化石脑内模的虚拟3D重建与比较解剖.pdf

第十届中国古脊椎动物学学术年会论文集. 董为主编. 北京：海洋出版社, 2006. 77~84 Proceedings of the Tenth Annual Symposium of the Chinese Society of Vertebrate Paleontology DONG Wei (ed). Beijing: China Ocean Press, 2006. 77~84 ∗ 化石脑内模的虚拟 3D 重建与比较解剖 董 为1, 2 1 3 刘金毅 房迎三 (1 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044； 2 中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室，北京 100080； 3 南京博物院，江苏 南京 210016) 摘 要 对化石标本的内部进行形态学研究的常规方法是对标本进行实体解剖，然而对于 禁止实体解剖的珍稀化石来说形态学研究只能停留在标本的外表。计算机断层扫描成像 （CT ）技术及三维可视化技术的发明与发展，已使人们能够将珍贵标本的形态学研究深入 到标本内部。本文以化石猎豹头骨为例，介绍了如何通过对标本进行 CT 扫描获取标本内 部形态数据，然后使用三维可视化软件分割提取头骨内部的脑内模以供比较解剖学研究。 关键词 CT 影像 脑内模 3D 虚拟重建 无创解剖 1 前言 传统的生物形态学研究是通过对生物标本进行实体解剖，从而对标本的内外形态 进行观察和比较。对化石标本的形态学研究也一样。但是对于一些非常稀有和珍贵的 化石标本来说，解剖意味着对化石标本的不可逆转的破坏，因此对稀有珍贵的化石标 本来说，形态学的研究只能停留在外表。1963－1964年间南非放射医学家A. Cormack 首次提出了放射断层计算成像的理论[1]，1968年英国医疗器械工程师G. Hounsfield设计 制造了放射断层计算成像系统（Computed Tomography，简称CT ），并于1972年对第1 位患有脑颅疾病的病人拍摄了脑颅的CT影像，消除了X光透视中的重影[2] 。此后，人 类开始无需打开颅腔便能确定脑颅病灶的位置。CT技术的发展，使得古生物学家和古 人类学家能够对那些不允许解剖的珍稀化石进行内部形态的研究[3~4] 。1980年以来，人 们开始尝试对古人类头骨和脊椎动物头骨化石进行CT扫描成像的研究，但是由于当时 计算机容量、运算速率及软件的功能等方面的局限，所获得的3D 图形分辨率较低，无 法满足研究的需要。随着计算机技术的发展，在过去10年里3D 图形的分辨率和可加工 性大大提高，因而能够深入到古生物学领域。对古人类头骨的3D 图形重建和复原取得 了较大的成功[3]，这一突破使人们可以对珍贵的化石内部形态进行虚拟解剖学和形态 功能学研究，并在一些珍贵的古人类头骨[5~12]和恐龙头骨[13~14]化石上进行了尝试并获 得成功。这一技术的应用给古生物学注入了新的活力，并成为人们探索的一个新内容。 ∗ 中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室开放基金资助 董为：男，48 岁，模式识别国家重点实验室客座研究员，最近研究化石标本的虚拟 3D 复原 77 2 虚拟脑内模的重建 虚拟 3D 脑内模的重建工作主要分如下 3 个步骤。 2.1 CT 扫描数据的采集与 2D 重建 首先要将所研究的标本进行 CT 扫描。在扫描前要根据标本的大小及所要进行的 研究内容选择合适的 CT 扫描仪。如果标本的尺寸和人体接近，研究内容是直径 2~3 cm 以上的器官，则可以选择最常见的医学 CT 扫描仪。我们所研究的出土于南京汤山驼 子洞的猎豹头骨化石