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化石CT(光明日报)
2011-07-27|文章来源:光明日报 柯济 |【
 

原文链接:http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2011-07/26/nw.D110000gmrb_20110726_1-12.htm

 

 

  圆环内图片均为CT扫描所得影像。

  如果没有CT,研究化石必须损坏化石

  想解开生命起源与进化的谜题,化石是极为重要的研究资料。对科学家来说,挖掘到化石之后,重建生物外部形态固然是必须进行的工作,但更重要的是了解化石内部的结构,进而分析它们在“生命树”中的位置。中国古脊椎动物与古人类研究所研究员朱敏说:“比如我们发掘到远古鸟类头骨的化石,不仅仅是要重建这种鸟的外观,更要搞清楚头骨内部的结构,然后与其他相关发现进行比较,看看这种鸟类处在进化的什么阶段。”

  以前,为了研究化石内部的结构,科学家们不得不将好容易挖掘到的化石一层层磨掉,就好比把一个球分解成一个个平面圆。“每磨掉一层就画张图,然后根据绘图重建化石内部的情况。”朱敏说:“我们必须非常小心,因为层要分得很薄。”

  这也就是说,在化石的研究过程中不得不“损坏”化石。好不容易挖出有价值的化石,却要亲手“毁掉”;而且这些化石很可能是难再得到的珍品甚或孤品——这对任何一个从事古生物研究的人来说都是一种左右为难的折磨。

  一次CT,清晰了解化石内部的三维结构

  如今,这个问题得到了彻底解决。225kV—3D—微分辨率ICT、450kV—通用型ICT——两台由中国科学院研发的具有自主知识产权、达到世界先进水平的CT机落户中科院古脊椎所。两台机器一大一小,小的是微分辨率机器,能检测0.5—1厘米的鱼化石的脑部;大的是通用型,能放得下一个恐龙的头骨(约80厘米)。

  这两台机器可以用于对不同大小的脊椎动物和人类化石、现生生物和其他古生物化石等进行断层扫描和三维立体重建。“大家都知道医院的CT机,简单地说,这就是给化石做CT的机器。应用这两台机器,我们再也不用破坏化石了。”中科院高能所负责硬件系统的研制,石戎坚研究员介绍说,把化石放在机器里,科学家们几乎可以实时看到化石内部的三维结构。

  就硬件系统而言,主要难点在于如何控制射线能量,既要能穿透坚硬的固体,也要达到应有的精度。石戎坚说:“根据研究的需要,检测小化石的机器需要更高的分辨率。我们研制的微分辨率ICT的空间分辨率达到5微米,密度分辨(相对)达到百分之一,指标可达到或接近国内外同类设备水平。”

  就软件系统而言,主要难点在于三维图像重建及后处理。软件系统研发工作由中科院自动化所承担,田捷研究员介绍说:“以前的X光扫描,照出来的是一张平面图,而用CT扫描,照出来的则是一幅立体的三维图像。我们的任务就是把扫描所获得的数据在尽可能短的时间内通过软件处理成三维图像。”研究人员通过研发,实现了扫描的海量数据处理,可对化石内部复杂结构进行较快速提取和准确分割,达到了高解析度图像的实时三维可视化,同时还提供了三维交互测量、模型定量化分析、虚拟切割等功能。

  工业CT技术将在不同领域大放异彩

  在两台机器的试运行期间,已经取得了一批科研成果——古脊椎所应用该设备取得了一批优于澳大利亚国立大学同类设备的实验数据。目前,设备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,已开展了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,已发和待发的学术论文已有数篇。

  朱敏介绍说,上个世纪末,国外开始尝试用CT研究化石。因为精度、软件等要求,我国一直没有相关设备。“我们只能到澳大利亚或美国等国家给化石‘体检’。”朱敏说,这样做非常不方便,一是有些化石是不能够携带出境的,比如古人类头骨化石;二是这样的合作往往让我们丧失不少知识产权。

  这两台机器研制成功的重要意义,不仅仅在于古生物研究领域。“这说明我们在工业CT技术上已经取得长足进步。”史戎坚说:“这两台机器不仅可以用于生物学研究,配合相应的软件,还可以用于材料科学、环境科学、电子科学、工业监测等方面。”

  “在电子工业中,可以用于器件的质量控制。”史戎坚举例说:“我们可以对封装后的芯片进行扫描,观察其内部是否有制造缺陷和多余物。”在石油勘探中,可以用这台机器分析岩芯的结构,进而分析该地区储油情况,以及采油的可行性。

  柯济 《 光明日报 》( 2011年07月26日 12 版)


 
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