Frauhofer植物根系结构分析系统

产品介绍

人们在对植物各组织深入进行科研时，遇到了新的疑难问题。人们研究植物种子时，很难在不破坏种子的前提下探索其内部结构的变化。目前上使用的很多研究种子的先进技术大多是利用荧光法研究种子活力或其萌发率，这些方法能够高通量地达到某些研究目的，但始终无法得知种皮内部的结构和动态变化过程。再如，人们研究植物根系时，会遇到很多困难。传统的洗根扫描法确实能够清晰地将根系展现在人们眼前，但却破坏了其原有的状态；微根窗法能够解决原位测量的问题，但却不能探索土壤内部的根系分布；因此如何能够原位观测土壤中的根系变化成了阻挠广大科研工作者的难题。即便是有一种方法能够探测到土壤中的根系变化，那土壤是否会对根系的研究产生干扰？此外，如果人们需要研究植物茎杆，是否存在一种无损的方法探索其内部结构？

为解决这些难题，德国先进研究所推出了专门用于植物研究的CT三维成像系统，可对植物组织、果实、种子及土壤中的根系进行三维成像分析，无需专业的图像处理知识，可获取形态学以及内部性状信息。

原理

CT是用X射线束对物体某部分一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素 (voxel)。

扫描所得信息经计算而获得每个体素的X射线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵。数字/模拟转换器把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素 (pixel)，并按矩阵排列，即构成CT图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素的X射线吸收系数可以通过不同的数学方法算出。

CT的工作程序是这样的：它根据植物不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度较高的仪器对植物进行测量，然后将测量所获取的数据输入计算机，计算机对数据进行处理后，就可摄下检测区域植物组织的断面或立体图像，发现任何部位的细小变化。

植物根系表型计算机断层扫描（CT）成像系统

基于X光的计算机断层扫描技术（CT）广泛应用于科学研究各个领域，如制药、纳米科学、材料科学以及植物科学等领域。得益于X光CT技术，在农业以及植物科研进展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、无损、无干扰测量植物根系统成为可能，也使得植物生长期间对下游复杂机制的研究成为可能。到目前为止，已经采集到大量植物CT扫描数据，但如何有效、对其进行分析，还面临着挑战。科研人员经过对植物根系3D CT断层扫描的有效的统计以及计算方法进行了回顾。基于图像的植物根系分析方法划分如下(1) 根分区切割，例如，（1）将根系与非根背景区分；(2)根系统重建；(3) 提取高层级表型性状。

在设备开发领域，德国Frauhofer研究院毫无疑问处于较高的位置，专门成立的植物表型研究团队开发了系列适用植物科学研究的计算机断层扫描系统，如便携式计算机扫描系统，台式高精度计算机断层扫描系统以及落地式大成像面积计算机断层扫描系统以及高通量根系表型断层扫描系统。

应用领域

实验室植物CT成像系统广泛应用于植物对植物根系、茎杆的内部结构变化的研究。可以无损地探索盆栽中不同植物的根系变化，也可以测量茎杆的3D结构。

主要特点

适用于研究植物根系和茎杆

分析软件自动将盆栽中的土壤和根系分离，屏蔽土壤干扰

设备占地空间小，操作简单

体素50μm

可360度旋转拍摄样品

同步图像采集及3D重建

设备自带X光屏蔽层，有效可靠

可根据样品大小定制化不同系统

技术参数

1. 系统硬件

系统规格

尺寸：1800mm（宽）x 900mm（深）x 1600mm（高）

焦点到检测器的较大距离：850mm

视野范围：11.4 x 14.5 cm

旋转台：n x 360°

成像速度：5min/盆

有效电路(EN)

门和光信号监视系统的双面电路故障有效互锁系统

X-射线检测器:

活动面积：145 x 114 mm

分辨率：约2940 x 2304像素

像素间距：50μm

X-射线源

电子管电压：10-180 kV

包括发电机的整体式光源

环境条件

供电： 230V或380V，50Hz

温度：运行温度10 °C–30 °C，储藏温度0 °C – 50 °C

湿度：运行/储存：10 –85%RH （无结露现象）

环境防护：关键部位涂有额外的保护涂层，以适应比较苛刻的环境（如灰尘）。如有其它特殊防护要求请客户提前做出说明。

辐射屏蔽

测量室环绕铅当量，机柜外辐射较大剂量率300 nSv/h，符合欧洲有效标准。

2. IT硬件

PC技术参数

64 位处理器

8 GB 内存

1 TB 硬盘空间

DVD 刻录

NVIDIA GeForce 9400 GT

Windows 7 (64 位)

视觉/分析/重建 PC的技术参数

64位多核处理器

128G内存

4 TB硬盘空间

DVD刻录

NVIDIA GeForce Titan X

Windows 7 (64 位)

24寸TFT显示器

3. 工作软件

Fraunhofer Volex 6：测量和构建软件

标准3D CT扫描程序供线上线下数据库的构建，自动修正减少环状伪影、预估旋转中心。

软件界面优化、易于使用。

测量分析体积 (3DCT)

体素尺寸50μm，直径< 114 mm，高度＜145 mm

同步图像采集和构建

图像采集完成之后构建数据同步提供

数据分析

重建的体积是在测量后手动的进行分析，分析软件由Fraunhofer VolumePlayer的插件进行，测量结果是被分离的根系系统，客户可以付费增加新的分析。

Fraunhofer VolumePlayer (VP)

应用于2D、3D灰度值图像数据（8-Bit, 16-Bit 和 32-Bit ）的分析和可视化。提供客户需要的结构模块和可扩展模块。提到的标准配置有：

可视化数据层

利用直方图、本地统计、手动图像、灰度值分布、查询表、测量工具等手动图像分析

体积数据作为图像序列生成

视角连接

处理8-bit, 16-bit和浮点值

实时处理3D数据生成三维显示

不同的显示方法

图像叠加，红蓝眼镜可视3D图像

利用CT计算机断层扫描技术对作物根系进行无损的快速表型分析，此项研究有助于克服分割瓶颈，并可被视为向高通量根表型研究迈进了新的一步，从而科学和育种所期望达到的适当样本量。计算机断层扫描(CT)已经成为根系表型检测的有力工具。相比于传统的、破坏性的方法，CT包含了各种优点。在盆栽实验中，同样的个体根的生长和发展会随着时间的推移而变化，此外，可以研究与真实田地土壤基质相互作用的3D根系结构(RSA)的未改变的构型。要将CT较广泛地应用于基础研究或育种程序，通量是较其必要的，但是它受到快速和标准化分割方法提取根结构瓶颈的困扰。使用可用的方法，根系分割在很大程度上可以通过手动完成，因为它需要大量的交互式参数优化和解释，因此需要大量时间。

基于市面上售卖的商业软件，此项实验研究提出了一种比现有分割方法较快，较标准和较通用的协议，特别是用于分析从原位收集的现场样品。就作者目前的研究，他坦言，这是先进个研究开发出的一种全面的分割方法，适用于在原位取样比较大的柱状区域，包含了生长在未受干扰的田地土壤中多个植物，不一定连接的根系样本。

图为分割协议的步骤

草-豆科混合物样品的原始X射线CT体积，显示出根，充气孔和土壤(a)。步骤一：土壤的先进表面测定。土壤团聚体周围的表面显示为蓝色线(b)。步骤二：扩大感兴趣区域(ROI)，这里为1个体素，以添加混合体素。膨胀表面的轮廓显示为亮蓝色线(c)。步骤三：从包含整个体积的ROI中减去扩大的ROI。只有根和孔保留在所得体积(d)中。步骤四：检测根表面(如蓝线所示)(e)。步骤五：将包含根和剩余噪声(f)的体积导出到MatLab中并在其中过滤。将所得的仅含根的过滤体积显示在(g)中。直方图中显示的空气，混合体素，根和矿物的灰度值的峰值未完全分离(h)。

对来自若干进行原位取样的作物的根系，用所提出的方法测定的CT体积与洗涤过的根样品的根干重进行比较，发现高显着度(P<0.01)和强相关性(R^2=0.84)，证明了提出的方法在田地研究中的价值。在分割之后，已经使用了用于测量根厚度分布的方法。根厚度是各种生理研究问题的核心RSA性状，例如在压实土壤中或在缺氧土壤条件下根的生长，但是由于缺乏可用的协议，就算在如今的高通量表型研究中也难以评估。

而结合此项研究提出的协议，运用指定的软件，将为作物表型分析领域中以后将要进行的大量研究带来显著的进展。

Frauhofer开发的商业化植物表型研究CT断层扫描系统走在前列，其CT断层扫描系统包括便携式计算机断层扫描系统、台式高精度CT断层扫描系统、落地式CT断层扫描系统以及高通量植物根系断层扫描系统。北京博普特科技有限公司是Frauhofer研究院系统断层扫描系统中国区总代理，全面负责其系列产品在中国的市场推广、销售和售后服务。