Analiza rdzenia drzewa za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej
22 września 2023
Tutaj pokazujemy, jak przetwarzać rdzenie drzew za pomocą łańcucha narzędzi do tomografii komputerowej rentgenowskiej. Z wyjątkiem ekstrakcji chemicznej do niektórych celów, nie jest wymagana dalsza fizyczna obróbka laboratoryjna. Łańcuch narzędzi może być używany do szacowania biomasy, do uzyskiwania danych MXD/szerokości słojów drzew, a także do uzyskiwania ilościowych danych dotyczących anatomii drewna.
Zakres moich badań polega na badaniu wzrostu drewna i jego reakcji na klimat. Pytania, na które staram się odpowiedzieć, to: jak możemy zrekonstruować klimat z przeszłości i jaka jest reakcja drzew na obecne zmiany klimatyczne? Tak więc obecne wyzwania eksperymentalne, przed którymi stoimy, to między innymi duże ilości danych, które uzyskujemy za pomocą tomografii komputerowej rentgenowskiej.
Musimy więc znaleźć odpowiednią równowagę między liczbą próbek, które chcemy zeskanować, a wymaganą rozdzielczością. Techniki rentgenowskiej tomografii komputerowej pozwoliły nam skanować rdzenie drzew w niespotykanym dotąd tempie. Posiadamy profile gęstości zarówno z regionów tropikalnych, jak i umiarkowanych.
Tak więc głównymi zaletami, jakie mamy z naszą techniką, jest to, że możemy wykonać wiele wysokowydajnych skanów i analiz, ale także to, że wszystkie wskazania i manipulacje, które wykonujemy, są identyfikowalne w całym łańcuchu narzędzi, w tym we wskazaniach słojów drzew. To narzędzie pozwoli nam zaktualizować obecne chronologie maksymalnej gęstości późnego drewna, a także zmierzyć właściwości drewna na rdzeniach drzew z całego świata, zwłaszcza w regionach, w których dostępnych jest niewiele danych. Na początek wydrąż drzewo za pomocą świdra Pressler.
Włóż rozklejone rdzenie drzew do sześciomilimetrowych papierowych słomek i zaznacz je ołówkiem. Napełnij kolbę okrągłodenną rozpuszczalnikiem i umieść słomkę na wsporniku ze stali nierdzewnej w aparacie Soxhleta z chłodnicą na podgrzewaczu laboratoryjnym. Po zasysaniu rdzenie suszyć przez 24 godziny w piekarniku w temperaturze 103,5 stopni Celsjusza pod wentylacją wyciągową.
Następnego dnia wykonuj ekstrakcję Soxhleta gorącą wodą przez 24 godziny. Umieścić próbki w stalowych uchwytach na próbki i ponownie je suszyć przez 24 godziny. Następnie umieść rdzenie z uchwytu na próbkę uszczelki z powrotem w słomkach.
Aby rozpocząć skanowanie rdzenia, w zależności od celu badawczego, wybierz odpowiedni typ uchwytu na próbkę, załaduj rdzenie drzew w papierowych słomkach do uchwytu na próbkę i zapisz pozycję każdego rdzenia w szablonie arkusza kalkulacyjnego do pobrania. Wykonaj skanowanie rentgenowskie mikrotomografii komputerowej zgodnie z odpowiednimi ustawieniami i protokołem skanowania. Aby uzyskać wartości gęstości, zainstaluj przyborniki Core Processor, Ring Indicator i Core Comparison (Porównanie rdzeni), korzystając z podanego linku.
Następnie, w celu wstępnego przetworzenia woluminów rdzeniowych za pomocą procesora Core, wybierz folder ze zrekonstruowanymi 16-bitowymi przekrojowymi przekrojowymi warstwami TIFF i plikiem arkusza kalkulacyjnego. Wybierz kilka plasterków do kontroli. Następnie wybierz ciemne i białe odniesienia, jak wskazano w pliku arkusza kalkulacyjnego do obliczeń gęstości drewna.
W nowym wyskakującym okienku, postępując zgodnie z informacjami z pliku arkusza kalkulacyjnego, wybierz każdy rdzeń osobno, rysując wokół niego okrąg lub elipsę. Następnie kliknij Masowe wydobycie rdzenia, aby wyodrębnić wszystkie rdzenie w danym cylindrze. W przyborniku Core Processor kliknij opcję Manual Tg correction (Ręczna korekta Tg).
Następnie wybierz wyodrębniony folder i upewnij się, że płaszczyzna poprzeczna i promieniowa każdego woluminu rdzeniowego jest prawidłowa. Aby zobrazować kierunek ziarna z prawego dolnego wykresu, obserwuj prezentowany wycinek i narysuj linię wskazującą kierunek ziarna. Kliknij dwukrotnie, aby automatycznie obrócić rdzeń.
Następnie przytnij objętość rdzenia, aby uzyskać tylko drewno i żaden inny materiał. Otwórz przybornik Wskaźnik pierścienia i wybierz wielostronicowy plik TIFF. Następnie, na karcie woluminu, sprawdź graficzny interfejs użytkownika w płaszczyźnie poprzecznej i promieniowej.
Aby uzyskać korektę strukturalną w płaszczyźnie poprzecznej i promieniowej, kliknij obraz, aby wstawić zielone paski zaczynające się od rdzenia, a kończące na najnowszym pierścieniu. Po umieszczeniu zielonego paska na jednej płaszczyźnie jest on automatycznie generowany na innych płaszczyznach. Kliknij opcję Densytometria, a następnie Wykres densytometrii, aby obliczyć profil gęstości.
Utwórz i wydrukuj profil gęstości, wybierając opcję Wydruk nakładający, a następnie Profil gęstości wydruku. Po wizualizacji profilu zagęszczenia należy wskazać wszystkie słoje drzew. Przesuń węzły na końcu pręta, aby zmienić kąt.
Następnie zmień położenie pręta za pomocą środkowego węzła i dostosuj rozmiar węzłów. Naciśnij Dane, a następnie Eksportuj. Naciśnij Pierścienie, a następnie Eksportuj pierścienie, aby upewnić się, że wskazania pierścieni i włókien są zapisane w odpowiednich plikach txt.
Zmień datę ścinki na rok, w którym rdzenie zostały pobrane z żywych drzew lub wybierz odpowiednią datę. W polu Drukowanie nakładkowe wybierz opcję Drukuj pierścienie, aby wyświetlić lata. Należy również wybrać płaszczyznę, na której mają zostać wykreślone pierścienie, lub profil gęstości.
Po wskazaniu dwóch rdzeni otwórz przybornik Porównanie rdzeni w celu porównania serii szerokości pierścieni. Wybierz pliki txt do porównania, a następnie otworzy się ekran wyświetlający szerokości pierścieni i datowanie krzyżowe oraz parametry statystyczne, takie jak korelacja Gleichlaufigkeit i Spearmana między poszczególnymi seriami. Otwórz instancję wskaźnika pierścienia, aby dostosować zielone paski i wyeksportować je ponownie.
Następnie zmaksymalizuj ekran Porównanie rdzeni i naciśnij przycisk odświeżania, aby ponownie ocenić metryki. Następnie wybierz opcję Kreślenie i eksportowanie, a następnie Szerokość słojów, aby wyświetlić szerokość słojów drzewa lub dane TRW. Kliknij opcję Kreślenie i eksportowanie, a następnie Eksportuj dane RW, aby wyeksportować dane TRW w formacie arkusza kalkulacyjnego lub Tucson.
Na koniec wybierz drugi wykres, a następnie wyeksportuj dane skupiska w celu uzyskania danych o średniej gęstości, MXD, MND i kwartylu na słoj drzewa. Badanie to przedstawia trzy poziomy szacowania biomasy lub przyrostu wzrostu drzew w skali międzypierścieniowej, pierścieniowej i anatomicznej. Promieniowe i osiowe trendy gęstości drewna w Terminalia superba wykazały tendencję wzrostową gęstości od rdzenia do kory i większą gęstość drewna w górnej części łodygi.
Przedstawiono przykład rozwoju chronologii z minimalną i maksymalną gęstością późnego drewna Widdringtonia cedarbergensis. Skan rdzenia dębowego o wysokiej rozdzielczości wykazał, że naczynia z drewna wczesnego i późnego są podzielone na segmenty.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsza praca demonstruje zastosowanie komputerowej tomografii komputerowej (CT) do analizy rdzeni drzew, co umożliwia szacowanie biomasy oraz ilościowe gromadzenie danych z anatomii drewna bez konieczności prowadzenia rozległych laboratoryjnych zabiegów fizycznych. Metoda ta rozwiązuje problemy związane z dużymi objętościami danych, zapewniając jednocześnie równowagę między liczbą próbek a rozdzielczością obrazowania.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia
- Nauki o środowisku
Wstęp
- Badania koncentrują się na przyroście drewna i odpowiedzi na zmiany klimatu.
- Analizuje rekonstrukcję klimatu z przeszłości oraz reakcje drzew na zmiany klimatyczne.
- Wykorzystuje tomografię komputerową (CT) do zbierania danych o wysokiej rozdzielczości.
- Obejmuje profile gęstości z regionów tropikalnych oraz umiarkowanych.
Cel badania
- Zbadanie wzrostu drzew w kontekście zmian klimatu.
- Opracowanie metod efektywnego gromadzenia danych z rdzeni drzewnych.
- Pogłębienie wiedzy na temat anatomii drewna oraz szacowania biomasy.
Zastosowane metody
- Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) do skanowania rdzeni drzew.
- Techniki przetwarzania danych do szacowania biomasy.
- Analiza szerokości słojów drzew oraz danych MXD.
- Równoważenie wielkości próby i rozdzielczości skanowania.
Główne wyniki
- Skuteczne skanowanie rdzeni drzew z niespotykaną dotąd szybkością.
- Gromadzenie ilościowych danych z anatomii drewna.
- Uzyskanie profili gęstości z różnych regionów klimatycznych.
- Wykazanie minimalnych wymagań dotyczących obróbki fizycznej.
Wnioski
- Tomografia komputerowa (CT) jest skutecznym narzędziem do badania wzrostu drzew.
- Metodyka rozwiązuje problemy związane z dużymi wolumenami danych.
- Zapewnia wgląd w reakcje drzew na zmienność klimatyczną.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) umożliwia wysokoprzepustową, ilościową analizę próbek rdzeni drzew, dostarczając skalowalnych i powtarzalnych danych na temat gęstości oraz anatomii drewna bez konieczności czasochłonnego przygotowania preparatów. Podejście to wspiera rzetelne testowanie hipotez i porównywanie próbek, bezpośrednio odpowiadając na potrzebę uzyskania znormalizowanych wyników ilościowych we wczesnych fazach odkryć oraz w badaniach translacyjnych. Możliwość prześledzenia przebiegu prac oraz wielkoskalowa ekstrakcja danych w tej metodzie zwiększają pewność prognostyczną i usprawniają podejmowanie decyzji projektowych w ramach procesów badawczo-rozwojowych (R&D) w dziedzinie biologii i ochrony środowiska.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia ilościową analizę parametrów wzrostu i gęstości drewna na potrzeby badań opartych na hipotezach.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez dostarczanie wielkoskalowych danych anatomicznych i densytometrycznych.
- Ułatwia funkcjonalną walidację odpowiedzi biologicznych na zmienne środowiskowe.
- Zwiększa pewność prognostyczną w odniesieniu do późniejszych decyzji badawczych.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Zapewnia zestandaryzowane, wysokoprzepustowe przetwarzanie próbek w celu uzyskania powtarzalnych pomiarów gęstości i szerokości słojów.
- Przygotowuje zwalidowane zestawy danych do analizy porównawczej w zróżnicowanych grupach próbek.
- Umożliwia skalowalny rozwój testów poprzez minimalizację interwencji ręcznych i maksymalizację identyfikowalności danych.
- Wspiera wiarygodną ocenę zmiennych biologicznych i środowiskowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dopasowuje ilościowe wyniki anatomii drewna do szerszych celów badań środowiskowych i biologicznych.
- Zapewnia ciągłość przejścia od pomiarów w skali odkrycia do badań translacyjnych nad odpowiedzią wzrostową.
- Dostarcza dane skorygowane o ryzyko w celu weryfikacji hipotez dotyczących odpowiedzi na zmiany klimatu i adaptacji.
- Wzmacnia predykcyjne ograniczanie ryzyka dla międzydyscyplinarnych portfeli badawczych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten łańcuch narzędziowy CT w promieniach rentgenowskich integruje procesy od wczesnego etapu odkryć po badania translacyjne, wspierając testowanie hipotez, przesiewy ilościowe oraz analitykę porównawczą próbek.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia rzetelne testowanie hipotezy zerowej i wyjaśnianie szlaków sygnałowych z wykorzystaniem ilościowych danych gęstościowych i anatomicznych.
- Screening: Zapewnia powtarzalne wyniki wysokoprzepustowe do standaryzacji testów i porównywania próbek.
- Analityka: Dostarcza pomiarów ilościowych (TRW, MXD, profile gęstości) do analizy statystycznej i wsparcia decyzji.
- Badania translacyjne: Łączy ustalenia anatomiczne i densytometryczne z szerszymi modelami środowiskowymi i biologicznymi.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia skalowalny i możliwy do śledzenia przepływ pracy, który można dostosować do różnych typów próbek i pytań badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach wzrostu i gęstości.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje pozyskiwanie danych, zwiększa powtarzalność i wspiera skalowalność wysokoprzepustową.
- Wartość strategiczna: Poprawia proces podejmowania decyzji typu go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez dostarczanie solidnych wyników ilościowych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację dostosowaną do ryzyka oraz rozwój hipotez badawczych w dziedzinach środowiskowych i biologicznych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu mikrotomograficznym (CT) oraz ilościowej analizie danych.
- Wymaga dostępu do specjalistycznej aparatury i infrastruktury obliczeniowej do przetwarzania obrazów.
- Opiera się na zestandaryzowanych procedurach przygotowania próbek oraz protokołach zarządzania danymi w ramach zespołów.
- Metoda jest możliwa do dostosowania do różnych gatunków drzew i typów rdzeni dzięki zastosowaniu niestandardowych uchwytów na próbki.
- Konieczne jest zarządzanie kompromisem między objętością danych a rozdzielczością w celu optymalizacji przepustowości i głębokości analizy.
