Extraction Metrics pour les systèmes de racines en trois dimensions: Volume et surface Analyse de In-sol X-ray tomodensitométrie données

L’objectif général de cette procédure est d’extraire des informations quantitatives sur les racines des plantes à partir de données de tomographie par rayons X dans le sol. Cette méthode d’étude de la structure racinaire des plantes vivantes peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la biologie, telles que la façon dont les plantes réagissent aux conditions environnementales changeantes telles que la sécheresse, les activités microbiennes, etc. Le principal avantage de cette technique est qu’elle est non invasive, elle nous permet donc d’étudier les plantes dans leur environnement d’origine, le sol.

La démonstration visuelle de cette méthode est précieuse, car la procédure comporte de nombreuses étapes, notamment l’imagerie tomographique, la reconstruction et l’analyse des données, qui peuvent être obscures sans aide visuelle. Pour commencer, placez une plante en pot sur le manipulateur d’échantillon du scanner de tomographie à rayons X à une distance souhaitée pour le grossissement de la cible. Pour une plante dans un support de deux pouces de diamètre, réglez un échantillon à une distance de source d’environ trois pouces.

Dans le logiciel de contrôle de l’instrument, réglez les paramètres de puissance des rayons X sur 85 kilovolts et 190 microampères. Ensuite, réglez le temps d’exposition à une seconde pour un meilleur rapport signal sur bruit. Définissez le nombre de projections sur 3, 142 et le nombre d’images par projection sur quatre pour de bonnes statistiques de données.

À l’aide des paramètres de balayage que vous venez de régler, sélectionnez l’onglet Correction de l’ombrage. Cliquez ensuite sur Nouveau" et nommez le fichier de correction d’ombrage. Cliquez ensuite sur Présenter" pour confirmer les nouvelles conditions.

Ensuite, cliquez sur Créer, puis sur OK pour utiliser deux images de référence. Cliquez ensuite sur Générer. Ensuite, lorsque la fenêtre contextuelle d’avertissement apparaît, supprimez physiquement l’échantillon du chemin du faisceau avant de cliquer sur OK. La correction d’ombrage va maintenant s’exécuter.

Maintenant, cliquez sur l’onglet Acquisition. Nommez le fichier de données, puis sélectionnez Aucun" pour le filtre à rayons X. Assurez-vous que la case Minimiser les artefacts de l’anneau est cochée afin que l’échantillon soit pivoté par paliers angulaires pendant l’acquisition des images de projection.

Enfin, lancez l’analyse en cliquant sur le bouton Acquérir. Après avoir acquis les données brutes, chargez-les dans le programme de reconstruction. Comparez la première et la dernière image en cliquant sur « Cligner » pour vous assurer que l’échantillon n’a pas bougé ou que les paramètres de numérisation n’ont pas changé pendant l’acquisition des données.

Calculez le centre de rotation, ou COR, en sélectionnant l’onglet Centre de rotation et en utilisant les options Recherche automatique du COR avec précision de haute qualité et Sélection double tranche pour le calcul du COR. Cliquez ensuite sur Démarrer" pour exécuter le calcul. Une fois le COR trouvé, cliquez sur l’onglet Volume pour sélectionner l’échantillon à reconstruire.

Utilisez les vignettes pour modifier les fenêtres de sélection de volume. Cliquez ensuite sur Démarrer" pour effectuer la reconstruction afin de créer le fichier de volume contenant des données 3D. Pour préparer une pile d’images pouvant être traitée par RooTrak, chargez le fichier de volume dans ImageJ en cliquant sur Fichier, Importer, Raw, puis en sélectionnant le fichier de volume.

Pour optimiser le contraste de l’image entre la racine et le sol, cliquez sur l’onglet Image, puis choisissez Ajuster la luminosité/le contraste et sélectionnez Auto. Lorsque la région d’intérêt est visible en clair, les paramètres sont considérés comme optimisés. Enregistrez les images en tant que pile d’images au format JPEG, BMP ou PNG en cliquant sur Enregistrer sous" et en choisissant Séquence d’images.

Pour traiter dans RooTrak pour segmenter la racine, sélectionnez l’onglet Outils et choisissez Tracker. Double-cliquez ensuite sur la zone d’entrée blanche de la boîte de dialogue pour charger une pile d’images. Une fois les images chargées, choisissez l’onglet Tracker et définissez les points de départ à l’intérieur de la racine en cliquant sur plusieurs points à l’intérieur de chacune des sections de racine pertinentes visibles dans la tranche de vue supérieure des données de volume.

Réglez le paramètre de lissage du tracker sur 0,3 et la similarité sur 0,8. Cliquez sur le champ situé sous Répertoire de sortie pour choisir un dossier de fichiers. Ensuite, cliquez sur Sélectionner un dossier, puis sur Démarrer.

La fonction de suivi s’exécutera alors. Cela suivra la racine de la tranche supérieure de l’image jusqu’à la tranche inférieure. Après avoir ouvert et affiché les données de volume, sélectionnez le nombre de tranches en fonction du volume de données utilisable.

Dans l’exemple présenté ici, le suivi a été arrêté à 200 tranches, soit l’équivalent d’une profondeur de 6,2 millimètres, où les limites de la racine sont devenues mal définies. Pour effectuer une analyse de volume et de surface dans ImageJ, convertissez la pile d’images de RooTrak en un format d’image binaire en sélectionnant Traiter, Binaire, puis Rendre binaire. Utilisez le plug-in open source ImageJ, BoneJ, pour créer le maillage triangulaire en sélectionnant Plugins, BoneJ, puis Isosurface.

Dans la fenêtre d’options qui s’ouvre, définissez « Rééchantillonnage » et Seuil » sur six et 120, respectivement. Ensuite, cochez la case « Afficher la surface » et appuyez sur le bouton OK ». Dans la visionneuse 3D qui s’ouvre, cliquez sur l’onglet « Fichier ».

Cliquez ensuite sur Exporter les surfaces" et enregistrez-les en tant que binaire STL. Enfin, ouvrez IMESHJ. Chargez le fichier STL en cliquant sur Sélectionner un fichier STL et entrez la taille du voxel en microns.

Cliquez sur Entrer la taille du voxel » et entrez 31 microns, puis cliquez deux fois sur OK. Cliquez sur Calculer la surface" pour acquérir la surface racine totale de l’échantillon en millimètres carrés. Ensuite, cliquez sur Calculer le volume" pour obtenir le volume racine total de l’échantillon en millimètres cubes.

Le spécimen, composé de deux tiges de sporobole à glumes indigènes indigènes, Sporobolus heterolepis, et du sol d’origine qui l’entoure, est montré ici. La taille du voxel des données reconstruites générées était d’environ 31 microns cubes. Après avoir créé une pile d’images et augmenté le contraste entre les racines et le sol, les données reconstruites ont montré que la racine et certains des composants du sol ont des facteurs d’atténuation des rayons X très similaires, ce qui entraîne peu ou pas de contraste en niveaux de gris dans les images.

Cette figure montre un point d’amorçage représentatif qui a été sélectionné à l’intérieur d’une section racine pertinente visible dans la tranche supérieure des données de volume. À l’aide des paramètres RooTrak décrits dans cette vidéo, RooTrak a réussi à segmenter les quelque 200 tranches de données de volume sélectionnées, ce qui équivalait à une profondeur de 6,2 millimètres. La segmentation de la racine est également démontrée dans cette animation.

Ici, ImageJ a été utilisé pour générer une isosurface de maillage triangulaire du volume 3D à partir des données produites par RooTrak. Les paramètres par défaut utilisés produisaient une isosurface détaillée de manière relativement rapide. Enfin, à l’aide de l’IMESHJ, la surface a été calculée à 351,87 millimètres carrés et le volume calculé à 47,27 millimètres cubes.

Une fois maîtrisée, cette procédure peut être réalisée en cinq heures si elle est effectuée correctement. Lorsque vous essayez cette technique, il est important de ne pas oublier de suivre toutes les procédures de sécurité. Il est également important de se rappeler que la segmentation des racines n’est possible que s’il y a un contraste suffisant de rayons X entre la racine et le sol.

À la suite de cette procédure, d’autres spécimens avec des structures ramifiées comme les feuilles d’arbres, les poumons d’animaux et d’humains, etc., peuvent être imagés et analysés afin de répondre à des questions supplémentaires, comme la croissance des tissus vivants ou la façon dont ils tolèrent certaines conditions. Après son développement, cette technique ouvre la voie aux chercheurs dans le domaine des sciences végétales pour explorer des choses comme la résistance à la sécheresse chez des plantes modèles telles que Brachypodium. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’imager un spécimen de plante à l’aide de la tomographie, de visualiser sa structure racinaire et d’extraire des informations quantitatives sur la racine à partir de données de tomodensitométrie à rayons X dans le sol.

N’oubliez pas que travailler avec des instruments à rayons X peut être dangereux et que les procédures de sécurité pertinentes doivent être suivies lors de l’essai de cette technique.