產(chǎn)品介紹

人們?cè)趯?duì)植物各組織深入進(jìn)行科研時(shí)，遇到了新的疑難問(wèn)題。人們研究植物種子時(shí)，很難在不破壞種子的前提下探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。目前上使用的很多研究種子的*技術(shù)大多是利用熒光法研究種子活力或其萌發(fā)率，這些方法能夠高通量地達(dá)到某些研究目的，但始終無(wú)法得知種皮內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。再如，人們研究植物根系時(shí)，會(huì)遇到很多困難。傳統(tǒng)的洗根掃描法確實(shí)能夠清晰地將根系展現(xiàn)在人們眼前，但卻破壞了其原有的狀態(tài)；微根窗法能夠解決原位測(cè)量的問(wèn)題，但卻不能探索土壤內(nèi)部的根系分布；因此如何能夠原位觀測(cè)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(cè)到土壤中的根系變化，那土壤是否會(huì)對(duì)根系的研究產(chǎn)生干擾？此外，如果人們需要研究植物莖桿，是否存在一種無(wú)損的方法探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)？

為解決這些難題，德國(guó)*研究所推出了專門用于植物研究的CT三維成像系統(tǒng)，可對(duì)植物組織、果實(shí)、種子及土壤中的根系進(jìn)行三維成像分析，無(wú)需專業(yè)的圖像處理知識(shí)，可獲取形態(tài)學(xué)以及內(nèi)部性狀信息。

原理

CT是用X射線束對(duì)物體某部分一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測(cè)器接收透過(guò)該層面的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計(jì)算機(jī)處理。圖像形成的處理有如對(duì)選定層面分成若干個(gè)體積相同的長(zhǎng)方體，稱之為體素 (voxel)。

掃描所得信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的X射線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)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(gòu)成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個(gè)體素的X射線吸收系數(shù)可以通過(guò)不同的數(shù)學(xué)方法算出。

CT的工作程序是這樣的：它根據(jù)植物不同組織對(duì)X線的吸收與透過(guò)率的不同，應(yīng)用靈敏度較高的儀器對(duì)植物進(jìn)行測(cè)量，然后將測(cè)量所獲取的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可攝下檢測(cè)區(qū)域植物組織的斷面或立體圖像，發(fā)現(xiàn)任何部位的細(xì)小變化。

植物根系表型計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）成像系統(tǒng)

基于X光的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域，如制藥、納米科學(xué)、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù)，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無(wú)損、無(wú)干擾測(cè)量植物根系統(tǒng)成為可能，也使得植物生*間對(duì)下游復(fù)雜機(jī)制的研究成為可能。到目前為止，已經(jīng)采集到大量植物CT掃描數(shù)據(jù)，但如何有效、對(duì)其進(jìn)行分析，還面臨著挑戰(zhàn)。科研人員經(jīng)過(guò)對(duì)植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算方法進(jìn)行了回顧?；趫D像的植物根系分析方法劃分如下(1) 根分區(qū)切割，例如，（1）將根系與非根背景區(qū)分；(2)根系統(tǒng)重建；(3) 提取高層級(jí)表型性狀。

在設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，德國(guó)Frauhofer研究院毫無(wú)疑問(wèn)處于較高的位置，專門成立的植物表型研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)，如便攜式計(jì)算機(jī)掃描系統(tǒng)，臺(tái)式高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及高通量根系表型斷層掃描系統(tǒng)。

應(yīng)用領(lǐng)域

實(shí)驗(yàn)室植物CT成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于植物對(duì)植物根系、莖桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的研究?？梢詿o(wú)損地探索盆栽中不同植物的根系變化，也可以測(cè)量莖桿的3D結(jié)構(gòu)。

主要特點(diǎn)

適用于研究植物根系和莖桿

分析軟件自動(dòng)將盆栽中的土壤和根系分離，屏蔽土壤干擾

設(shè)備占地空間小，操作簡(jiǎn)單

體素50µm

可360度旋轉(zhuǎn)拍攝樣品

同步圖像采集及3D重建

設(shè)備自帶X光屏蔽層，有效可靠

可根據(jù)樣品大小定制化不同系統(tǒng)

技術(shù)參數(shù)

1. 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)規(guī)格

尺寸：1800mm（寬）x 900mm（深）x 1600mm（高）

焦點(diǎn)到檢測(cè)器的較大距離：850mm

視野范圍：11.4 x 14.5 cm

旋轉(zhuǎn)臺(tái)：n x 360°

成像速度：5min/盆

有效電路(EN)

門和光信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)的雙面電路故障有效互鎖系統(tǒng)

X-射線檢測(cè)器:

活動(dòng)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(fā)電機(jī)的整體式光源

環(huán)境條件

供電： 230V或380V，50Hz

溫度：運(yùn)行溫度10 °C–30 °C，儲(chǔ)藏溫度0 °C – 50 °C

濕度：運(yùn)行/儲(chǔ)存：10 –85%RH （無(wú)結(jié)露現(xiàn)象）

環(huán)境防護(hù)：關(guān)鍵部位涂有額外的保護(hù)涂層，以適應(yīng)比較苛刻的環(huán)境（如灰塵）。如有其它特殊防護(hù)要求請(qǐng)客戶提前做出說(shuō)明。

輻射屏蔽

測(cè)量室環(huán)繞鉛當(dāng)量，機(jī)柜外輻射較大劑量率300 nSv/h，符合歐洲有效標(biāo)準(zhǔn)。

2. IT硬件

PC技術(shù)參數(shù)

64 位處理器

8 GB 內(nèi)存

1 TB 硬盤空間

DVD 刻錄

NVIDIA GeForce 9400 GT

Windows 7 (64 位)

視覺(jué)/分析/重建 PC的技術(shù)參數(shù)

64位多核處理器

128G內(nèi)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(cè)量和構(gòu)建軟件

標(biāo)準(zhǔn)3D CT掃描程序供線上線下數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，自動(dòng)修正減少環(huán)狀偽影、預(yù)估旋轉(zhuǎn)中心。

軟件界面優(yōu)化、易于使用。

測(cè)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(gòu)建

圖像采集完成之后構(gòu)建數(shù)據(jù)同步提供

數(shù)據(jù)分析

重建的體積是在測(cè)量后手動(dòng)的進(jìn)行分析，分析軟件由Fraunhofer VolumePlayer的插件進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果是被分離的根系系統(tǒng)，客戶可以付費(fèi)增加新的分析。

Fraunhofer VolumePlayer (VP)

應(yīng)用于2D、3D灰度值圖像數(shù)據(jù)（8-Bit, 16-Bit 和 32-Bit ）的分析和可視化。提供客戶需要的結(jié)構(gòu)模塊和可擴(kuò)展模塊。提到的標(biāo)準(zhǔn)配置有：

可視化數(shù)據(jù)層

利用直方圖、本地統(tǒng)計(jì)、手動(dòng)圖像、灰度值分布、查詢表、測(cè)量工具等手動(dòng)圖像分析

體積數(shù)據(jù)作為圖像序列生成

視角連接

處理8-bit, 16-bit和浮點(diǎn)值

實(shí)時(shí)處理3D數(shù)據(jù)生成三維顯示

不同的顯示方法

圖像疊加，紅藍(lán)眼鏡可視3D圖像

利用CT計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)作物根系進(jìn)行無(wú)損的快速表型分析，此項(xiàng)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(jìn)了新的一步，從而科學(xué)和育種所期望達(dá)到的適當(dāng)樣本量。計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)已經(jīng)成為根系表型檢測(cè)的有力工具。相比于傳統(tǒng)的、破壞性的方法，CT包含了各種優(yōu)點(diǎn)。在盆栽實(shí)驗(yàn)中，同樣的個(gè)體根的生長(zhǎng)和發(fā)展會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，此外，可以研究與真實(shí)田地土壤基質(zhì)相互作用的3D根系結(jié)構(gòu)(RSA)的未改變的構(gòu)型。要將CT較廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)研究或育種程序，通量是較其必要的，但是它受到快速和標(biāo)準(zhǔn)化分割方法提取根結(jié)構(gòu)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(guò)手動(dòng)完成，因?yàn)樗枰罅康慕换ナ絽?shù)優(yōu)化和解釋，因此需要大量時(shí)間。

基于市面上售賣的商業(yè)軟件，此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究提出了一種比現(xiàn)有分割方法較快，較標(biāo)準(zhǔn)和較通用的協(xié)議，特別是用于分析從原位收集的現(xiàn)場(chǎng)樣品。就作者目前的研究，他坦言，這是*個(gè)研究開發(fā)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(qū)域，包含了生長(zhǎng)在未受干擾的田地土壤中多個(gè)植物，不一定連接的根系樣本。

圖為分割協(xié)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(cè)定。土壤團(tuán)聚體周圍的表面顯示為藍(lán)色線(b)。步驟二：擴(kuò)大感興趣區(qū)域(ROI)，這里為1個(gè)體素，以添加混合體素。膨脹表面的輪廓顯示為亮藍(lán)色線(c)。步驟三：從包含整個(gè)體積的ROI中減去擴(kuò)大的ROI。只有根和孔保留在所得體積(d)中。步驟四：檢測(cè)根表面(如藍(lán)線所示)(e)。步驟五：將包含根和剩余噪聲(f)的體積導(dǎo)出到MatLab中并在其中過(guò)濾。將所得的僅含根的過(guò)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(duì)來(lái)自若干進(jìn)行原位取樣的作物的根系，用所提出的方法測(cè)定的CT體積與洗滌過(guò)的根樣品的根干重進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)高顯著度(P<0.01)和強(qiáng)相關(guān)性(R^2=0.84)，證明了提出的方法在田地研究中的價(jià)值。在分割之后，已經(jīng)使用了用于測(cè)量根厚度分布的方法。根厚度是各種生理研究問(wèn)題的核心RSA性狀，例如在壓實(shí)土壤中或在缺氧土壤條件下根的生長(zhǎng)，但是由于缺乏可用的協(xié)議，就算在如今的高通量表型研究中也難以評(píng)估。

而結(jié)合此項(xiàng)研究提出的協(xié)議，運(yùn)用的軟件，將為作物表型分析領(lǐng)域中以后將要進(jìn)行的大量研究帶來(lái)顯著的進(jìn)展。

Frauhofer開發(fā)的商業(yè)化植物表型研究CT斷層掃描系統(tǒng)走在前列，其CT斷層掃描系統(tǒng)包括便攜式計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)、臺(tái)式高精度CT斷層掃描系統(tǒng)、落地式CT斷層掃描系統(tǒng)以及高通量植物根系斷層掃描系統(tǒng)。北京博普特科技有限公司是Frauhofer研究院系統(tǒng)斷層掃描系統(tǒng)中國(guó)區(qū)總代理，全面負(fù)責(zé)其系列產(chǎn)品在中國(guó)的市場(chǎng)推廣、銷售和售后服務(wù)。