李爛，殷亞磊，周長(zhǎng)付

1.北京大學(xué)，地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

2.山東科技大學(xué)，地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590

引 言

龜鱉類是一類具有背甲和腹甲，且背甲包含肋骨和背椎、肩帶位于胸腔內(nèi)、現(xiàn)生唯一的頭部無(wú)顳孔的爬行類。現(xiàn)生龜鱉類根據(jù)頸部的收縮方式，分為頸部在垂直平面內(nèi)彎曲收縮的曲頸龜亞目和頸部在水平平面內(nèi)收縮的側(cè)頸龜亞目?jī)纱箢?。已知最早的龜鱉類化石出現(xiàn)于晚三疊世[1-3]，盡管在地球上已經(jīng)存在了兩億多年，但龜鱉類在特征演化上具有高度保守性，因此除龜鱉類的起源問題外，龜鱉類內(nèi)部的分支演化研究也一直是難題，特別是曲頸龜類內(nèi)部的譜系關(guān)系比較混亂。這些爭(zhēng)議產(chǎn)生的主要原因是對(duì)龜鱉類的形態(tài)特征認(rèn)知不足。所以，龜鱉類各類群的形態(tài)學(xué)研究對(duì)于揭示龜鱉類的特征演化及譜系關(guān)系具有重大意義。

近年來(lái)，高精度X 光斷層掃描（英文全稱High-resolution X-ray Computed Tomography，簡(jiǎn)稱CT）技術(shù)在化石和現(xiàn)生生物的形態(tài)學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用[4-8]。采用CT 數(shù)據(jù)重建的模型同時(shí)包含表面形態(tài)信息和內(nèi)部形態(tài)信息，比較全面和精細(xì)地展示現(xiàn)生和化石生物的形態(tài)特征，并在生物的發(fā)育和系統(tǒng)學(xué)研究中有極大的應(yīng)用前景。因此，在龜鱉類形態(tài)學(xué)研究中應(yīng)用高精度X 光斷層掃描技術(shù)將有利于充分揭示該類群的形態(tài)學(xué)信息，從而促進(jìn)該類群的分支系統(tǒng)學(xué)研究。

本文描述的現(xiàn)生龜鱉類頭骨為緬甸陸龜（Indotestudo elongata），屬于曲頸龜亞目陸龜科、印度陸龜屬，獲取其頭骨CT 數(shù)據(jù)可促進(jìn)對(duì)該屬種形態(tài)學(xué)特征的了解，補(bǔ)充龜鱉類的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而促進(jìn)龜鱉類的形態(tài)學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究。

本數(shù)據(jù)集包括CT 掃描圖片數(shù)據(jù)，根據(jù)重構(gòu)后的頭骨三維數(shù)據(jù)導(dǎo)出的可用于3D 打印的stl 文件，根據(jù)三維模型制作的視頻。所有數(shù)據(jù)均上傳到Science Data Bank，供科研人員和公眾下載，本數(shù)據(jù)可用于龜鱉類的形態(tài)學(xué)及系統(tǒng)學(xué)研究，數(shù)據(jù)集中的三維模型還可以用于三維打印，打印出來(lái)的模型可以運(yùn)用于關(guān)于龜鱉類的科研、教學(xué)和科普展覽中。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 標(biāo)本收集與處理

該緬甸陸龜骨骼標(biāo)本由北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地質(zhì)博物館收藏，收藏前已經(jīng)是骨骼標(biāo)本。

1.2 CT 掃描與數(shù)據(jù)預(yù)處理

標(biāo)本在中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所完成掃描，掃描儀器為該單位和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所聯(lián)合開發(fā)研制的225 kV 高精度斷層掃描裝置。

掃描過(guò)程中，將樣品以X 光能垂直于樣品的最長(zhǎng)軸照射樣品的方向固定在掃描儀的樣品臺(tái)上。設(shè)定的電壓為80 kV，通過(guò)調(diào)節(jié)顯示屏上的參數(shù)來(lái)獲取視框中最大的樣品圖像，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)參數(shù)確保樣品在360°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中都在掃描區(qū)域內(nèi)，然后開始掃描。初始三維數(shù)據(jù)通過(guò)掃描儀自帶軟件生成1536張tiff 格式圖像堆棧。工業(yè)CT 技術(shù)系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 工業(yè)CT 技術(shù)系統(tǒng)組成圖

1.3 CT 數(shù)據(jù)三維重建

本文使用VG Studio Max 3.0 軟件對(duì)樣品進(jìn)行三維建模（圖2）。

圖2 利用VG Studio Max 3.0 進(jìn)行樣本三維重建的工作界面圖

第一步：數(shù)據(jù)導(dǎo)入。將1536 張tiff 格式圖像堆棧導(dǎo)入軟件VG Studio Max 3.0，通過(guò)弱化背景和強(qiáng)化骨骼灰度值來(lái)清晰顯示骨骼，將工程文件保存為vgl 格式。

第二步：骨骼分割和三維重建。在軟件窗口的右側(cè)導(dǎo)航欄中，針對(duì)每一塊骨骼新建一個(gè)感興趣區(qū)（Region Of Interest，縮寫為ROI），將每一塊骨骼在所有截面的骨骼區(qū)域畫入建立的對(duì)應(yīng)ROI 中，在感興趣區(qū)繪制骨骼的方式采用畫筆中的手動(dòng)與自動(dòng)（region growing）工具相結(jié)合的方式。

第三步：stl 文件和圖像導(dǎo)出。選中要導(dǎo)出stl 文件的每一塊骨骼的ROI，單擊右鍵，選擇下拉選項(xiàng)中的轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格選項(xiàng)，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)化按鈕，將每一塊骨骼的stl 文件導(dǎo)出。將三維窗口最大化，將顯示的頭骨三維模型旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)至想要的位置，選擇文件選項(xiàng)卡下的保存圖像選項(xiàng)，自定義圖像大小，保存3D 模型的二維圖片。

第四步：視頻制作。移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)三維窗口的模型使旋轉(zhuǎn)軸在垂直方向，選擇VG Studio Max 3.0軟件菜單欄動(dòng)畫選項(xiàng)，點(diǎn)擊其下拉框的默認(rèn)曲線：圓（C）選項(xiàng)，單擊該窗口中的圓，如所示選項(xiàng)，然后在彈出的動(dòng)畫對(duì)話框中設(shè)置播放時(shí)間等參數(shù)，點(diǎn)擊渲染動(dòng)畫按鈕保存視頻文件，格式為avi。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

該標(biāo)本為現(xiàn)生緬甸陸龜骨骼標(biāo)本，收藏于北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地質(zhì)博物館，標(biāo)本編號(hào)為GMPKU-P-3801。本次CT 掃描針對(duì)該標(biāo)本的頭骨部分。頭骨最大長(zhǎng)度約39 毫米，寬約27 毫米。該頭骨丟失了兩側(cè)鱗骨和顴骨，下頜丟失了關(guān)節(jié)骨和隅骨，但不影響其整體的解剖結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)。掃描后導(dǎo)入VG studio 3.0 軟件中直接顯示的頭骨背視（圖3）和重建后的頭骨狀態(tài)（圖4）。

圖3 緬甸陸龜標(biāo)本GMPKU-P-3801 掃描后未進(jìn)行骨塊分割的頭骨背視圖

對(duì)緬甸陸龜?shù)念^骨進(jìn)行高精度CT 掃描揭露了肉眼和顯微鏡下難以識(shí)別的頭骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。在三維重建軟件內(nèi)，可以通過(guò)顯示重建后的單個(gè)骨骼來(lái)詳細(xì)觀察每塊骨骼的形態(tài)特征，數(shù)據(jù)下載者也可以將數(shù)據(jù)集中的Indotestudo2.zip 文件的每一塊骨骼的stl 文件導(dǎo)入三維重建軟件中來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5 示例通過(guò)掃描揭露的耳區(qū)結(jié)構(gòu)特征：三維重建清晰展示了緬甸陸龜?shù)亩浅拾魻?，且具有輕微的弧度（圖5 A），完全被方骨的耳柱骨切跡包裹；后耳骨窗間突與翼骨不接觸（圖5 B）。

圖4 三維重建的緬甸陸龜標(biāo)本GMPKU-P-3801 頭骨背視圖 (A) 和腹視圖 (B)

圖5 三維重建顯示的緬甸陸龜耳柱骨 (A) 以及后耳骨窗間突與翼骨的接觸關(guān)系 (B)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

標(biāo)本每次掃描前會(huì)通過(guò)分辨率校正卡，檢測(cè)儀器分辨率精度是否達(dá)標(biāo)。由于標(biāo)本屬于現(xiàn)生骨骼標(biāo)本，各骨骼間的骨縫較易識(shí)別，三維重建工作完成度高。本樣品掃描精度為35 μm，對(duì)標(biāo)本頭骨的單個(gè)骨骼均有較好的揭示。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集主要作用是科學(xué)研究，借助于高精度斷層掃面技術(shù)，對(duì)現(xiàn)生緬甸陸龜頭骨材料進(jìn)行三維重建，能夠更好揭示該類群的頭骨內(nèi)部特征，完善該類群的形態(tài)學(xué)信息，進(jìn)一步豐富龜鱉類形態(tài)矩陣數(shù)據(jù)，促進(jìn)對(duì)曲頸龜類譜系關(guān)系的厘定，從而有利于整個(gè)龜鱉類的演化研究。

建立的三維重建模型導(dǎo)出來(lái)的stl 文件可以進(jìn)行3D 打印，打印出來(lái)的模型在科研、教學(xué)和科普領(lǐng)域都具有較大的應(yīng)用價(jià)值，讓數(shù)據(jù)使用者更直觀觀察緬甸陸龜?shù)念^骨特征，同時(shí)也減少了骨骼標(biāo)本的展示次數(shù)，對(duì)于標(biāo)本具有一定的保護(hù)意義。

致 謝

感謝中國(guó)科學(xué)院脊椎動(dòng)物演化與人類起源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室侯葉茂老師協(xié)助進(jìn)行CT 掃描實(shí)驗(yàn)。感謝北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院江大勇教授對(duì)該研究工作提供的寶貴建議。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

李爛（1991—），女，湖南省醴陵市人，在讀博士，研究方向?yàn)橹猩旝M類形態(tài)學(xué)及分支系統(tǒng)學(xué)。主要承擔(dān)工作：實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和標(biāo)本掃描，文本撰寫，CT 數(shù)據(jù)的處理。

殷亞磊（1992—），男，河南省周口市人，在讀博士，研究方向?yàn)橹猩佬袆?dòng)物的分類與演化。主要承擔(dān)工作：本文CT 數(shù)據(jù)的三維處理。

周長(zhǎng)付（1979—），男，山東省棗莊市人，博士，教授，研究方向?yàn)橹猩淖銊?dòng)物化石的分類與演化。主要承擔(dān)工作：文本撰寫指導(dǎo)。