不会飞，这对了解和揭示翼龙生命史具有重要意义……这些研究成果的背后，都离不开高精度的计算机断层扫描（computed tomography， CT）技术的助力，它们已成为古生物学研究不可或缺的重要装备。
地球生命历史的见证者——化石为研究生命的起源和演化，提供了最直接的证据。长期以来，古生物学家想要进一步研究化石的内部精细结构，一般采用古组织切片或者连续磨片的方法对化石进行机械处理。古组织切片是采用切割机或者切片机，将化石古组织结构制成切片进行观察；
连续磨片是一层层地（每层几十微米）把化石磨掉，磨去一层拍照一次，再根据放大的投影观察并画出化石断面的内部骨骼结构。这些方法对化石有一定的破坏性，且耗费大量的时间。
计算机断层扫描技术
X射线是一种高能电磁辐射，1895年由伦琴（W. C. R？entgen）首次发现。由于X射线的穿透性、可吸收性、感光效应等因素，决定它在人体各组织结构中有成像的差异，所以被广泛用于医学影像领域，成为疾病诊断中不可或缺的工具。
CT技术是基于X射线重建的断层成像，能三维立体地显示人体组织器官的空间结构形态。第一台CT扫描仪由豪恩斯菲尔德（G. Hounsfield）于1969年发明，首次应用于医疗领域，弥补了X射线二维图像（X光片）的不足。经过几十年的发展，第五代CT设备已问世，检查范围从颅脑扩展到全身。
伴随着CT技术在医学领域取得的巨大成功，工业界也开始应用医用CT进行材料缺陷的检测。由于工业产品和人体检查对于CT图像的要求不同，工业用CT逐步发展成为一种独立的扫描设备：有扫描精度高、扫描累计时间长等特点。通常，按照X射线光源焦斑尺寸和能量大小，工业用CT分为高能CT、显微CT和纳米CT三类。它们在古生物学研究中均有使用，可应用于从毫米级到米级的化石无损检测，是化石三维成像中最重要的研究手段之一。
通常，高精度CT设备由X射线管、运动控制系统、探测器和分析数据的计算机系统组成。在扫描样品过程中，运动控制系统控制样品旋转，X射线管激发X射线束，探测器从不同角度收集样品的X射线投影图，最后计算机对CT投影图进行数据前重建分析，计算并反推演出测试样品的三维CT断层图像[1]。
X射线管是CT系统中产生X射线的主要装置。在X射线真空管中，高压加速的电子与金属目标（通常是钨靶）进行撞击产生X射线。加载的电压和电流是控制X射线的重要因素：电压（通常是千伏级别）决定X射线的特征光谱，加压可有效降低X射线波长，提升X射线对样品的穿透性；
电流（通常是微安级别）不改变X射线光谱，但决定X射线强度，改善CT数据的灰度对比度。
X射线探测器分为多种类型，有半导体探测器和闪烁体探测器等。半导体探测器被X射线照射后产生电流，由加膜晶体管收集并输出电流。虽然半导体探测器有能量分辨率比较高、响应速度较快等优点，但其尺寸受限，不能随意增大，且有价格成本高的劣势。目前，最常用的是闪烁体探测器，它有对低剂量X射线更敏感的优势。闪烁体探测器可将高能X射线光子转换为可见光波长范围内能量较低的光子，通过光电倍增管或者光电二极管检测低能量光子，并将其转换为数字信号输出。闪烁体与平板探测器（flat panel detector， FPD）共同构成一个“间接”FPD。间接FPD的典型材料主要在非晶硅平板探测器上加入掺有钠的碘化铯，间接FPD具有可做成任意尺寸、探测效率高和时间特性好（即最快能够实现纳秒级的时间分辨率）等特点。
根据X射线管发出的不同射线束形状，工业用CT扫描方式分为扇束CT扫描和锥束CT扫描。前者主要是联合线性X射线探测器使用，利用扇束X射线穿透旋转物体，应用投影图数据前重建分析获得所有断层图构建扫描对象的三维图像。后者主要搭配2D平板X射线探测器使用，利用锥束X射线穿透环绕固定中心轴旋转的物体，通常采集超过1000张投影图，应用投影图数据前重建获得一系列断层图，再生成扫描对象的三维图像。
化石无损检测中的高精度CT技术
国内古生物研究领域首套自主研制的专门应用于化石无损检测的高精度CT设备，采用微焦点X射线管、大面积平板探测结合超精密转台设计而成，保证了采集的化石CT图像具有较高的密度分辨率和空间分辨率。这套设备从2011年起陆续投入使用，并对国内外科研机构开放共享，为近百家科研单位提供了高质量的技术支撑[2]。目前，高精度CT设备包括：225千伏显微工业CT、450千伏通用型工業CT、160千伏板状化石CT和微纳能谱CT。
225千伏显微工业CT
该CT主要用于检测直径10厘米以下的化石标本，例如古鱼类化石的感觉管和神经系统、古鸟类化石的羽毛和古人类牙齿的釉质—齿质交界面等解剖学结构，都能用该设备检测，结构清晰可见。采集到的CT图像的体积元素（简称体素，数字数据在三维空间分割上的最小单位）最高可以达到5微米，相对密度分辨率可达0.1%，超精密转台承重最大工件可达10千克，X射线穿透的最大厚度等效于35毫米铁板。
2013年报道的关于初始全颌鱼上下颌标本的研究中，科学家运用225千伏显微工业CT扫描了初始全颌鱼标本，成功复原了初始全颌鱼包括上下颌每一块骨片的三维立体结构，推断出它就是介于盾皮鱼纲和硬骨鱼纲两大类群之间的“缺失环节”，把人类颜面部骨骼组合首次搬上演化的舞台。初始全颌鱼在古生物学上的重要意义类似于始祖鸟、游走鲸和南方古猿等耳熟能详的重要“过渡物种”[3]。
450千伏通用型工业CT
该CT主要用于检测高度1米以下的大型化石标本，例如大型恐龙的头骨和肢骨化石、大型哺乳动物的头骨化石、古人类头骨和肢骨化石等。通过CT图像可准确复原出三维头骨化石内耳迷路及颅内膜等解剖学结构。该CT可进行锥束和扇束两种扫描模式：锥束模式可一次性完成直径35厘米以下目标区域的扫描工作，CT图像的体素可达160微米；
扇束模式可一次性完成直径31厘米以下目标区域的扫描工作，CT图像的体素可达2.5线对/毫米，相对密度分辨率为0.1%。两种扫描模式均可通过大尺度化石高精度扫描拼接技术，将CT成像范围扩展到直径80厘米、高度100厘米的圆柱体空间。超精密转台承重最大工件可达到200千克，X射线穿透的最大厚度等效于60毫米铁板。
2011年报道的关于东亚地区中更新世晚期人类在受到暴力袭击后长期存活的研究中，科学家用450千伏通用型工业CT扫描了距今13万年的广东马坝人头骨，在CT图像中发现化石表面存在着局部受到钝性外力冲击造成的损伤，以及伤后愈合的迹象，推断头骨表面痕迹很可能是当时古人类之间暴力行为所导致[4]。
160千伏板状化石CT
该CT是国内首台高分辨板状化石专用X射线显微层析成像设备，也是目前无损检测大型板状标本内部结构的唯一利器。它可对较大尺寸的板状化石标本进行高精度扫描，对其内部精细器官及显微组织进行三维立体成像。例如热河生物群中大量被压扁的板状化石，其内部结构信息在埋藏过程中被相互叠压，而通过板状化石CT图像可以清晰判别鳞片、羽毛、毛发等细微结构。160千伏板状化石CT采用旋转式扫描方式，X射线管的最高电压可以达到160千伏，最高电流1.0毫安，CT图像空间分辨率可达10微米，图像对比灵敏度1.35%，最大可检测板状化石尺寸为330毫米×330毫米，载物平台最大承重工件可达3千克。
2017年报道的侏罗纪燕辽生物群滑翔型树贼兽，揭示了哺乳动物中耳结构新型式。通过160千伏板状化石CT对化石进行高精度扫描，不仅发现了哺乳动物中耳中典型的镫骨、砧骨、锤骨、外鼓骨，还发现在所有已知哺乳动物中耳中都不存在上隅骨。上隅骨存在于贼兽这个类群，说明在哺乳动物耳区的演化过程中，它曾和其他听小骨一样进入到耳区，成为听觉器官的一部分。板状化石的CT图像清晰呈现了一个典型的与所有已知哺乳动物中耳有很大差别的全新中耳类型，这个类型的产生可能与贼兽类特殊的下颌关节的形成，以及牙齿的咀嚼运动模式有关[5]。
微纳能谱CT
该高精度CT设备采用了最新的X射线能量分辨光子计数探测器技术，可弥补常规CT成像常伴有严重伪影、无法获取化石成分信息等不足，并可以明顯改善CT图像的对比度。基于光子计数探测器的能量分辨能力，可以计算出物质的电子密度和等效原子序数等信息。根据物质与X射线相互作用的规律，利用不同能量的X射线成像，可对化石标本进行物质分解，获得被扫描化石的成分信息，这对于研究化石的形成条件和形成过程具有重要意义。微纳能谱CT配备160千伏高功率投射式X射线源和大面积双能光子技术探测器，最高分辨力达到800纳米。
同步辐射光源成像线站
伴随着古生物学家对化石研究的进一步深入，需要观察更细微的解剖学结构，例如骨组织和骨细胞的显微结构、牙本质生长线等。借助能量更高、更集中的同步辐射光源，实现化石超显微精细结构的三维成像成为必需。目前国家正在北京怀柔科学城建设一条专门应用于脊椎动物演化、人类起源与古人类遗存研究的同步辐射光源成像线站，进而获得更高灵敏度、更强穿透、低剂量、多尺度分辨、无损的三维化石成像。
目前，高精度CT设备已广泛应用于脊椎动物、无脊椎动物、植物和岩石等材料，成为化石标本无损显微三维研究的利器。
[1]郭志平， 董宇峰， 张朝宗. 工业 CT 技术. 无损检测， 1996， 18（1）：
27-30.
[2]王燕芳， 魏存峰， 阙介民， 等. 古生物 CT 装置的研制及应用.古脊椎动物学报， 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.
关键词：化石 225千伏显微工业CT 450千伏通用型工业CT 160千伏板状化石CT 微纳能谱CT ■
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