استخراج المقاييس لأنظمة جذر ثلاثي الأبعاد: حجم والسطحية تحليل من في التربة الأشعة السينية بالكمبيوتر بيانات التصوير المقطعي

الهدف العام من هذا الإجراء هو استخراج المعلومات الكمية عن جذور النباتات من بيانات التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية داخل التربة. يمكن أن تساعد طريقة التحقيق في بنية جذر النباتات الحية في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال علم الأحياء ، مثل كيفية استجابة النباتات للظروف البيئية المتغيرة مثل الجفاف والأنشطة الميكروبية وما إلى ذلك. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها غير غازية ، وبالتالي فهي تسمح لنا بدراسة النباتات في بيئتها الأصلية ، التربة.

العرض المرئي لهذه الطريقة ذا قيمة ، حيث يتضمن الإجراء العديد من الخطوات ، بما في ذلك التصوير المقطعي وإعادة بناء البيانات والتحليل ، والتي قد تكون غامضة بدون مساعدة بصرية. للبدء ، ضع نباتا محفوظا بوعاء على مناور العينة لماسح التصوير المقطعي بالأشعة السينية على مسافة مطلوبة لتكبير الهدف. بالنسبة للنبات الذي يبلغ قطره بوصتين ، اضبط عينة على مسافة مصدر تبلغ حوالي ثلاث بوصات.

في برنامج التحكم في الجهاز ، اضبط إعدادات طاقة الأشعة السينية على 85 كيلو فولت و 190 ميكروأمبير. بعد ذلك ، اضبط وقت التعرض على ثانية واحدة للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل. اضبط عدد الإسقاطات على 3 ، 142 وعدد الإطارات لكل إسقاط إلى أربعة للحصول على إحصائيات بيانات جيدة.

باستخدام معلمات المسح التي تم تعيينها للتو ، حدد علامة التبويب تصحيح التظليل. ثم انقر فوق جديد "وقم بتسمية ملف تصحيح التظليل. ثم انقر فوق "تقديم" لتأكيد الشروط الجديدة.

بعد ذلك ، انقر فوق "إنشاء" وانقر فوق "موافق" لاستخدام صورتين مرجعيتين. ثم انقر فوق إنشاء. بعد ذلك، عندما تظهر نافذة التحذير المنبثقة، قم بإزالة العينة فعليا من مسار الشعاع قبل النقر فوق موافق. سيتم الآن تشغيل تصحيح التظليل.

الآن ، انقر فوق علامة التبويب اكتساب. قم بتسمية ملف البيانات ، ثم حدد لا شيء "لمرشح الأشعة السينية". تأكد من تحديد خانة الاختيار Minimise ring artefacts"بحيث يتم تدوير العينة بخطوات زاوية أثناء الحصول على صور العرض.

أخيرا ، ابدأ الفحص بالنقر فوق الزر "اكتساب". بعد الحصول على البيانات الأولية ، قم بتحميلها في برنامج إعادة البناء. قارن بين الصور الأولى والأخيرة بالنقر فوق وميض "للتأكد من أن العينة لم تتحرك أو لم تتغير إعدادات المسح أثناء الحصول على البيانات.

احسب مركز الدوران ، أو COR ، عن طريق تحديد علامة التبويب مركز الدوران واستخدام الخيارات التلقائي "العثور على COR بجودة عالية" الدقة والاختيار المزدوج للشريحة لحساب COR. ثم انقر فوق "ابدأ" لإجراء العملية الحسابية. بعد العثور على COR ، انقر فوق علامة التبويب وحدة التخزين "لتحديد العينة المراد إعادة إنشائها.

استخدم الصور المصغرة لتحرير نوافذ تحديد وحدة الصوت. ثم انقر فوق "ابدأ" لإجراء إعادة بناء لإنشاء ملف وحدة التخزين التي تحتوي على بيانات ثلاثية الأبعاد. لإعداد مكدس صور قابل للمعالجة RooTrak، قم بتحميل ملف وحدة التخزين في ImageJ بالنقر فوق ملف، استيراد، خام، ثم تحديد ملف وحدة التخزين.

لتحسين تباين الصورة بين الجذر والتربة ، انقر فوق علامة التبويب صورة"، ثم اختر ضبط السطوع / التباين" وحدد تلقائي. عندما تكون منطقة الاهتمام مرئية بشكل واضح، تعتبر الإعدادات محسنة. احفظ الصور كحزمة صور بتنسيق JPEG أو BMP أو PNG بالنقر فوق حفظ باسم" واختيار تسلسل الصورة.

للمعالجة في RooTrak لتقسيم الجذر ، حدد علامة التبويب "أدوات" واختر Tracker. ثم انقر نقرا مزدوجا فوق منطقة الإدخال الأبيض في مربع الحوار لتحميل مكدس صور. بعد تحميل الصور ، اختر علامة التبويب Tracker "وقم بتعيين نقاط البذور داخل الجذر بالنقر فوق عدة نقاط داخل كل قسم من أقسام الجذر ذات الصلة المرئية في شريحة العرض العلوية لبيانات وحدة التخزين.

اضبط نعومة معلمة التعقب على 0.3 والتشابه على 0.8. انقر فوق الحقل الموجود أسفل دليل الإخراج "لاختيار مجلد ملف. ثم انقر فوق تحديد مجلد"، وانقر فوق ابدأ.

سيتم بعد ذلك تشغيل وظيفة التتبع. سيتبع هذا الجذر من شريحة الصورة العلوية وصولا إلى الشريحة السفلية. بعد فتح بيانات وحدة التخزين وعرضها ، حدد عدد الشرائح وفقا لحجم البيانات القابل للاستخدام.

في المثال الموضح هنا ، تم إيقاف التتبع عند 200 شريحة ، أي ما يعادل عمق 6.2 ملم ، حيث أصبحت حدود الجذر غير محددة. لإجراء تحليل الحجم والسطح في ImageJ ، قم بتحويل مكدس الصور من RooTrak إلى تنسيق صورة ثنائية عن طريق تحديد عملية ، ثنائي ، ثم Make Binary. استخدم المكون الإضافي ImageJ مفتوح المصدر ، BoneJ ، لإنشاء الشبكة المثلثة عن طريق تحديد Plugins و BoneJ ثم Isosurface.

في نافذة الخيارات التي تفتح ، قم بتعيين إعادة التشكيل "و العتبة" إلى ستة و 120 ، على التوالي. ثم تحقق من إظهار السطح "واضغط على الزر موافق". في عارض 3D الذي يفتح ، انقر فوق علامة التبويب ملف.

ثم انقر فوق تصدير الأسطح "وحفظ كثنائي STL. أخيرا ، افتح IMESHJ. قم بتحميل ملف STL بالنقر فوق تحديد ملف STL"وأدخل حجم فوكسل بالميكرون.

انقر فوق Enter Voxel Size "وأدخل 31 ميكرون ، ثم انقر فوق موافق" مرتين. انقر فوق حساب مساحة السطح"للحصول على إجمالي مساحة سطح جذر العينة بالمليمترات المربعة. ثم انقر فوق حساب الحجم"للحصول على إجمالي حجم جذر العينة بالمليمترات المكعبة.

هنا العينة ، التي تتكون من ساقين من بذور البراري العشبية الأصلية ، Sporobolus heterolepis ، والتربة الأصلية المحيطة بها. كان حجم Voxel للبيانات المعاد بناؤها التي تم إنشاؤها حوالي 31 ميكرون مكعب. بعد إنشاء كومة من الصور وزيادة التباين بين الجذور والتربة ، أظهرت البيانات المعاد بناؤها أن الجذر وبعض مكونات التربة لها عوامل توهين متشابهة جدا بالأشعة السينية ، مما يؤدي إلى تباين ضئيل أو معدوم في الصور.

يوضح هذا الشكل نقطة تأسيس تمثيلية تم تحديدها داخل قسم جذر ذي صلة مرئي في الشريحة العلوية من بيانات وحدة التخزين. باستخدام معلمات RooTrak الموضحة في هذا الفيديو ، نجحت RooTrak في تقسيم ما يقرب من 200 شريحة مختارة من بيانات الحجم ، والتي كانت تعادل عمق 6.2 ملم. يتم أيضا توضيح تجزئة الجذر في هذه الرسوم المتحركة.

هنا ، تم استخدام ImageJ لإنشاء سطح متساوي لشبكة مثلثة لحجم 3D من البيانات التي تنتجها RooTrak. أنتجت الإعدادات الافتراضية المستخدمة سطحا متساويا مفصلا بطريقة سريعة نسبيا. أخيرا ، باستخدام IMESHJ ، تم حساب مساحة السطح على أنها 351.87 ملم مربع ، وكان الحجم المحسوب 47.27 ملم مكعب.

بمجرد إتقانه ، يمكن تنفيذ هذا الإجراء في غضون خمس ساعات إذا تم تنفيذه بشكل صحيح. أثناء تجربة هذه التقنية ، من المهم أن تتذكر اتباع جميع إجراءات السلامة. من المهم أيضا أن تتذكر أن تجزئة الجذور ممكنة فقط إذا كان هناك تباين كاف بالأشعة السينية بين الجذر والتربة.

باتباع هذا الإجراء ، يمكن تصوير وتحليل العينات الأخرى ذات الهياكل المتفرعة مثل أوراق الأشجار والرئتين الحيوانية والبشرية وما إلى ذلك من أجل الإجابة على أسئلة إضافية ، مثل كيفية نمو الأنسجة الحية أو كيف تتحمل ظروفا معينة. بعد تطويرها ، تمهد هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال علوم النبات لاستكشاف أشياء مثل مقاومة الجفاف في النباتات النموذجية مثل Brachypodium. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصوير عينة نباتية باستخدام التصوير المقطعي ، وكيفية تصور بنية جذرها واستخراج المعلومات الكمية عن الجذر من بيانات التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية داخل التربة.

لا تنس أن العمل باستخدام أجهزة الأشعة السينية يمكن أن يكون خطيرا ، ويجب اتباع إجراءات السلامة ذات الصلة أثناء تجربة هذه التقنية.