Frauhofer植物根系表型計算機斷層掃描（CT）成像系統

產品介紹

人們在對植物各組織深入進行科研時，遇到了新的疑難問題。人們研究植物種子時，很難在不破壞種子的前提下探索其內部結構的變化。目前上使用的很多研究種子的*技術大多是利用熒光法研究種子活力或其萌發率，這些方法能夠高通量地達到某些研究目的，但始終無法得知種皮內部的結構和動態變化過程。再如，人們研究植物根系時，會遇到很多困難。傳統的洗根掃描法確實能夠清晰地將根系展現在人們眼前，但卻破壞了其原有的狀態；微根窗法能夠解決原位測量的問題，但卻不能探索土壤內部的根系分布；因此如何能夠原位觀測土壤中的根系變化成了阻撓廣大科研工作者的難題。即便是有一種方法能夠探測到土壤中的根系變化，那土壤是否會對根系的研究產生干擾？此外，如果人們需要研究植物莖桿，是否存在一種無損的方法探索其內部結構？

為解決這些難題，德國*研究所推出了專門用于植物研究的CT三維成像系統，可對植物組織、果實、種子及土壤中的根系進行三維成像分析，無需專業的圖像處理知識，可獲取形態學以及內部性狀信息。

原理

CT是用X射線束對物體某部分一定厚度的層面進行掃描，由探測器接收透過該層面的X射線，轉變為可見光后，由光電轉換變為電信號，再經模擬/數字轉換器轉為數字，輸入計算機處理。圖像形成的處理有如對選定層面分成若干個體積相同的長方體，稱之為體素 (voxel)。

掃描所得信息經計算而獲得每個體素的X射線衰減系數或吸收系數，再排列成矩陣，即數字矩陣。數字/模擬轉換器把數字矩陣中的每個數字轉為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素 (pixel)，并按矩陣排列，即構成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個體素的X射線吸收系數可以通過不同的數學方法算出。

CT的工作程序是這樣的：它根據植物不同組織對X線的吸收與透過率的不同，應用靈敏度較高的儀器對植物進行測量，然后將測量所獲取的數據輸入計算機，計算機對數據進行處理后，就可攝下檢測區域植物組織的斷面或立體圖像，發現任何部位的細小變化。

植物根系表型計算機斷層掃描（CT）成像系統

基于X光的計算機斷層掃描技術（CT）廣泛應用于科學研究各個領域，如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術，在農業以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統成為可能，也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能。到目前為止，已經采集到大量植物CT掃描數據，但如何有效、對其進行分析，還面臨著挑戰。科研人員經過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統計以及計算方法進行了回顧。基于圖像的植物根系分析方法劃分如下(1) 根分區切割，例如，（1）將根系與非根背景區分；(2)根系統重建；(3) 提取高層級表型性狀。

在設備開發領域，德國Frauhofer研究院毫無疑問處于較高的位置，專門成立的植物表型研究團隊開發了系列適用植物科學研究的計算機斷層掃描系統，如便攜式計算機掃描系統，臺式高精度計算機斷層掃描系統以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統以及高通量根系表型斷層掃描系統。

應用領域

實驗室植物CT成像系統廣泛應用于植物對植物根系、莖桿的內部結構變化的研究。可以無損地探索盆栽中不同植物的根系變化，也可以測量莖桿的3D結構。

主要特點

適用于研究植物根系和莖桿

分析軟件自動將盆栽中的土壤和根系分離，屏蔽土壤干擾

設備占地空間小，操作簡單

體素50µm

可360度旋轉拍攝樣品

同步圖像采集及3D重建

設備自帶X光屏蔽層，有效可靠

可根據樣品大小定制化不同系統

技術參數

1. 系統硬件

系統規格

尺寸：1800mm（寬）x 900mm（深）x 1600mm（高）

焦點到檢測器的較大距離：850mm

視野范圍：11.4 x 14.5 cm

旋轉臺：n x 360°

成像速度：5min/盆

有效電路(EN)

門和光信號監視系統的雙面電路故障有效互鎖系統

X-射線檢測器:

活動面積：145 x 114 mm

分辨率：約2940 x 2304像素

像素間距：50μm

X-射線源

電子管電壓：10-180 kV

包括發電機的整體式光源

環境條件

供電： 230V或380V，50Hz

溫度：運行溫度10 °C–30 °C，儲藏溫度0 °C – 50 °C

濕度：運行/儲存：10 –85%RH （無結露現象）

環境防護：關鍵部位涂有額外的保護涂層，以適應比較苛刻的環境（如灰塵）。如有其它特殊防護要求請客戶提前做出說明。

輻射屏蔽

測量室環繞鉛當量，機柜外輻射較大劑量率300 nSv/h，符合歐洲有效標準。

2. IT硬件

PC技術參數

64 位處理器

8 GB 內存

1 TB 硬盤空間

DVD 刻錄

NVIDIA GeForce 9400 GT

Windows 7 (64 位)

視覺/分析/重建 PC的技術參數

64位多核處理器

128G內存

4 TB硬盤空間

DVD刻錄

NVIDIA GeForce Titan X

Windows 7 (64 位)

24寸TFT顯示器

3. 工作軟件

Fraunhofer Volex 6：測量和構建軟件

標準3D CT掃描程序供線上線下數據庫的構建，自動修正減少環狀偽影、預估旋轉中心。

軟件界面優化、易于使用。

測量分析體積 (3DCT)

體素尺寸50μm，直徑< 114 mm，高度＜145 mm

同步圖像采集和構建

圖像采集完成之后構建數據同步提供

數據分析

重建的體積是在測量后手動的進行分析，分析軟件由Fraunhofer VolumePlayer的插件進行，測量結果是被分離的根系系統，客戶可以付費增加新的分析。

Fraunhofer VolumePlayer (VP)

應用于2D、3D灰度值圖像數據（8-Bit, 16-Bit 和 32-Bit ）的分析和可視化。提供客戶需要的結構模塊和可擴展模塊。提到的標準配置有：

可視化數據層

利用直方圖、本地統計、手動圖像、灰度值分布、查詢表、測量工具等手動圖像分析

體積數據作為圖像序列生成

視角連接

處理8-bit, 16-bit和浮點值

實時處理3D數據生成三維顯示

不同的顯示方法

圖像疊加，紅藍眼鏡可視3D圖像

利用CT計算機斷層掃描技術對作物根系進行無損的快速表型分析，此項研究有助于克服分割瓶頸，并可被視為向高通量根表型研究邁進了新的一步，從而科學和育種所期望達到的適當樣本量。計算機斷層掃描(CT)已經成為根系表型檢測的有力工具。相比于傳統的、破壞性的方法，CT包含了各種優點。在盆栽實驗中，同樣的個體根的生長和發展會隨著時間的推移而變化，此外，可以研究與真實田地土壤基質相互作用的3D根系結構(RSA)的未改變的構型。要將CT較廣泛地應用于基礎研究或育種程序，通量是較其必要的，但是它受到快速和標準化分割方法提取根結構瓶頸的困擾。使用可用的方法，根系分割在很大程度上可以通過手動完成，因為它需要大量的交互式參數優化和解釋，因此需要大量時間。

基于市面上售賣的商業軟件，此項實驗研究提出了一種比現有分割方法較快，較標準和較通用的協議，特別是用于分析從原位收集的現場樣品。就作者目前的研究，他坦言，這是*個研究開發出的一種全面的分割方法，適用于在原位取樣比較大的柱狀區域，包含了生長在未受干擾的田地土壤中多個植物，不一定連接的根系樣本。

圖為分割協議的步驟

草-豆科混合物樣品的原始X射線CT體積，顯示出根，充氣孔和土壤(a)。步驟一：土壤的*表面測定。土壤團聚體周圍的表面顯示為藍色線(b)。步驟二：擴大感興趣區域(ROI)，這里為1個體素，以添加混合體素。膨脹表面的輪廓顯示為亮藍色線(c)。步驟三：從包含整個體積的ROI中減去擴大的ROI。只有根和孔保留在所得體積(d)中。步驟四：檢測根表面(如藍線所示)(e)。步驟五：將包含根和剩余噪聲(f)的體積導出到MatLab中并在其中過濾。將所得的僅含根的過濾體積顯示在(g)中。直方圖中顯示的空氣，混合體素，根和礦物的灰度值的峰值未分離(h)。

對來自若干進行原位取樣的作物的根系，用所提出的方法測定的CT體積與洗滌過的根樣品的根干重進行比較，發現高顯著度(P<0.01)和強相關性(R^2=0.84)，證明了提出的方法在田地研究中的價值。在分割之后，已經使用了用于測量根厚度分布的方法。根厚度是各種生理研究問題的核心RSA性狀，例如在壓實土壤中或在缺氧土壤條件下根的生長，但是由于缺乏可用的協議，就算在如今的高通量表型研究中也難以評估。

而結合此項研究提出的協議，運用的軟件，將為作物表型分析領域中以后將要進行的大量研究帶來顯著的進展。

Frauhofer開發的商業化植物表型研究CT斷層掃描系統走在前列，其CT斷層掃描系統包括便攜式計算機斷層掃描系統、臺式高精度CT斷層掃描系統、落地式CT斷層掃描系統以及高通量植物根系斷層掃描系統。北京博普特科技有限公司是Frauhofer研究院系統斷層掃描系統中國區總代理，全面負責其系列產品在中國的市場推廣、銷售和售后服務。