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                    其他數據論文 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH5 Vol 6 (1) 2021
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                    緬甸陸龜(爬行綱:龜鱉目)頭骨高精度CT掃描數據集
                    A dataset of μCT scan of the skull of Indotestudo elongata (Reptilia: Testudines)
                    ?>>
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                    极速快三
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                    摘要&關鍵詞
                    摘要:龜鱉類根據頸部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。曲頸龜亞目和側頸龜亞目的單系性多次得到了形態學和分子學分支系統學研究的支持,且分子定年認為兩個支系的分離發生在侏羅紀早期。但是目前關于龜鱉類內部的譜系關系,特別是曲頸龜類內部譜系關系依然存在分歧,其主要原因之一是龜鱉類的形態特征研究不夠詳細。所以,對龜鱉類化石和現生類群進行詳細的形態學研究對厘清龜鱉類的譜系關系和演化具有重要意義。本文提供一件現生緬甸陸龜(Indotestudo elongata)的頭骨標本的高精度CT掃描數據集,包括CT原始圖片數據,根據CT數據重建的三維模型導出的stl文件及視頻。緬甸陸龜屬于曲頸龜亞目陸龜科印度陸龜屬,其頭骨CT數據在龜鱉類的形態學數據庫中的補充可促進龜鱉類的形態學和系統發育學研究,而基于此重建的三維模型的3D打印模型可應用于教學、科研和科普。
                    關鍵詞:龜鱉類;形態學;系統發育學;高精度CT掃描;數據
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?Turtles are divided into two categories, Cryptodira and Pleurodira, according to the way that a turtle retracts its neck into their shells. Monophyly of Cryptodira and Pleurodira is orthodoxly supported by the phylogenetic analyses of turtles based on morphological and molecular data. The molecular dating suggests that the two categories separated from each other in Early Jurassic. However, the interrelationships of turtles remain ambiguous, especially for Cryptodira. One of the main reasons is the inadequate knowledge of their morphology. Therefore, the morphological research into both the fossil and extant turtles is important for understanding the genealogical relationships and evolution of turtles. This paper provides a dataset of the μCT of Indotestudo elongata, including original CT slice images, stl-format files and videos derived from 3D models reconstructed from CT data. Indotestudo elongata is identified as a member of Testudinidae,which is a species of Cryptodira. Data for the skull of Indotestudo elongata based on μCT scan will contribute to further studies on turtles regarding their morphology and phylogeny. The printable 3D virtual models of the skull of Indotestudo elongata can be applied to research, teaching, and public education.
                    Keywords:?turtles;?morphology;?phylogenetic analysis;?μCT;?data
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱緬甸陸龜(爬行綱:龜鱉目)頭骨高精度CT掃描數據集
                    數據作者李爛、殷亞磊、周長付
                    數據通信作者李爛
                    樣品地質年代現代;CT掃描于2018年。
                    地理區域緬甸陸龜主要分布于馬來半島地區、印度東北部至越南,該掃描標本為北京大學地質博物館收藏,具體地理位置尚不清楚。
                    掃描精度0.035 mm
                    數據量1873.83 MB
                    數據格式*.tiff, *.stl, *.avi
                    數據服務系統網址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00203
                    基金項目山東省泰山學者項目(201812070)
                    數據庫(集)組成數據集由3部分數據組成,其中:(1)Indotestudo1.zip為CT掃描圖片數據,包括1536張tiff格式圖片和一個掃描參數文本文件(.ini),數據量為1.85GB;(2)Indotestudo2.zip是導出的每塊骨骼三維重建后的stl文件(.stl),總共38個stl文件,數據量為842 MB;(3)Indotestudo3.zip是三維重建后的頭骨動畫視頻數據,包括一個視頻數據(.avi),數據量為7.83 MB。
                    Dataset Profile
                    TitleA dataset of μCT scan of the skull of Indotestudo elongata (Reptilia: Testudines)
                    Data corresponding authorLI Lan (lilanpure@163.com)
                    Data authorsLI Lan, YIN Yalei, ZHOU Changfu
                    Time rangeModern; CT scan in 2018
                    Geographical scopeIndotestudo elongata is mainly found in Malay Peninsula and Northeastern India, Vietnam. This scanned specimen is housed in Geological Museum of Peking University, but its geographical scope is unclear.
                    Spatial resolution0.035 mm
                    Data volume1873.83 MB
                    Data format*.tiff, *.stl,*.avi
                    Data service system<http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00203>
                    Source of fundingTaishan Scholar Program of Shandong Province (201812070)
                    Dataset compositionThe dataset consists of 3 subsets. (1) Indotestudo1.zip is made up of 1536 images (.tiff) and a text data (.ini), with a data size of 1.85 GB; (2) Indotestudo2.zip is made up of 38 printable stl files of the three-dimensional model data of each skull bone, with a data size of 842 MB; (3) Indotestudo3.zip is made up of video data (.avi), with a data size of 7.83 MB.
                    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、現生唯一的頭部無顳孔的爬行類?,F生龜鱉類根據頸部的收縮方式,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于晚三疊世[1,2,3 ],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特征認知不足。所以,龜鱉類各類群的形態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)技術在化石和現生生物的形態學研究中得到廣泛應用[4,5,6,7,8 ]。采用CT數據重建的模型同時包含表面形態信息和內部形態信息,比較全面和精細地展示現生和化石生物的形態特征,并在生物的發育和系統學研究中有極大的應用前景。因此,在龜鱉類形態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學信息,從而促進該類群的分支系統學研究。
                    本文描述的現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數據可促進對該屬種形態學特征的了解,補充龜鱉類的形態學數據庫,進而促進龜鱉類的形態學和系統發育學研究。
                    本數據集包括CT掃描圖片數據,根據重構后的頭骨三維數據導出的可用于3D打印的stl文件,根據三維模型制作的視頻。所有數據均上傳到Science Data Bank,供科研人員和公眾下載,本數據可用于龜鱉類的形態學及系統學研究,數據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 ? 數據采集和處理方法
                    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掃描與數據預處理
                    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合開發研制的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,通過調節顯示屏上的參數來獲取視框中最大的樣品圖像,調節旋轉參數確保樣品在360°旋轉過程中都在掃描區域內,然后開始掃描。初始三維數據通過掃描儀自帶軟件生成1536張tiff格式圖像堆棧。工業CT技術系統組成見圖1。


                    圖1 ? 工業CT技術系統組成圖
                    1.3 ? CT數據三維重建
                    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:數據導入。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(Region Of Interest,縮寫為ROI),將每一塊骨骼在所有截面的骨骼區域畫入建立的對應ROI中,在感興趣區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,點擊渲染動畫按鈕保存視頻文件,格式為avi。
                    2 ? 數據樣本描述
                    該標本為現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(圖4)。
                    龜鱉目 Testudines Linnaeus, 1758
                    曲頸龜亞目 Cryptodira Cope, 1868
                    陸龜科 Testudinidae Batsch, 1788
                    緬甸陸龜 Indotestudo elongate Blyth, 1853


                    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


                    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)
                    對緬甸陸龜的頭骨進行高精度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特征,數據下載者也可以將數據集中的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。圖5示例通過掃描揭露的耳區結構特征:三維重建清晰展示了緬甸陸龜的耳柱骨呈棒狀,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 ? 數據質量控制和評估
                    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 ? 數據價值
                    本數據集主要作用是科學研究,借助于高精度斷層掃面技術,對現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,完善該類群的形態學信息,進一步豐富龜鱉類形態矩陣數據,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,讓數據使用者更直觀觀察緬甸陸龜的頭骨特征,同時也減少了骨骼標本的展示次數,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。
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                    數據引用格式
                    李爛, 殷亞磊, 周長付. 緬甸陸龜(爬行綱:龜鱉目)頭骨高精度CT掃描數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-01-14). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00203.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    李爛, 殷亞磊, 周長付. 緬甸陸龜(爬行綱:龜鱉目)頭骨高精度CT掃描數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2021, 6(1). (2021-01-14). DOI: 10.11922/csdata.2021.0007.zh.
                    李爛
                    Li Lan
                    主要承擔工作:實驗規劃和標本掃描,文本撰寫,CT數據的處理。
                    lilanpure@163.com
                    (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學及分支系統學。
                    殷亞磊
                    Yin Yalei
                    主要承擔工作:本文CT數據的三維數據處理。
                    (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。
                    周長付
                    Zhou Changfu
                    主要承擔工作:文本撰寫指導。
                    (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。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2021年1月31日 ( 版本ZH4
                    II區出版時間:2021年3月30日 ( 版本ZH5
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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