李爛，殷亞磊，周長付

1.北京大學，地球與空間科學學院，北京 100871

2.山東科技大學，地球科學與工程學院，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、現(xiàn)生唯一的頭部無顳孔的爬行類。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彎曲收縮的曲頸龜亞目和頸部在水平平面內收縮的側頸龜亞目兩大類。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，龜鱉類內部的分支演化研究也一直是難題，特別是曲頸龜類內部的譜系關系比較混亂。這些爭議產生的主要原因是對龜鱉類的形態(tài)特征認知不足。所以，龜鱉類各類群的形態(tài)學研究對于揭示龜鱉類的特征演化及譜系關系具有重大意義。

近年來，高精度X 光斷層掃描（英文全稱High-resolution X-ray Computed Tomography，簡稱CT）技術在化石和現(xiàn)生生物的形態(tài)學研究中得到廣泛應用[4-8]。采用CT 數(shù)據(jù)重建的模型同時包含表面形態(tài)信息和內部形態(tài)信息，比較全面和精細地展示現(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)學研究中有極大的應用前景。因此，在龜鱉類形態(tài)學研究中應用高精度X 光斷層掃描技術將有利于充分揭示該類群的形態(tài)學信息，從而促進該類群的分支系統(tǒng)學研究。

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)可促進對該屬種形態(tài)學特征的了解，補充龜鱉類的形態(tài)學數(shù)據(jù)庫，進而促進龜鱉類的形態(tài)學和系統(tǒng)發(fā)育學研究。

本數(shù)據(jù)集包括CT 掃描圖片數(shù)據(jù)，根據(jù)重構后的頭骨三維數(shù)據(jù)導出的可用于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)學及系統(tǒng)學研究，數(shù)據(jù)集中的三維模型還可以用于三維打印，打印出來的模型可以運用于關于龜鱉類的科研、教學和科普展覽中。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 標本收集與處理

該緬甸陸龜骨骼標本由北京大學地球與空間科學學院地質博物館收藏，收藏前已經是骨骼標本。

1.2 CT 掃描與數(shù)據(jù)預處理

標本在中國科學院古脊椎動物與古人類研究所完成掃描，掃描儀器為該單位和中國科學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。

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

圖1 工業(yè)CT 技術系統(tǒng)組成圖

1.3 CT 數(shù)據(jù)三維重建

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

圖2 利用VG Studio Max 3.0 進行樣本三維重建的工作界面圖

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

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

第三步：stl 文件和圖像導出。選中要導出stl 文件的每一塊骨骼的ROI，單擊右鍵，選擇下拉選項中的轉化為網(wǎng)格選項，點擊轉化按鈕，將每一塊骨骼的stl 文件導出。將三維窗口最大化，將顯示的頭骨三維模型旋轉和移動至想要的位置，選擇文件選項卡下的保存圖像選項，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、旋轉三維窗口的模型使旋轉軸在垂直方向，選擇VG Studio Max 3.0軟件菜單欄動畫選項，點擊其下拉框的默認曲線：圓（C）選項，單擊該窗口中的圓，如所示選項，然后在彈出的動畫對話框中設置播放時間等參數(shù)，點擊渲染動畫按鈕保存視頻文件，格式為avi。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

該標本為現(xiàn)生緬甸陸龜骨骼標本，收藏于北京大學地球與空間科學學院地質博物館，標本編號為GMPKU-P-3801。本次CT 掃描針對該標本的頭骨部分。頭骨最大長度約39 毫米，寬約27 毫米。該頭骨丟失了兩側鱗骨和顴骨，下頜丟失了關節(jié)骨和隅骨，但不影響其整體的解剖結構認識。掃描后導入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 緬甸陸龜標本GMPKU-P-3801 掃描后未進行骨塊分割的頭骨背視圖

對緬甸陸龜?shù)念^骨進行高精度CT 掃描揭露了肉眼和顯微鏡下難以識別的頭骨內部結構特征。在三維重建軟件內，可以通過顯示重建后的單個骨骼來詳細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 文件導入三維重建軟件中來實現(xiàn)。圖5 示例通過掃描揭露的耳區(qū)結構特征：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系 (B)

3 數(shù)據(jù)質量控制和評估

標本每次掃描前會通過分辨率校正卡，檢測儀器分辨率精度是否達標。由于標本屬于現(xiàn)生骨骼標本，各骨骼間的骨縫較易識別，三維重建工作完成度高。本樣品掃描精度為35 μm，對標本頭骨的單個骨骼均有較好的揭示。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集主要作用是科學研究，借助于高精度斷層掃面技術，對現(xiàn)生緬甸陸龜頭骨材料進行三維重建，能夠更好揭示該類群的頭骨內部特征，完善該類群的形態(tài)學信息，進一步豐富龜鱉類形態(tài)矩陣數(shù)據(jù)，促進對曲頸龜類譜系關系的厘定，從而有利于整個龜鱉類的演化研究。

建立的三維重建模型導出來的stl 文件可以進行3D 打印，打印出來的模型在科研、教學和科普領域都具有較大的應用價值，讓數(shù)據(jù)使用者更直觀觀察緬甸陸龜?shù)念^骨特征，同時也減少了骨骼標本的展示次數(shù)，對于標本具有一定的保護意義。

致 謝

感謝中國科學院脊椎動物演化與人類起源重點實驗室侯葉茂老師協(xié)助進行CT 掃描實驗。感謝北京大學地球與空間科學學院江大勇教授對該研究工作提供的寶貴建議。

數(shù)據(jù)作者分工職責

李爛（1991—），女，湖南省醴陵市人，在讀博士，研究方向為中生代龜鱉類形態(tài)學及分支系統(tǒng)學。主要承擔工作：實驗規(guī)劃和標本掃描，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，研究方向為中生代爬行動物的分類與演化。主要承擔工作：本文CT 數(shù)據(jù)的三維處理。

周長付（1979—），男，山東省棗莊市人，博士，教授，研究方向為中生代四足動物化石的分類與演化。主要承擔工作：文本撰寫指導。