Name: Extrahieren von Metriken für die dreidimensionale Wurzelsysteme: Volumen und Oberflächenanalyse von In-Boden Röntgen Computertomographie Daten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: Lernen Sie die quantitative Analyse von Pflanzenwurzeln mit nicht-invasiver Röntgen-Computertomographie in natürlicher Bodenumgebung. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung von Wurzelstrukturen unter verschiedenen Umweltbedingungen.

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Diese Arbeit wurde im Environmental Molecular Sciences Laboratory durchgeführt, einer nationalen wissenschaftlichen Nutzereinrichtung, die vom Büro für biologische und Umweltforschung des Energieministeriums gesponsert wird und sich im Pacific Northwest National Laboratory befindet.

Achtung: Der Betrieb eines Röntgentomographen erfordert sowohl allgemeine Strahlung Ausbildung und instrumentenspezifischen Strahlung Sicherheitstraining. Alle entsprechenden Verfahren relevant in das Labor des Experimentators zu beachten. 1. Root-Imaging Anmerkung: Dieser Schritt beschreibt die Bebilderung einer Gras Probe gehalten in seiner ursprünglichen Boden in einer röhrenförmigen Kunststofftopf (ein Kunststoffrohr mit einem Durchmesser von 40 mm, einer Höhe von 210 mm, und einer Wanddicke von etwa 2 mm). <ol><li> Legen Sie Topfpflanze auf dem Probenmanipulator des Instruments in einem Abstand zur Ziel Vergrößerung gewünscht. Für eine Anlage in einem 2-Zoll Durchmesser Halter die Probe auf Quell Abstand sollte etwa 3 Zoll (7 cm) betragen. </li><li> Passen Sie die Röntgenscaneinstellungen optimale Farbe zu erzielen (Graustufe) Kontrast im Detektor Bild. Hinweis: Diese Einstellungen sind in der Instrumentensteuerungssoftware verwendet. <ol><li> Set Röntgenenergieeinstellungen; 85 kV und 190 &amp; mgr; A wurden in dieser Prüfung verwendetple. </li><li> Stellen Sie die Belichtungszeit. Hier wird eine relativ lange Belichtungszeit von 1 sec wurde für eine bessere Signal-Rausch-Verhältnis verwendet. </li><li> Legen Sie die Anzahl von Vorsprüngen und Frames pro Projektion; 4 Bilder pro Projektion für insgesamt 3142 Projektionen für eine gute Datenstatistiken vorgeschlagen. </li><li> Führen Sie eine Shading-Korrektur der Messbedingungen eingestellt oben durch die &quot;Shading-Korrektur&quot; Tab auswählen und auf &quot;Create&quot; verwenden. Hinweis: Die Schattierungskorrektur für die Variation in Reaktion der Abbildungsvorrichtung der Pixel gleicht, wenn sie mit einer konstanten Menge von Röntgenfluss beleuchtet. Der Vorgang dauert leere Bilder (mit Probe aus Strahlengang entfernt werden) mit dem Röntgenstrahl eingeschaltet und mit dem Strahl ausgeschaltet. Diese Korrektur wird für alle Bilder gesammelt angewendet. </li><li> Wählen Sie den &quot;Minimieren Ring Artefakte&quot; Option (auch als &quot;pendelt Modus&quot;); die Probe wird in Winkelschritten gedreht werden, während die Projektionsbilder erfasst werden. Dies führt dazu, dasseine Akquisition mit einer geringeren Geschwindigkeit, hilft aber Ring Artefakte zu beseitigen. </li><li> Starten Sie den Scan durch die Schaltfläche &quot;Erfassen&quot; unter der Acquisition Registerkarte klicken (mit den Einstellungen oben skizzierten Bildsammlung dauert etwa 4 Stunden). </li></ol></li></ol> 2. Datenrekonstruktion Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt die Rekonstruktion von 3D-Volumendaten aus den RAW-Bilder (Röntgenbilder aus der CT-Scan). <ol><li> Legen Sie die Rohdaten in das Programm. </li><li> Vergleichen erste und das letzte Bild (sollten sie nahezu identisch sein , wie das letzte Bild nach einer 360-Grad - Drehung der Probe genommen wird) , um sicherzustellen , dass die Probe nicht bewegt oder die Scan - Einstellungen nicht während der Datenerfassung geändert werden . </li><li> Berechnen Sie die Rotationszentrum (COR) durch das &quot;Center of rotation&quot; Tab auswählen und auf &quot;Start&quot;; Verwendung Optionen &quot;Automatisch&quot; COR Suche mit &quot;High Quality&quot; Genauigkeit und &quot;Dual&quot; (obere und untere) Scheibe sWahl für COR-Berechnung. </li><li> Wählen Sie das Probenvolumen rekonstruiert werden: Wählen Sie die Registerkarte &quot;Lautstärke&quot; und bearbeiten Sie die Lautstärke Auswahlfenster die Thumbnails verwenden. </li><li> Führen Sie den Wiederaufbau der Lautstärke-Datei mit 3D-Daten zu erstellen, indem Sie auf &quot;Start&quot;. </li></ol> 3. Datenverarbeitung / Segmentation Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt die Schritte, die rekonstruierten Daten für die Weiterverarbeitung im Programm RooTrak vorzubereiten genommen werden Wurzeln zu verfolgen, wie sie durch den Boden verzweigen, und zu isolieren, die Wurzeln von jedem umgebenden Material einen Stapel von binären Bildern von nur produzieren die Wurzel selbst. <ol><li> Die Verarbeitung von Volumendaten in ImageJ ein RooTrak verarbeitbare Bildstapel vorzubereiten: <ol><li> Legen Sie das Volume-Datei in ImageJ. </li><li> Optimieren Sie den Bildkontrast zwischen Wurzel und Boden durch Helligkeits- und Kontrasteinstellungen Einstellung (Bild klicken / Anpassen / Helligkeit / Kontrast). Wenn der interessierende Bereich innerhalb des Bildes sichtbar ist und clearly unterscheidbar, werden die Einstellungen betrachtet optimiert. </li><li> Speichern als Bildstapel in JPEG, BMP oder PNG-Format. </li></ol></li><li> Die Verarbeitung in RooTrak segmentieren die Wurzel: <ol><li> Bild laden Stapel in RooTrak (gehen Sie zu Registerkarte &quot;Extras&quot;, und drücken Sie &quot;Tracker&quot;). </li><li> Set Saatpunkte innen Wurzel: Klicken Sie mehrere Punkte innerhalb jeder der zugehörigen Wurzelabschnitte sichtbar in der Draufsicht Scheibe der Volumendaten. </li><li> Gesetzt tracker parameters &quot;Glätte&quot; und &quot;Ähnlichkeit&quot; bis 0,3 bzw. 0,8. </li><li> Führen Sie die Tracking-Funktion. Dies wird die Wurzel aus dem oberen Bildscheibe den ganzen Weg nach unten Scheibe folgen. </li><li> Nachdem Sie die Volumendaten zu lesen, wählen Sie die Anzahl der Scheiben auf die nutzbare Datenvolumen entsprechend; in diesem Fall wurde, Tracking bei 200 Scheiben gestoppt, das entspricht bis zu einer Tiefe von 6,2 mm, wobei root Grenzen wurde schlecht definiert (das Bild des verfolgten Wurzel begonnen, in die des Bodens zu mischen). Beachten Sie dasBildstapel erzeugt wird automatisch gespeichert werden, wo das Ausgabeverzeichnis erstellt wurde. </li></ol></li></ol> 4. Volumen und Oberflächenanalyse Hinweis: Dieser Schritt beschreibt die isosurface Netzgenerierung aus dem Bildstapel von RooTrak erstellt. <ol><li> Konvertieren Sie Bildstapel von RooTrak in ein binäres Bildformat in ImageJ. Wählen Sie &quot;Bearbeiten&quot; und dann auf &quot;Binary&quot;, dann &quot;Binary Make&quot;. </li><li> Verwenden Sie die Open-Source-ImageJ Plugin, BoneJ, das Dreiecksnetz zu schaffen; in ImageJ wählen &quot;Plugins&quot;, dann &quot;BoneJ&quot;, dann &quot;Isosurface&quot;. </li><li> Set &quot;Resampling&quot; und &quot;Threshold&quot; bis 6 bzw. 120 (Standardeinstellung). Check &quot;anzeigen Oberfläche&quot;, und drücken Sie die Taste &quot;OK&quot;. </li><li> Auf der &quot;3D-Viewer&quot; klicken Sie auf die Registerkarte Datei, dann auf &quot;Export-Oberflächen&quot;, dann speichern unter &quot;STL (binär)&quot;. </li><li> Öffnen Sie imeshJ, wählen Sie die STL-Datei und Voxelgröße in Mikron ein. Klicken Sie auf &quot;Calculate Fläche &quot;in mm 2 Gesamtprobenwurzeloberfläche zu erwerben. In ähnlicher Weise auf&quot; berechnen Volume &quot;auf Gesamtprobe Wurzelvolumen in mm 3 erhalten. </li></ol>

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</ol>

Wir haben nichts offenzulegen.

Eine Kombination von Röntgencomputertomografie und mehrere Open-Source-Programme erwies sich als eine leistungsstarke Kombination nichtinvasiv Bild Pflanzenwurzelproben, Segment Stammdaten und extrahieren quantitative Informationen (Fläche und Volumen) aus den 3D-Daten zu sein. Unsere Fähigkeit, Funktionen zu visualisieren und zu messen ist immer von Scan-Auflösung begrenzt sowie durch Beschränkung des RooTrak Software. Jedoch war Abtastauflösung ausreicht, um die Mehrheit der Funktionen der Probe in dieser Studie zu er...

Roots, als Teil der Rhizosphäre 2-5, eine &quot;unsichtbare&quot; Teil der Pflanzenbiologie dar , da es schwierig Boden zu Bild Wurzeln nicht-invasiv 6 macht, 7. Doch das Wurzelwachstum und Interaktion innerhalb der Bodenumgebung zu studieren ist entscheidend für das Verständnis root / Pflanzenwachstum und Nährstoffkreislauf, was wiederum Auswirkungen auf Aufforstung, Ernährungssicherheit, und das Klima. X-ray - Computertomographie (XCT) hat 8 ein wertvolles Werkzeug für die nichtinvasive Bildgebung von Pflanzenwurzelproben in ihren lokalen Umgebungen erwiesen. Um die Wurzelentwicklung und Dimensionsänderungen unter verschiedenen Bedingungen zu messen, und in der Lage sein, Daten aus verschiedenen Datensätzen / Proben zu vergleichen, muss man quantitative Informationen aus den Tomographiedaten zu extrahieren. Segmentierung der Stammdaten von der des umgebenden Bodens, das heißt, der Isolierung des Wurzel Bild von allem anderen um ihn herum (einschließlich zum Beispiel einer benachbarten Anlage) ist ein kritischer Schritt, bevor accuRate Größenanalyse kann durchgeführt werden. Allerdings ist eine einfache Schwellwertoperation Ansatz oft nicht machbar für Stammdaten. Die Herausforderungen im Zusammenhang mit bildgebenden Pflanzenwurzeln im Boden umfassen Variationen in den Röntgendämpfungseigenschaften des Stammmaterials und die Überlappung in Dämpfungswerte zwischen Wurzel und Boden durch Wasser und organische Stoffe. Diese Fragen wurden hervorragend kürzlich von Mairhofer et al gerichtet. in ihrer visuellen Tracking - Tool RooTrak 7, 9. Der nächste Schritt nach einer erfolgreichen Segmentierung ist die genaue Bestimmung der Wurzelvolumen und die Oberfläche. Das Volumen kann durch Zählen der Anzahl von Voxeln und Multiplizieren mit dem Voxel &#39;Größe gewürfelt geschätzt werden wie vorher 7 gezeigt. Für eine genauere Bestimmung der Wurzeloberfläche und Volumen der Isofläche des segmentierten Wurzelsystem kann durch ein Gitter von Dreiecken dargestellt werden können, ein Algorithmus , bekannt als Marching Cubes 10 verwendet wird . Die Open-Source - ImageJ 11 eingesetzt werden th angenäherte Wurzelvolumen auf der Grundlage der Marching Cubes Algorithmus. Nach bestem Wissen und Gewissen, nur eine begrenzte Anzahl von Open-Source - Software die Berechnung Tomographie-basierte Volumen / Oberflächendaten für die Wurzelproben im Zentimeterbereich gewidmet und oben ist derzeit 12 zur Verfügung. Eine Open-Source - Software , die wir auf 13 schaute konzentriert sich auf das Wurzelwachstum und wird auf zellulärer Funktionen richtet ermöglicht quantitative Volumenanalyse an Einzelzellauflösung. Einige Open-Source - Software , um ganze Wurzelsysteme gewidmet 14 eignet sich hervorragend für kleine Durchmesser Systeme Rohr Wurzel auf der Basis der Annäherung , dass ihre Form tatsächlich rohrförmig ausgebildet ist. Allerdings sind einige Arbeit mit 2D - Bildern und nicht in der Lage zu handhaben 3D 14 Stacks. Des Weiteren kann die rohrförmige Form Approximation nicht gültig sein, wenn Wurzelsysteme mit rauen Oberflächen und ungleichmäßige Formen, wie die von Bäumen, untersucht. Ein weiterer Ansatz 15 verwendet zweidimensionale (2D) Drehbildsequenzen innovativ umgehen the benötigen für eine teure CT-Scanner. Er misst, Aufzeichnungen und zeigt Wurzelsystem Längen. Die Software , die wir von denen nur im Handel erhältlich 16-18 getestet haben; ein nicht erscheint 3D in der Lage sein Bild zu handhaben 16 stapelt, die zweite ist eine Blattfläche und Wurzellängenmesswerkzeug 17, während die dritte auf die Farbanalyse 18 basiert. Auf der Grundlage dieser Umfrage, schlagen wir vor, dass eine costless Option, die die Oberfläche und das Volumen der Wurzel unabhängig von seiner Form von 3D-Tomographiedaten annähert wünschenswert ist. Aufbauend auf dem frei verfügbaren RooTrak und ImageJ, haben wir ein Programm entwickelt, mit dem Namen imeshJ (Supplemental - Code - Datei) , welche Prozesse eine isosurface mesh (Oberfläche Stereolithografie - Datei) von segmentierten Stammdaten erzeugt, und berechnet das Volumen und die Oberfläche der Wurzel von tun einfache geometrische Berechnungen auf dem Dreieck Indexdaten Mesh. Hier berichten wir über eine Methode, die die Verwendung von XCT Bildgebung kombiniert,Daten Rekonstruktion und Visualisierung (Software CT Pro 3D und VG Studio), Segmentierung der Wurzel der Probe aus dem Boden in den 3D-Daten (Open-Source-Software ImageJ und RooTrak) und Extraktion der Oberflächen- und Volumeninformationen aus einem Dreiecksnetz (ImageJ und der Computercode imeshJ).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&nbsp;</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Röntgentomograph</td></tr><tr><td>Inspect X</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Software zur Instrumentensteuerung</td></tr><tr><td>CT Pro 3D</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Rekonstruktionssoftware, Version XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>Visualisierungssoftware für 3D-Volumen, Version 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Open-source</td><td></td><td>Bildverarbeitungs- und Analysesoftware, Version 1.6</td></tr><tr><td>RooTrak</td><td>Open-Source</td><td></td><td>Root-Segmentierungssoftware, Version 0.3.1-b1 beta</td></tr><tr><td>imeshJ</td><td>EMSL</td><td></td><td>MATLAB-Skript, entwickelt von den Autoren</td></tr><tr><td>Prärie-Dropseed-Grasprobe</td><td></td><td></td><td>Probe aus dem Boden in einem Wohngebiet</td></tr></tbody></table>

extrahieren von metriken für die dreidimensionale wurzelsysteme: volumen und oberflächenanalyse von in-boden röntgen computertomographie daten

Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

Pflanzenwurzeln spielen eine entscheidende Rolle bei der Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen, die in der Rhizosphäre auftreten, sowie Prozesse mit erheblichen Auswirkungen auf den Klimawandel und des Pflanzenanbaus. Quantitative Größeninformationen an Wurzeln in ihrer natürlichen Umgebung ist von unschätzbarem Wert für das Studium Wurzelwachstum und Umweltprozesse mit Pflanzen. Ein wirksames Instrument zur in situ Wurzel Scannen und Analyse Röntgencomputertomografie (XCT) wurde nachgewiesen. Wir wollten ein costless und effizientes Werkzeug zu entwickeln, die die Oberfläche und das Volumen der Wurzel unabhängig von seiner Form von dreidimensionalen (3D) Tomographiedaten annähert. Die Wurzelstruktur eines Prairie Dropseed (Sporobolus heterolepis) Probe wurde unter Verwendung von XCT abgebildet. Die Wurzel wurde rekonstruiert, und die primäre Wurzelstruktur wurde aus den Daten unter Verwendung einer Kombination von lizenzierten und Open-Source-Software extrahiert. Ein isosurface Polygonalnetz wurde dann für eine einfache Analyse erstellt. Wir haben t entwickelter eigenständige Anwendung imeshJ, erzeugt in MATLAB 1, Wurzelvolumen und die Oberfläche aus dem Netz zu berechnen. Die Ausgänge der imeshJ sind Fläche (in mm 2) und das Volumen (in mm 3). Das Verfahren, eine einzigartige Kombination von Werkzeugen aus Bildgebung quantitative Wurzelanalyse verwendet wird, beschrieben. Eine Kombination aus XCT und Open-Source-Software erwies sich als eine leistungsstarke Kombination nichtinvasiv Bild Pflanzenwurzelproben, Segment Stammdaten und extrahieren quantitative Informationen aus den 3D-Daten zu sein. Diese Methodik von 3D-Datenverarbeitung sollte auf andere Material / Probensysteme anwendbar sein, wo es die Verbindung zwischen Komponenten von ähnlicher Röntgenschwächungs und Schwierigkeiten mit der Segmentierung entstehen.

Die Probe , bestehend aus zwei Stämmen des nativen Gras Prairie Dropseed (Sporobolus heterolepis) und dem ursprünglichen Boden um ihn herum von einem Wohngebiet und in einem kleinen röhrenförmigen Halter in 1 zu sehen genommen wurde. Die rekonstruierten Daten Voxelgröße betrug ungefähr 31 &amp; mgr; m x 31 &amp; mgr; m x 31 &amp; mgr; m. Das rekonstruierte Volumen Datei wurde verwendet , um einen Stapel von Bildern aus einer gewählten Ausrichtung (Draufsicht) zu...

Eine Methode zur visuellen und quantitative Wurzelstruktur Informationen von Röntgencomputertomographiedaten zu erhalten im Boden erfasst wird präsentiert.

Extrahieren von Metriken für die dreidimensionale Wurzelsysteme: Volumen und Oberflächenanalyse von In-Boden Röntgen Computertomographie Daten

Plant roots play a critical role in plant-soil-microbe interactions that occur in the rhizosphere, as well as processes with important implications to ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, quantitative Informationen über Pflanzenwurzeln aus Röntgen-Computertomographiedaten aus dem Boden zu extrahieren. Diese Methode zur Untersuchung der Wurzelstruktur lebender Pflanzen kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Biologie zu beantworten, beispielsweise wie Pflanzen auf sich verändernde Umweltbedingungen wie Trockenheit, mikrobielle Aktivitäten und andere Faktoren reagieren. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie nicht invasiv ist und es uns somit ermöglicht, Pflanzen in ihrem natürlichen Lebensraum, dem Boden, zu untersuchen.Die visuelle Demonstration dieser Methode ist wertvoll, da das Verfahren zahlreiche Schritte umfasst, darunter die tomographische Bildgebung, die Datenrekonstruktion und die Analyse, die ohne visuelle Unterstützung unklar bleiben könnten. Beginnen Sie damit, eine Topfpflanze auf den Probemanipulator des Röntgentomographie-Scanners in einem Abstand zu platzieren, der die gewünschte Zielvergrößerung ermöglicht. Bei einer Pflanze in einem Halter mit zwei Zoll Durchmesser sollte der Abstand zwischen Probe und Quelle etwa drei Zoll betragen.Legen Sie in der Instrumentensteuerungssof

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Forschung

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Hochauflösung Röntgenstrahl-Computertomographie (HRCT) ist eine nicht-destruktive diagnostischen Bildgebungsverfahren, verwendet, um die Struktur und Funktion der Anlage Gefäßsystem in 3D studieren kann. Wir zeigen, wie HRCT ermöglicht Erforschung der Xylem Netzwerke über eine breite Palette von pflanzlichen Geweben und Arten.

Mit hochauflösenden Computertomographie, die dreidimensionale Struktur und Funktion pflanzlicher Gefäßsystem Visualisieren

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Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen

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Zweidimensionale Visualisierung und Quantifizierung von labilen, anorganischen Pflanzennährstoffen und Verunreinigungen im Boden

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Nutzung von Mikro-CT-Scans zur Analyse parasitärer Pflanzen-Wirt-Interaktionen

Hier zeigen wir, wie Baumkerne mit einer Röntgen-Computertomographie-Toolchain bearbeitet werden können. Mit Ausnahme der chemischen Extraktion für einige Zwecke ist keine weitere physikalische Laborbehandlung erforderlich. Die Toolchain kann für Biomasseschätzungen, zur Gewinnung von MXD/Jahrringbreitendaten sowie zur Gewinnung quantitativer Holzanatomiedaten verwendet werden.

Baumkernanalyse mit Röntgen-Computertomographie

Lernen Sie die quantitative Analyse von Pflanzenwurzeln mit nicht-invasiver Röntgen-Computertomographie in natürlicher Bodenumgebung. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung von Wurzelstrukturen unter verschiedenen Umweltbedingungen.

Extrahieren von Metriken für die dreidimensionale Wurzelsysteme: Volumen und Oberflächenanalyse von In-Boden Röntgen Computertomographie Daten (Video) | JoVE Journal

Extrahieren von Metriken für die dreidimensionale Wurzelsysteme: Volumen und Oberflächenanalyse von In-Boden Röntgen Computertomographie Daten

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