两种微体化石三维无损成像技术的对比

近年来,各种X射线三维无损成像技术在古生物学领域的应用越来越广泛。但是,不同的X射线三维无损成像技术针对不同保存类型和尺寸的化石标本在成像效果上各有利弊。本文以埃迪卡拉纪陡山沱组磷酸盐化的动物胚胎化石为研究对象,将目前应用最广的两种X射线三维无损成像方法,即基于实验室X光源的吸收衬度显微断层成像技术和基于同步辐射光源的相位衬度显微断层成像技术进行了对比分析。通过对两种技术的原理、效率、空间分辨率和图像衬度的对比,认为基于同步辐射光源的相位衬度显微断层成像技术是目前对于均一矿化的微体化石最佳的三维无损成像解决方案。     

三维X射线显微技术与小型-微体化石高分辨率无损成像*

在古生物学研究中,以X射线断层成像(Computed Tomography)为代表的三维无损成像技术可以在不破坏化石标本的前提下,同时获得标本外观形态和内部结构的信息,相比传统的可见光成像手段有着明显优势。为推动化石三维无损成像技术在国内古生物学领域的发展,本文系统介绍一种新型显微CT技术——三维X射线显微术(Three-Dimensional X-ray Microscopy)。与基于几何放大和吸收衬度成像的传统显微CT技术相比,该技术有若干优势:(1)将同步辐射X射线显微断层成像的光学成像系统引入基于实验室X射线源的显微CT系统中,在几何放大的基础上增加了光学放大,优化了传统显微CT的系统架构,弥补了传统显微CT单纯依靠几何放大的不足,提高了空间分辨率;(2)采用可移动的X射线源和优化的光学成像系统,实现了低能X射线相位衬度成像,可以三维重构传统显微CT技术无法有效探测的、低吸收衬度的化石标本;(3)基于新的成像架构和成像算法,实现了厘米-分米级较大标本内部"感兴趣区域"(Region of Interest)精确导航和局部高分辨率(微米-亚微米空间分辨)成像;(4)可以实现小型扁平标本(宽厚比4,宽10cm)高效率、高分辨率成像和长条形微体标本长轴方向自动分段无缝拼接的微米至亚微米级高分辨率重建,弥补了传统工业显微CT针对小型扁平标本和长条形微体标本高分辨成像效果不佳的缺陷。这些优势使得基于实验室X射线源的显微CT成像技术可以获得接近同步辐射X射线源的成像质量,从而有效推动化石生物学研究。     

同步辐射在显微CT中的应用

计算机X射线断层成像技术（CT）是利用X射线的穿透能力对物体进行扫描,所得信号经过反投影的算法而得到物体二维分布的一种成像方法,已经在医学诊断、工业探伤等领域广泛应用。但是由于实验室光源的低通量,光源点大小及其单色性等限制了其向高分辨发展,通常其分辨率在0．5mm左右。利用微焦点X射线源作为光源的显微CT分辨率可以达到微米量级,但是由于其光通量低且为非单色光,对不同样品有不同程度的束线硬化,影响了其真实分辨率。同步辐射作为一种新兴的光源有高亮度、高光子通量、高准直性、高极化性、高相干性及宽的频谱范围的特点,配合高分辨的X射线探测器,可以发展同步辐射显微CT,其分辨率可达10μm以下。利用同步辐射的高空间相干性开展位相衬度显微CT的研究,对低吸收物质也可以清晰三维成像。新建的上海光源的X射线成像及生物医学应用线站开展了三维显微CT方面的研究,经过初步试验,得到了较好的结果。     

缅甸琥珀内含物形态结构在X射线下的可辨识性

【目的】产自缅甸北部胡康河谷的缅甸琥珀形成于白垩纪中期。其艺术价值很高,同时其内含物的生物多样性程度也很高,故其科学价值也不可估量。显微CT能够提供化石(琥珀)内部解剖结构的高分辨率断层图像,故该方法日渐成为目前琥珀研究中的常用方法之一。然而在可见光下可见的琥珀内的生物结构,在X射线下却有不同的结果,这与现生研究材料在显微CT下的表现非常不同。本研究对产自胡康河谷的9块缅甸琥珀进行显微CT检测,试图对这个特殊的现象进行较为系统的解读。【方法】利用数码相机(Nikon 5200D)拍摄琥珀照片,并用Helicon Focus 5.3软件合成。通过显微CT技术扫描琥珀和计算机断层重建技术重建出缅甸琥珀内含物的三维结构形态。【结果】显微CT检测结果主要分为3种:完全无衬度、部分结构有衬度和整体结构有较好衬度。本研究对有较好衬度的琥珀内含物进行了三维重建,展示了琥珀内含物的外部和内部三维结构。【结论】琥珀内含物的可见光成像和X射线成像不存在一一对应关系,其原因和琥珀保存的好坏以及琥珀的密度差、琥珀围岩之间的对比度差异有关。琥珀形成和埋藏过程中的物理和化学变化非常复杂,其机理的探究也更为复杂和困难,本文对这个现象的主要类型做了较为初步的阐述,后续研究需要更为全面的选样和更为严格的实验设计才能够最终解决这个埋藏学上的难题。     

应用光学显微镜揭示寒武纪化石胚胎的表面结构

寒武纪化石胚胎是演化发育生物学研究的热点。传统的扫描电子显微镜可以观察到胚胎表面的三维结构,同步辐射X射线断层扫描显微镜等技术可以揭示胚胎的内部结构,但是胚胎表面由于矿物颜色差异表现出的结构在扫描电子显微镜和同步辐射成像下均无法观察,而光学显微镜恰恰能清晰地揭示这种结构。本研究应用光学显微镜和扫描电子显微镜对比观察了寒武纪化石胚胎,证明了光学显微镜在"光球"类胚胎观察方面有无可比拟的优势。从而揭示了在化石胚胎Olivooides multisulcatus的胚胎发育过程中,五辐射对称的口部要先于星状结构出现,证明辐射对称是Olivooides multisulcatus胚胎发育早期就已经建立的基本体构。     

山顶洞101号男性头骨的三维颅面复原

山顶洞101号头骨化石是东亚地区保存最为完整的化石之一,是探讨东亚地区现代人起源的重要研究材料。本文依据数据集中现生人的面部软组织平均分布,提出了计算机三维颅面复原方法,实现了101号头骨生前面貌的预测复原。主要包括三个步骤：首先使用CT完成了101号男性头骨和下颌骨仿制模型的三维重建。然后,利用计算机技术将现生人的面部软组织分布作为101号头骨的面部软组织分布,实现了颅面虚拟复原,并采用手工绘画技巧再现了复原面貌的形态特征。最后,提出了一种基于面部软组织分布和面貌统计形状模型的形态分析方法,实现了颅面复原结果的评估。山顶洞101号头骨的复原面貌具有头部较长、额头前倾、眉弓粗壮等特征,与101号头骨的几何形态基本一致。该技术再现了更新世晚期人类的脑颅及面部的形态特征,为古人类颅面复原的研究提供了技术支持和参考资料。     

高性能微区X射线荧光光谱仪在寒武纪特异保存软躯体化石研究中的探索:以腕足动物化石为例*

随着国家对基础研究的日趋重视,我国的古生物学,包括早期生命和寒武纪大爆发研究取得了长足的进步,研究手段和仪器设备日益改善和提高,例如扫描电子显微镜(SEM)和X射线显微断层成像技术(Micro-CT)的使用已经十分广泛。本研究以我国滇东地区寒武纪澄江化石库和乌龙菁组关山生物群特异保存的腕足动物化石为例,运用高性能微区X射线荧光光谱仪对化石标本和围岩的成分进行了定性和半定量分析。由于X射线有一定的穿透能力,且生物体与围岩的组成元素不同,因此对标本的定性分析可快速清晰地显示出某些生物体在光学显微镜下未显示出的生物解剖结构;对化石中化学元素(Na-U)和化合物的半定量分析数据可大致揭示澄江生物群与关山生物群沉积矿物元素的区别,并且筛选出更适合用于高精度元素分析的标本。微区X射线荧光光谱仪在测试和扫描前对样品普遍不用进行前期处理,可用于样品表面扫描和微区分析,操作快捷、有效,加之其较大的样品台空间,是一种先进的高灵敏度、非破坏性的元素分析手段,能为对比研究诸如澄江生物群与关山生物群等不同时代生物群的特异埋藏条件和沉积环境提供新的信息。     

新疆阿魏特征显微结构的三维原位无损研究

利用新型第三代高亮度同步辐射光源相衬成像技术,可实现弱吸收(主要含碳、氢、氧和氮等元素)物质材料特征结构的无损三维鉴定。以具有极高药用价值的新疆地产药材——阿魏(Ferula)为研究对象,采用同步辐射高分辨X射线相衬显微CT技术,并结合相位恢复算法,有效解析和评价了新疆阿魏(F.sinkiangensis)的三维特征结构,极大提高了对药材类生物样品的显微结构和密度的分辨能力,从而为新疆阿魏的特征分辨、品质鉴定和真伪识别提供了一种直观可靠的三维可视化新手段。     

光学相干层析成像技术对关节软骨组织解剖分层表现对照研究

光学相干层析成像技术是一种高分辨率、非创伤性成像技术,它能够利用近红外光产生软骨组织的解析图像.实验的研究目的是验证光学相干层析成像技术对软骨组织解剖分层结构的成像能力.以猪膝关节软骨为样本,选择OCT检测的软骨区域运用解剖学方法获得组织切片,显微镜下观察.调查软骨OCT成像与组织学成像的相关性.结果显示OCT所测得的所有软骨的厚度值与切片显微镜结果一致,差异无显著意义 （P〉0.05）.光学相干层析成像系统能够呈现软骨组织解剖分层,该技术在软骨检测和临床关节病变诊断方面具有应用前景.     

显微CT技术在澄江生物群节肢动物研究中的应用—以Misszhouia longicaudata为例*

本研究以云南寒武纪澄江生物群节肢动物周小姐虫(Misszhouia longicaudata)为例,使用显微CT(Computed Tomography,计算机断层扫描的简写)技术对其保存在化石围岩内部的结构信息进行提取。通过Drishti软件对CT数据进行处理后,研究者可以在不破坏标本的前提下复原该动物腿肢较为完整的三维细节。此研究方法一方面对传统研究方法进行了重要补充,另一方面在研究中也对保存精美的澄江生物群化石起到保护作用,对这类标本的研究和保护具有重要意义。     

中国古人类颅内模及脑演化研究进展

颅内模保存有脑表面的形态结构,是脑演化研究的直接证据。中国最早复原和研究的颅内模来自20世纪20年代北京周口店遗址发现的3号猿人头骨;此后虽然中国境内也相继发现了一些古人类的头骨化石,但由于古人类标本非常珍贵,不允许对其进行实体解剖,加上多数头骨破碎或者内部附有地层胶结物,导致颅内模无法成功复原。受技术水平及研究手段的限制,研究者一般只是侧重于化石外表形态结构的研究。高分辨率工业CT和3D软件的应用,可以在不损坏标本的情况下,虚拟复原出化石的内部解剖结构,使得一些重要的古人类化石标本的颅内模被复原出来,促进了脑演化的研究。近年来,本文第一作者采用新技术、新方法复原了南京直立人、柳江人等一些重要的中国古人类头骨的颅内模,通过对其颅容量、脑沟回特征、脑不对称性、脑表面的动、静脉血管压迹、各脑叶的大小、形状及比例的研究,获取了中国古人类脑形态特征变化的数据,为探讨东亚地区古人类的演化提供了参考信息。     

中国鳐类脑颅的研究

作者解剖观察了33种,隶于4目、7亚目、15科、19属的中国鳐类脑颅的形态。研究结果认为:锯鳐目和鳐目是原始类群,它们均具吻软骨,其中圆犂头鳐科和团扇鳐科是特化类群。电鳐目亦具吻软骨,它们是特化和退化类群。在较高等的鲼目则无吻软骨。依据鳐类不同的分类阶元,其脑颅亦各具有不同的式型。     

化石研究的新技术──激光扫描共聚焦显微系统

激光扫描共聚焦显微技术的根本特性在于任何时候都将照明光与探测到物体表面的光限制在物体某一个相同点上。如果这个点非常小又在极小衍射范围内，那么激光扫描共聚焦成像系统的分辨率要比任何传统显微镜高许多。通过变换焦距，可做一系列虚拟断层切面。利用这个特点，对那些用常规手段无法进行切片磨面的微体化石采用激光扫描共聚焦新技术进行研究，获得了对小壳化石、昆虫、孢粉等化石研究的新成果。     

来自大脑的线索

化石脑颅拥有古动物行为的证据对远古生命的研究来说,化石是必不可少的。一块颌骨——甚至一枚牙齿——就能够指示动物的食性。肢骨可以表明动物的奔跑能力;头骨能够告诉人们动物脑量的大小。不幸的是大脑本身绝不会转变为化石记录的成份,因为神经组织十分敏感,动物死后不久它就腐烂了。然而,古生物学者应用神经生理学家提供的情况,就能研究石化了的大脑解剖构造,从而了解千百万年前就绝灭了的动物的某些行为。     

植物细胞软X射线显微成像研究

利用同步辐射为光源,以抗蚀剂ＰＭＭＡ为Ｘ光探测器,在波长为３２ｎｍ的单色Ｘ光条件下,对厚度约５μｍ的贝母子房切片进行了接触显微成像研究。与普通光学显微镜显微图相比,软Ｘ射线接触显微成像（ＳＸＣＭ）显微图则可见细胞核内细微结构,从而显示了ＳＸＣＭ在研究生物样品时的优势。     

大肠杆菌细胞的软X射线显微成像研究

软X射线显微术是研究含水甚至活性生物样品的有力工具。相对于光学显微镜 ,它具有更高的成象分辨率 ;相对于电子显微镜 ,它的样品制备简单—无须对样品进行脱水、染色和超薄切片等。报道的是利用合肥同步辐射X射线源和接触显微成象技术 ,对自然状态下含水的完整XL1 blueMRF′细菌细胞进行显微成象研究。从获得的显微图象中可以看出一些新的现象。含有DNA、蛋白质的拟核以及中体对波长 2 .4nmX射线具有较弱的吸收能力 ;不少细菌细胞的两端对 2 .4nm波长的X射线的吸收也具有很大的差异。这些有趣现象产生的根本原因和生物学意义有待进一步研究。     

光学相干断层成像在临床医学中的应用

光学相干断层成像(OCT)是一种基于弱相干光学断层成像技术,可以对生物组织活体断层成像,是继计算机X射线摄影(CR)和数字X射线摄影(DR)、超声、电子计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)之后又一新的生物组织成像方法。OCT在眼科、皮肤科、心血管科、肿瘤科、骨科、口腔科、妇科等对组织病变的早期光学诊断和实时动态监测方面具有广泛的应用及重要的临床价值。本文就OCT的基本原理、研究现状、主要的临床应用和应用过程中存在的问题进行综述并展望未来相关的发展趋势。     

培养液中钙对碳纳米材料细胞毒性作用机制的同步辐射初步研究

本工作研究了细胞培养液中钙离子和多壁碳纳米管,以及纳米碳黑的相互作用,采用钙荧光标记的显微成像技术和同步辐射X射线荧光技术,研究了HeLa细胞内钙离子浓度的增高及其相关机制。实验结果指出,细胞培养介质中的钙能被碳纳米颗粒(CNPs)大量吸附并载带进入细胞内,因此,CNPs向细胞内输送过量的钙离子可能是造成CNPs细胞毒性的重要原因。本工作为正确检测和评估碳纳米材料细胞毒性提供了新思路。     

以三维荧光反卷积显微技术研究活体细胞中分泌囊泡的空间分布

获得活体细胞三维图像以观察细胞内分泌囊泡的空间分布有助于细胞分泌机制的研究。三维荧光反卷积显微技术可以为活体细胞观察提供低荧光漂白 ,低毒副作用的快速三维成像。研究了显微成像系统实验测定和理论计算点扩展函数之间的关系 ,并且实验验证了NA 1.6 5物镜条件下 ,理论计算点扩展函数可以较好地反映显微成像系统的特性。然后使用已知物理结构的三维样本对反卷积算法的有效性进行了研究。进而对使用吖啶橙(acridineorange)标记的大鼠胰腺 β细胞分泌囊泡进行观察。结果显示 ,反卷积算法可以有效地去除原始图像中因为焦外光影响产生的模糊 ,处理后图像清晰地显示了细胞内分泌囊泡的空间分布     

川东中侏罗统新田沟组介形类化石壳体方解石化特征及元素成分初步分析

首次利用扫描电子显微镜观察川东新田沟组介形类化石的保存情况,并利用X射线能谱分析部分化石的元素含量及分布。研究发现新田沟组介形类壳体绝大部分方解石化,不同层位介形类壳质方解石化有所不同,且方解石化特点显示其可能与有机质作用有关。通过与前人研究结果对比发现,新田沟组壳体保存处在介形虫壳体埋藏作用的第二阶段和第三阶段。