高通量植物根系表型断层扫描系统TuberCT

植物根系的表型研究非常困难。过去曾采用微根窗法、采样洗涤扫描法、琼脂培养原位观察法、X光单向扫描法等来测量根系的表型。微根窗法能够在土壤中原位测量，但只能观察根窗表面的根；采样洗涤扫描法属于破坏性测量，不能连续观测，且采样会破坏根系在自然界的形态；琼脂培养原位观察法可以很好的看到培养在透明琼脂中的根，但只适用于小型植物，且不是在自然土壤中测量；X光单向扫描法要求根系生长在特殊的泡沫塑料介质中，不能测量土壤中的根系，且介质厚度不能超过10 cm。

为解决上述问题，德国研究人员专为生长的花盆内部自然土壤中的植物根系表型研究设计了一款计算机断层扫描系统，即CT系统。该系统叫做TuberCT，是传送型高通量植物表型平台的重要组成部分。

功能特性

• 专为植物表型研究设计的CT系统

• 研究直径20 cm 高度20 cm花盆内的根系表型

• 与高通量植物表型平台集成在一起使用

• 对花盆进行360度旋转断层扫描（CT）

• 扫描结束后自动完成3D重建

应用领域

直径200 um以上根系的高通量CT测量。

基本原理

CT是用X线束从多个方向对受检物体具有一定厚度的层面进行扫描，由探测器而不用胶片接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输人计算机处理。图像处理时将选定层面分成若干个体积相同的立方体，称之为体素（voxel）。扫描所得数据经计算而获得每个体素的X线衰减系数或称吸收系数，再排列成矩阵，即构成数字矩阵。数字矩阵中的每个数字经数字/模拟转换器转为由黑到白不等灰度的小方块，称之为像素（pixel），并按原有矩阵顺序排列，即构成CT图像。所以，CT图像是由一定数目像素组成的灰阶图像，是数字图像，是重建的断层图像。每个体素X线吸收系数可通过不同的数学方法算出。

高通量植物根系CT表型测量过程

上图：从左至右，植物被自动传送进入TuberCT进行测量

下图：从上至下，植物被传送到TuberCT内部后，对植物进行360度旋转CT扫描的过程

主要技术参数

1 硬件

X-射线舱以及操纵系统

• 尺寸：不包括外围设备约5 m x 1.5 m x 2.5 m（高压供电及控制箱需要额外1.5 m x 1 m）

• 焦点到检测器的最大距离：850 mm

• 焦点到被测物的距离：740 mm

• 视野面积：20 x 20 cm（即花盆直径最大20 cm，花盆高度最大20 cm）

• 安全防护：硬件互锁，一旦门被打开射线发射器马上停止工作

• 高通量测量：X-射线检测器以及X-射线管安装在传送带系统上，可以360°循环旋转测量

• 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。

• 成像速度：为5 min/盆

 运行环境要求

• 温度：运行温度10℃ – 30℃；储藏温度 0℃ – 50℃

• 湿度：运行/储藏 10-85%RH（无冷凝水）

• 电压：230 V或380V，@50 Hz

X-射线检测器

• 有效面积：200 x 200 mm

• 像素间距：100 μm

• 分辨率约为 2000 x 2000 像素

X-射线管

• 电压：10-225 kV

• 功率：800 W（光管焦斑尺寸为400 μm） 或 1800 W（光管焦斑尺寸为1 mm）

• 高压供电：配备有高压电源（电流16 A ）

2 测量以及重建软件

X-射线数据采集的性能特征

通过同一个软件界面集成控制不同的硬件如X-射线管、操作台、检测器等。这样不需要任何软件改编就能控制不同厂家的硬件。基于这个理念，如果确有需要，可以很轻松的更换硬件而不需要更改软件。

基于VastVolumeInspection模块的模型重建的性能特点

重建模块能提供许多种可能的最优方案，还能灵活的运用三维数据进行计算：

• 最佳优化的实施重建算法，在测量进行中可以进行三维数据的计算

• 对时间要求严格的应用的重建可以在一个集群上进行：一个灵活的执行重建的网络可以最高效的利用可用的电脑性能，即使是在数据量很大的情况下

• 能在脱机情况下对已获取的数据进行重建，从而可以根据要求更改重建参数

• 基于开放的数据格式分析，用户可以直接的对已经测量的投影数据进行可视化处理

运用VolumePlayerPlus对数据和结果进行可视化

VolumePlayerPlus程序是用来分析和可视化2D、3D灰度图像数据的。它是由模块化的组件构成，可以灵活的拓展。 

3 工作电脑

测量电脑的技术参数

    工业内置电脑嵌入系统中：

• 64位多核处理器

• 4 GB内存

• 1 TB硬盘

• DVD 刻录机

• NVIDIA GeForce 9400 GT显卡

• Windows 7 (32位) 操作系统

重建电脑的技术参数

基于4 GPU的重建电脑具有如下的技术参数：

• 64位多核处理器

• 16 GB内存

• 1 TB 硬盘

• NVIDIA GeForce Titan X显卡

• Windows 7 (64位) 操作系统

• 22’ TFT显示器

分析/可视化处理电脑的技术参数

远程操作用的外置分析/可视化处理电脑

• 64位多核处理器

• 96 GB内存

• 4 TB 硬盘

• DVD 刻录机

• NVIDIA GeForce GTX 960显卡

• Windows 7 (64位) 操作系统

• 24’ TFT显示器

产地：欧洲