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缅甸陆龟(爬行纲:龟鳖目)头骨高精度CT扫描数据集
Dataset of µCT scan of the skull of Indotestudo elongata (Reptilia: Testudinata)
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: 2021 - 01 - 14
: 2021 - 01 - 31
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摘要&关键词
摘要:龟鳖类根据颈部收缩方式分为颈部在垂直平面内弯曲收缩的曲颈龟亚目和颈部在水平平面内收缩的侧颈龟亚目两大类。曲颈龟亚目和侧颈龟亚目的单系性得到了形态学和分子学分支系统学研究的强大支持,且分子定年认为两个支系的分离发生在侏罗纪早期。尽管如此,目前关于龟鳖类内部的谱系关系,特别是曲颈龟类内部谱系关系依然存在分歧,其主要原因之一是龟鳖类的形态特征研究不够详细。所以,对龟鳖类化石和现生类群进行详细的形态学研究对厘清龟鳖类的谱系关系和演化具有重要意义。本文提供一件现生缅甸陆龟(Indotestudo elongata)的头骨标本的高精度CT扫描数据集,包括CT原始图片数据,根据CT数据重建的三维模型导出的stl文件及视频。缅甸陆龟属于曲颈龟亚目陆龟科、印度陆龟属,其头骨CT数据在龟鳖类的形态学数据库中的补充可促进龟鳖类的形态学和系统发育学研究,而基于此重建的三维模型的3D打印模型可应用于教学、科研和科普。
关键词:龟鳖类;形态学;系统发育学;高精度CT扫描;数据
Abstract & Keywords
Abstract: Turtles are divided into two groups, Cryptodira and Pleurodira, according to how they retract their neck into their shells. Monophyly of Cryptodira and Pleurodira is strongly supported by the phylogenetic analyses of turtles based on morphological and molecular data. The molecular dating suggests that those two groups separate from each other in Early Jurassic. However, the interrelationships of the turtles are ambiguous, especially the Cryptodira, which mainly result from the inadequacy knowledge of their morphology. Therefore, the morphological research of both the fossil and extant turtles are 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, 3D printable stl files, animated videos. Indotestudo elongata is identified as a member of Testudinidae,which is a group of Cryptodira. Data for the skull of Indotestudo elongata based on µCT scan will contribute to further studies of turtles regarding their morphology and phylogeny. Three-dimensional virtual models of the skull of Indotestudo elongata can be 3D printed, with broad applications in research, teaching, and public education.
Keywords: Turtles; morphology; phylogenetic analysis; µCT; data
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称缅甸陆龟(爬行纲:龟鳖目)头骨高精度CT扫描数据集
数据作者李烂、殷亚磊、周长付
数据通信作者李烂
样品地质年代现代;CT扫描于2018年。
地理区域缅甸陆龟主要分布于马来半岛地区、印度东北部至越南。该样品具体发现位置不详,标本收藏于北京大学地质博物馆。
扫描精度0.194 mm
数据量1873.83 MB
数据格式*.tiff, *.stl, *.avi
数据服务系统网址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00203
基金项目山东省泰山学者项目(201812070)
数据库(集)组成数据集由3部分数据组成,其中:(1)Indotestudo1.zip为CT扫描图片数据,包括1536张tiff格式图片和一个扫描参数文本文件(.ini),数据量为1.85GB;(2)Indotestudo2.zip是导出的每块骨骼三维重建后的stl文件(.stl),总共38个stl文件,数据量为842 MB;(3)Indotestudo3.zip是三维重建后的头骨动画视频数据,包括一个视频数据(.avi),数据量为7.83 MB。
Dataset Profile
TitleDataset of µCT scan of the skull of Indotestudo elongata (Reptilia: Testudinata)
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 the Malay Peninsula and northeastern India, Vietnam. This scanned specimen was deposited in Geological Museum of Peking University, and its clear geographical scope is unclear.
Spatial resolution0.194 mm
Data volume1873.83 MB
Data format*.tiff, *.stl,*.avi
Data service systemhttp://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 volume 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 volume of 842 MB; (3) Indotestudo3.zip is made up of video data (.avi), with a data volume of 7.83 MB.
引 言
龟鳖类是一类具有背甲和腹甲,且背甲包含肋骨和背椎、肩带位于胸腔内、现生唯一的头部无颞孔的爬行类。现生龟鳖类根据颈部的收缩方式,分为颈部在垂直平面内弯曲收缩的曲颈龟亚目和颈部在水平平面内收缩的侧颈龟亚目两大类。已知最早的龟鳖类化石出现于晚三叠世[1,2,3 ],尽管在地球上已经存在了两亿多年,但龟鳖类在特征演化上具有高度保守性,因此除龟鳖类的起源问题外,龟鳖类内部的分支演化研究也一直是难题,特别是曲颈龟类内部的谱系关系比较混乱。这些争议产生的主要原因是对龟鳖类的形态特征认知不足。所以,龟鳖类各类群的形态学研究对于揭示龟鳖类的特征演化及谱系关系具有重大意义。
近年来,高精度X光断层扫描(英文全称High-resolution X-ray Computed Tomography,简称CT)技术在化石和现生生物的形态学研究中得到广泛应用[4,5,6,7] 。采用CT数据重建的模型同时包含表面形态信息和内部形态信息,比较全面和精细的展示现生和化石生物的形态特征,并在生物的发育和系统学研究中有极大的应用前景。因此,在龟鳖类形态学研究中应用高精度X光断层扫描技术将有利于充分揭示该类群的形态学信息,从而促进该类群的分支系统学研究。
本文描述的现生龟鳖类头骨为缅甸陆龟(Indotestudo elongata),属于曲颈龟亚目陆龟科、印度陆龟属,获取其头骨CT数据可促进对该属种形态学特征的了解,补充龟鳖类的形态学数据库,进而促进龟鳖类的形态学和系统发育学研究。
本数据集包括CT扫描图片数据,根据重构后的头骨三维数据导出的可用于3D打印的stl文件,根据三维模型制作的视频。所有数据均上传到Science Data Bank,供科研人员和公众下载,该数据可用于龟鳖类的形态学及系统学研究中,数据集中的三维模型还可以用于三维打印,打印出来的模型可以运用于关于龟鳖类的科研、教学和科普展览中。
1   数据采集和处理方法
1.1   标本收集与处理
该缅甸陆龟骨骼标本由北京大学地质博物馆收藏,其收藏前已经是骨骼标本。目前,脊椎动物标本制作分四步:1. 剔除肌肉:将现生脊椎动物置于密封的标本瓶中,用乙醚麻醉致死。将其置于解剖盘中,用剪刀和镊子剔除肌肉和皮肤[8]。2. 腐蚀和漂白:将细心剔除肌肉、除去颅腔内容物的干净骨骼用清水冲洗,再用脱脂棉吸去表面水分,浸入0.5–0.8%的过氧化氢中1–3天,即可达到腐蚀残留肌肉和漂白的目的。3. 整形和装架:取出一块泡沫塑料板,将各部分骨骼姿态整理好后放在上面。从中分离出骨骼标本可用于教学、科研和展示,也方便CT扫描。
该标本藏于北京大学地球与空间科学学院地质博物馆。
1.2   CT扫描与数据预处理
标本在中国科学院古脊椎动物与古人类研究所完成扫描,扫描仪器为该单位和中国科学院高能物理研究所联合开发研制的225 kV高精度断层扫描装置。
扫描过程中,将样品以X光能垂直于样品的最长轴照射样品的方向固定在扫描仪的样品台上。设定的电压为80 kV,通过调节显示屏上的参数来获取视框中最大的样品图像,调节旋转参数确保样品在360°旋转过程中都在扫描区域内,然后开始扫描。初始三维数据通过扫描仪自带软件生成1536张tiff格式图像堆栈。工业CT技术系统组成见图1。


图1   工业CT技术系统组成图
1.3   CT数据三维重建
本文使用VG Studio Max 3.0软件对样品进行三维建模(图2)。


图2   利用VG Studio Max 3.0进行样本三维重建的工作界面图
第一步:数据导入。将1536张tiff格式图像堆栈导入软件VG Studio Max 3.0,通过弱化背景和强化骨骼灰度值来清晰显示骨骼,将工程文件保存为vgl格式。
第二步:骨骼分割和三维重建。在软件窗口的右侧导航栏中,针对每一块骨骼新建一个感兴趣区(region of interest,缩写为ROI),将每一块骨骼在所有截面的骨骼区域画入建立的对应ROI中,在感兴趣区绘制骨骼的方式采用画笔中的手动与自动(region growing)工具相结合的方式。
第三步:stl文件和图像导出。选中要导出stl文件的每一块骨骼的ROI,单击右键,选择下拉选项中的转化为网格选项,点击转化按钮,将每一块骨骼的stl文件导出。将三维窗口最大化,将显示的头骨三维模型旋转和移动至想要的位置,选择文件选项卡下的保存图像选项,自定义图像大小,保存3D模型的二维图片。
第四步:视频制作。移动、旋转三维窗口的模型使旋转轴在垂直方向,选择VG Studio Max 3.0软件菜单栏动画选项,点击其下拉框的默认曲线:圆(C)选项,单击该窗口中的圆,如所示选项,然后在弹出的动画对话框中设置播放时间等参数,点击渲染动画按钮保存视频文件,格式为avi。
2   数据样本描述
该标本为现生缅甸陆龟骨骼标本,收藏于北京大学地球与空间科学学院地质博物馆,标本编号为GMPKU-P-3801。本次CT扫描针对该标本的头骨部分。头骨最大长度约39毫米,宽约27毫米。该头骨在处理过程中丢失了两侧鳞骨和颧骨,下颌丢失了关节骨和隅骨。
龟鳖目 Testudinata Klein, 1760 (sensu Joyce, Parham, and Gauthier, 2004)
曲颈龟亚目 Pancryptodira (sensu Joyce, Parham, and Gauthier, 2004)
陆龟科 Testudinidae (Batsch, 1788)
缅甸陆龟 Indotestudo elongate (Blyth, 1853)
对缅甸陆龟的头骨进行高精度扫描识别出了肉眼和显微镜下难以揭露的结构特征,例如耳区:三维重建清晰展示了缅甸陆龟的耳柱骨和龟鳖类独特的耳区结构(图3)。


图3   三维重建的缅甸陆龟标本头骨背视和俯视图(比例尺= 50 mm)
A. 头骨背侧;B. 头骨腹侧
3   数据质量控制和评估
标本每次扫描前会通过分辨率校正卡检测仪器分辨率精度是否达标。由于标本属于现生骨骼标本,各骨骼间的骨缝较易识别,三维重建工作完成度高。本样品扫描精度为194 µm,对标本头骨的单个骨骼均有较好的揭示。
4   数据价值
本数据集主要作用是科学研究,借助于高精度断层扫面技术,对现生缅甸陆龟材料进行三维重建,能够更好揭示该类群的头骨特征,完善该类群的形态学信息,进一步丰富龟鳖类形态矩阵数据,促进对曲颈龟类谱系关系的厘定,从而有利于整个龟鳖类的演化研究。
建立的三维重建模型导出来的stl文件可以进行3D打印,打印出来的模型在科研、教学和科普领域都具有较大的应用价值,让观察者更直观的观察缅甸陆龟的头骨特征,同时也减少了骨骼标本的展示次数,对于标本具有一定的保护意义。
致 谢
感谢中国科学院脊椎动物演化与人类起源重点实验室侯叶茂老师协助进行CT扫描实验,感谢北京大学地球与空间科学学院江大勇老师课题组提供的工作站及软件支持。
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数据引用格式
李烂, 殷亚磊, 周长付. 缅甸陆龟(爬行纲:龟鳖目)头骨高精度CT扫描数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-01-14). DOI: http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00203.
稿件与作者信息
论文引用格式
李烂, 殷亚磊, 周长付. 缅甸陆龟(爬行纲:龟鳖目)头骨高精度CT扫描数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2021. (2021-01-14). DOI: 10.11922/csdata.2021.0007.zh.
李烂
Li Lan
主要承担工作:实验规划和标本扫描,文本撰写,CT数据的处理。
lilanpure@163.com
(1991—),女,湖南省醴陵市人,在读博士,研究方向为中生代龟鳖类形态学及分支系统学。
殷亚磊
Yin Yalei
主要承担工作:本文CT数据的三维数据处理。
(1992—),男,河南省周口市人,在读博士,研究方向为中生代爬行动物的分类与演化。
周长付
Zhou Changfu
主要承担工作:文本撰写指导。
(1979—),男,山东省枣庄市人,博士,教授,研究方向为中生代四足动物化石的分类与演化。
出版历史
I区发布时间:2021年1月31日 ( 版本ZH4
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中国科学数据
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