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同步辐射硬X射线相衬成像助力已知最小恐龙的发现

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更新时间:2020-03-19 10:04

      3月12日,《自然》杂志发布了包埋在缅甸白垩纪琥珀中的目前已知最小恐龙的发现,这一发现在恐龙和古鸟类演化研究上有重要意义。此次研究的化石是一个包裹在琥珀中的完整动物头骨,同位素测年发现该地区的琥珀形成于白垩纪中期,约9900万年前。该化石包埋在透明琥珀中,头骨壁薄但体积相对很大,且被皮毛包裹。

  研究的第一个挑战是如何无损、高密度灵敏度、高分辨率且大视场的获得头骨的3D完整信息。同步辐射硬X射线(SRX)相位衬度成像在其中发挥了重要作用。

  中科院高能所黎刚研究员课题组在SRX成像方法学发展、高性能探测器等核心装备研制和SRX成像的古生物应用方面有多年积累。他们针对该化石特点,根据以往经验,制定了最优的SRX相位衬度CT扫描方案。他们用高能单色化X射线和高效率探测器尽量减小辐射损伤,用相位衬度成像和高传函探测器实现高灵敏度成像,用高分辨率探测器、偏轴扫描和图像拼接等技术实现高分辨率且大视场的3D成像。

  黎刚课题组利用自研的高传函高效率硬X射线间接成像探测器在上海光源硬X射线成像线站,按照制定的扫描方案,对化石进行了6段SRX相衬CT扫描,其中3段偏轴扫描,共获得了超过24000张的SRX相衬CT投影图,原始数据超过190GB。偏轴扫描在不降低空间分辨率的前提下,可数倍扩大CT扫描的体积。

  获得高质量数据后,他们还需要把2万多张投影图高精度的拼接起来,再经过相位恢复、断层重建,最后经过3D数据的虚拟分割得到头骨的图像。最紧张时,黎刚动员了课题组所有青年职工和研究生都参与到低对比度部分的手动分割中。数据处理花费的时间比CT扫描的时间要长上百倍。

  该化石被归属到鸟类,属于新属新种,命名为宽娅眼齿鸟。从头骨尺寸来看,是迄今已经发现的最小的古鸟类,也是已发现的最小恐龙。

  本项研究展示了同步辐射硬X射线相位衬度CT在揭示古生物化石细节和整体结构上的强大能力。研究所用各种装备均是我国自行研制,所有数据重建和分析也均由我国研究团队独立完成。

  本项研究由中国地质大学邢立达副教授、中科院古脊椎动物与古人类研究所邹晶梅研究员、高能所多学科中心黎刚研究员、美国洛杉矶自然史博物馆拉尔斯·施米茨博士和路易斯·恰普教授、加拿大萨斯喀彻温省皇家博物馆瑞安·麦凯勒教授、中科院北京综合研究中心易栖如博士等学者共同完成。

 

同步辐射硬X射线相衬CT获得的眼齿鸟化石的头骨3D图像

眼齿鸟及其生存环境的想象图  3月12日Nature杂志封面