3 차원 루트 시스템에 대한 통계를 추출 : 볼륨 및 표면 분석에-토양 X 선 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서

이 절차의 전반적인 목표는 토양 내 X선 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서 식물 뿌리에 대한 정량적 정보를 추출하는 것입니다. 살아있는 식물의 뿌리 구조를 조사하는 이 방법은 식물이 가뭄, 미생물 활동 등과 같은 변화하는 환경 조건에 어떻게 반응하는지와 같은 생물학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 가장 큰 장점은 비침습적이기 때문에 식물의 고유 환경인 토양에서 식물을 연구할 수

이 절차에는 단층 촬영 영상, 데이터 재구성 및 분석을 포함한 수많은 단계가 포함되며 시각적 보조 장치 없이는 모호할 수 있으므로 이 방법을 시각적으로 시연하는 것이 중요합니다. 시작하려면 X선 단층 촬영 스캐너의 샘플 매니퓰레이터에 화분을 놓고 대상 배율을 위해 원하는 거리에 놓습니다. 직경이 2인치인 홀더에 있는 식물의 경우 샘플을 약 3인치의 소스 거리로 설정합니다.

기기 제어 소프트웨어에서 X선 전력 설정을 85kV 및 190마이크로암페어로 설정합니다. 그런 다음 더 나은 신호 대 잡음비를 위해 노출 시간을 1초로 설정합니다. 좋은 데이터 통계를 위해 프로젝션 수를 3, 142로 설정하고 프로젝션당 프레임 수를 4로 설정합니다.

방금 설정한 스캔 매개변수를 사용하여 음영 보정" 탭을 선택합니다. 그런 다음 새로 만들기"를 클릭하고 음영 보정 파일의 이름을 지정합니다. 그런 다음 현재"를 클릭하여 새 조건을 확인합니다.

그런 다음 Create(생성)"를 클릭하고 OK(확인)"를 클릭하여 두 개의 참조 이미지를 사용합니다. 그런 다음 생성을 클릭합니다. 그런 다음 경고 팝업 창이 나타나면 확인을 클릭하기 전에 빔 경로에서 샘플을 물리적으로 제거합니다. 이제 음영 보정이 실행됩니다.

이제 Acquisition"탭을 클릭하십시오. 데이터 파일의 이름을 지정한 다음 X 선 필터에 대해 없음"을 선택하십시오. Minimise ring artifacts(링 아티팩트 최소화)" 확인란이 선택되어 있는지 확인하여 프로젝션 이미지가 획득되는 동안 샘플이 각도 단계로 회전하도록 합니다.

마지막으로 Acquire" 버튼을 클릭하여 스캔을 시작합니다. 원시 데이터를 획득한 후 재구성 프로그램에 로드합니다. Blink"를 클릭하여 첫 번째 이미지와 마지막 이미지를 비교하여 데이터 수집 중에 표본이 움직이지 않았거나 스캔 설정이 변경되지 않았는지 확인합니다.

회전 중심(Center of rotation)" 탭을 선택하고 COR 계산을 위해 자동(Automatic)"COR 찾기(High Quality" 정확도 및 이중" 슬라이스 선택) 옵션을 사용하여 회전 중심(Center of Rotation) 또는 COR을 계산합니다. 그런 다음 시작"을 클릭하여 계산을 실행합니다. COR을 찾은 후 볼륨" 탭을 클릭하여 재구성할 샘플을 선택합니다.

썸네일을 사용하여 볼륨 선택 창을 편집합니다. 그런 다음 스타트"를 클릭하여 3D 데이터가 포함된 볼륨 파일을 생성하기 위해 재구성을 수행합니다. RooTrak 처리 가능한 이미지 스택을 준비하려면 파일, 가져오기, 원시를 클릭한 다음 볼륨 파일을 선택하여 볼륨 파일을 ImageJ에 로드합니다.

뿌리와 토양 사이의 이미지 대비를 최적화하려면 이미지"탭을 클릭한 다음 밝기/대비 조정"을 선택하고 자동을 선택합니다. 관심 영역이 선명하게 표시되면 설정이 최적화된 것으로 간주됩니다. "다른 이름으로 저장"을 클릭하고 이미지 시퀀스를 선택하여 이미지를 JPEG, BMP 또는 PNG 형식의 이미지 스택으로 저장합니다.

루트를 분할하기 위해 RooTrak에서 처리하려면 도구" 탭을 선택하고 추적기를 선택하십시오. 그런 다음 대화 상자의 흰색 입력 영역을 두 번 클릭하여 이미지 스택을 로드합니다. 이미지가 로드된 후 Tracker" 탭을 선택하고 볼륨 데이터의 상단 보기 슬라이스에서 볼 수 있는 각 관련 루트 섹션 내부의 여러 지점을 클릭하여 루트 내부에 시드 포인트를 설정합니다.

추적기 매개 변수 평활도를 0.3으로, 유사도를 0.8로 설정합니다. 출력 디렉토리 아래의 필드를 클릭하여 파일 폴더를 선택하십시오. 그런 다음 폴더 선택"을 클릭하고 시작을 클릭합니다.

그러면 추적 기능이 실행됩니다. 이것은 상단 이미지 슬라이스에서 하단 슬라이스까지 루트를 따라갑니다. 볼륨 데이터를 열고 확인한 후 사용 가능한 데이터 볼륨에 따라 슬라이스 수를 선택합니다.

여기에 표시된 예에서 추적은 6.2mm의 깊이에 해당하는 200개 슬라이스에서 중지되었으며, 여기서 루트 경계가 잘못 정의되었습니다. ImageJ에서 체적 및 표면 분석을 수행하려면 Process, Binary, Make Binary를 차례로 선택하여 RooTrak의 이미지 스택을 이진 이미지 형식으로 변환합니다. 오픈 소스 ImageJ 플러그인인 BoneJ를 사용하여 Plugins, BoneJ, Isosurface를 차례로 선택하여 삼각형 메시를 만듭니다.

열리는 옵션 창에서 Resampling"및 Threshold"를 각각 6 및 120으로 설정합니다. 그런 다음 표면 표시"를 확인하고 확인" 버튼을 누릅니다. 열리는 3D 뷰어에서 파일"탭을 클릭하십시오.

그런 다음 Export surfaces"를 클릭하고 STL 바이너리로 저장합니다. 마지막으로 IMESHJ를 엽니다. STL 파일 선택"을 클릭하여 STL 파일을 로드하고 복셀 크기를 미크론 단위로 입력합니다.

Enter Voxel Size"를 클릭하고 31미크론을 입력한 다음 OK"를 두 번 클릭합니다. "Calculate Surface Area"를 클릭하여 총 샘플 뿌리 표면적(제곱 밀리미터)을 구합니다. 그런 다음 Calculate Volume"을 클릭하여 총 샘플 루트 부피를 입방 밀리미터 단위로 구합니다.

토종 잔디 대초원 dropseed, Sporobolus heterolepis의 두 줄기와 그 주변의 원래 토양으로 구성된 표본이 여기에 나와 있습니다. 생성된 재구성된 데이터의 복셀 크기는 약 31입방미크론이었습니다. 이미지 스택을 만들고 뿌리와 토양 사이의 대비를 증가시킨 후, 재구성된 데이터는 뿌리와 토양의 일부 구성 요소가 매우 유사한 X선 감쇠 계수를 가지고 있어 이미지에서 회색조 대비가 거의 또는 전혀 없음을 보여주었습니다.

이 그림은 볼륨 데이터의 맨 위 슬라이스에서 볼 수 있는 관련 루트 섹션 내에서 선택된 대표적인 시드 점을 보여줍니다. 이 비디오에 설명된 RooTrak 매개변수를 사용하여 RooTrak은 6.2mm 깊이에 해당하는 약 200개의 볼륨 데이터 슬라이스를 선택한 것을 성공적으로 분할했습니다. 루트의 세분화는 이 애니메이션에서도 보여 줍니다.

여기서 ImageJ는 RooTrak에서 생성된 데이터로부터 3D 볼륨의 삼각형 메쉬 등곡면을 생성하는 데 사용되었습니다. 사용된 기본 설정은 비교적 빠른 방식으로 상세한 등가곡면을 생성했습니다. 마지막으로 IMESHJ를 사용하여 표면적을 351.87제곱밀리미터로 계산하고 계산된 부피는 47.27입방밀리미터로 계산했습니다.

일단 숙달되면 이 절차를 올바르게 수행하면 5시간 안에 완료할 수 있습니다. 이 기술을 시도하는 동안 모든 안전 절차를 따르는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 뿌리 분할은 뿌리와 토양 사이에 충분한 X선 대비가 있는 경우에만 가능하다는 점을 기억하는 것도 중요합니다.

이 절차에 따라 나뭇잎, 동물 및 인간의 폐 등과 같은 가지 구조를 가진 다른 표본을 이미지화하고 분석하여 살아있는 조직이 어떻게 자라는지 또는 특정 조건을 어떻게 견디는지와 같은 추가 질문에 답할 수 있습니다. 개발 후 이 기술은 식물 과학 분야의 연구자들이 브라카이포듐과 같은 모델 식물에서 가뭄 저항성과 같은 것을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 동영상을 시청한 후에는 단층 촬영을 사용하여 식물 표본을 이미지화하는 방법, 뿌리 구조를 시각화하는 방법, 토양 내 X선 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서 뿌리에 대한 정량적 정보를 추출하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.

X선 기기로 작업하는 것은 위험할 수 있으며 이 기술을 시도하는 동안 관련 안전 절차를 따라야 한다는 것을 잊지 마십시오.