Name: Extraindo Métricas para sistemas radiculares tridimensionais: Análise de volume e de superfície de In-solo X-ray tomografia computadorizada de dados (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: Aprenda a extrair métricas quantitativas de raízes em 3D usando tomografia computadorizada de raios X in-solo. Esta técnica não invasiva permite estudar plantas em seu ambiente natural.

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Este trabalho foi realizado no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação científica nacional patrocinada pelo Escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental do Departamento de Energia e localizada no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.

Atenção: O funcionamento de um scanner de tomografia de raios-X requer tanto a formação de radiação em geral, e treinamento de segurança de radiação específica do instrumento. Todos os procedimentos correspondentes relevantes para o laboratório do experimentador deve ser seguido. Imagem 1. Raiz Nota: Esta etapa descreve a imagem de um espécime grama mantidos no seu solo original em um vaso de plástico tubular (um tubo de plástico com um diâmetro de 40 mm, uma altura de 210 mm e espessura de parede de cerca de 2 mm). <ol><li> Coloque plantas envasadas no manipulador de amostra do instrumento a uma distância desejada para ampliação alvo. Para obter uma planta de um suporte de um diâmetro de 2 polegadas, a amostra a distância fonte deve ser de cerca de 3 polegadas (7 cm). </li><li> Ajuste as configurações de digitalização de raios-X para atingir a cor ideal (nível de cinza) o contraste da imagem detector in. Nota: Estas definições estão disponíveis no software de controle de instrumento utilizado. <ol><li> configurações de energia de raios-X Set; 85 kV e 190 uA foram utilizados neste exameple. </li><li> Definir tempo de exposição. Aqui, utilizou-se um tempo de exposição relativamente longo de 1 seg para uma melhor relação sinal-ruído. </li><li> Defina o número de projeções e quadros por projeção; 4 quadros por projecção para um total de 3.142 projeções é sugerido para boas estatísticas de dados. </li><li> Executar uma correção de sombreamento usando as condições de medição indicados acima, selecionando a guia &quot;correção Shading&quot;, e clicar em &quot;Criar&quot;. Nota: A correcção de sombreado compensa a variação na resposta dos pixels do dispositivo de imagem quando iluminado com um conjunto de fluxo constante de raios-X. O processo leva imagens em branco (com a amostra removida do caminho do feixe) com o feixe de raios-X é ligado e com o feixe de desligado. Esta correção é aplicada a todas as imagens recolhidas. </li><li> Selecione a opção &quot;Minimizar artefactos anel&quot; (também chamado &quot;modo de vaivém&quot;); a amostra será rodado em passos angulares, enquanto as imagens de projeção são adquiridos. Isto leva a DATa aquisição a uma taxa mais lenta, mas ajuda a eliminar artefactos anel. </li><li> Inicie a digitalização, clicando no botão &quot;Acquire&quot; sob a guia Acquisition (com as configurações descritas acima, coleção de imagens levará cerca de 4 horas). </li></ol></li></ol> Reconstrução 2. Dados Nota: Esta seção descreve a reconstrução de dados de volume 3D a partir de imagens RAW (radiografias da tomografia computadorizada). <ol><li> Carregar os dados em bruto para o programa. </li><li> Compare primeira e última imagem (que deve ser quase idêntico ao da última imagem é tomada depois de uma rotação da amostra 360 o) para garantir que o espécime não se mexeu ou as configurações de digitalização não se alterou durante a aquisição de dados. </li><li> Calcular o centro de rotação (COR), selecionando a guia &quot;centro de rotação&quot;, e clicar em &quot;Iniciar&quot;; opções de uso &quot;Automatic&quot; COR encontrar com &quot;alta qualidade&quot; precisão, e &quot;Dual&quot; (superior e inferior) slice seleição para o cálculo COR. </li><li> Selecione o volume da amostra a ser reconstruída: selecione a guia &quot;Volume&quot;, e editar as janelas de seleção de volume usando as miniaturas. </li><li> Execute reconstrução para criar o arquivo de volume contendo dados 3D, clicando em &quot;Iniciar&quot;. </li></ol> 3. Data Processing / Segmentação Nota: Esta seção descreve as medidas a serem tomadas para preparar os dados reconstruídos para processamento adicional na RooTrak programa para rastrear raízes como eles se ramificam através do solo, e isolar as raízes de qualquer material circundante para produzir uma pilha de imagens binárias de apenas o própria raiz. <ol><li> Processamento de dados de volume em ImageJ para preparar um RooTrak pilha de processável: <ol><li> Carregar o arquivo de volume em ImageJ. </li><li> Otimizar o contraste de imagem entre raiz e solo, ajustando as configurações de brilho e contraste (Clique na imagem / Ajustar / Brilho / Contraste). Quando a região de interesse dentro da imagem é visível e Claramente distinguíveis, as configurações são consideradas otimizado. </li><li> Salvar como uma pilha de imagens em JPEG, BMP ou PNG. </li></ol></li><li> Processamento na RooTrak para o segmento de raiz: <ol><li> Carregar a pilha de em RooTrak (vá em &quot;Ferramentas&quot;, e pressione &quot;Tracker&quot;). </li><li> Definir pontos de semente dentro de root: clique vários pontos dentro de cada uma das secções de raiz pertinentes visíveis na vista superior fatia dos dados de volume. </li><li> Defina os parâmetros Tracker &quot;Suavidade&quot; e &quot;similaridade&quot; para 0,3 e 0,8, respectivamente. </li><li> Executar a função de rastreamento. Esta seguirá a raiz da fatia de imagem superior todo o caminho até a fatia inferior. </li><li> Depois de ver os dados de volume, selecionar o número de fatias de acordo com o volume de dados utilizável; Neste caso, o acompanhamento foi parado em fatias 200, equivalente a uma profundidade de 6,2 mm, em que as fronteiras de raiz adoeceu-definido (a imagem da raiz rastreados começaram a misturar-se que do solo). Note opilha de imagens produzidas serão salvos automaticamente para onde quer que o diretório de saída foi criado. </li></ol></li></ol> 4. Volume e Análise de Superfície Nota: Esta etapa descreve a geração de malha isosurface da pilha imagem criada por RooTrak. <ol><li> Converter pilha de imagens de RooTrak em um formato de imagem binária em ImageJ. Selecione &quot;Processo&quot;, então &quot;Binário&quot;, depois &quot;Make Binary&quot;. </li><li> Use o plugin ImageJ open-source, BoneJ, para criar a malha triangular; em ImageJ selecione &quot;Plugins&quot;, então &quot;BoneJ&quot;, então &quot;isosuperfície&quot;. </li><li> Defina &quot;Resampling&quot; e &quot;Threshold&quot; a 6 e 120, respectivamente (as configurações padrão). Marque a opção &quot;Mostrar superfície&quot;, e pressione o botão &quot;OK&quot;. </li><li> Sobre o &quot;visualizador 3D&quot;, clique na guia Arquivo, em seguida, em &quot;superfícies de Exportação&quot;, em seguida, salvar como &quot;STL (binary)&quot;. </li><li> Abrir imeshJ, selecione o arquivo STL e digite o tamanho voxel em microns. Clique em &quot;CÁrea de Superfície alculate &quot;para adquirir área de superfície total de raízes amostra em mm 2. Da mesma forma, clique em&quot; Calcular Volume &quot;para obter volume total raiz amostra em mm3. </li></ol>

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</ol>

Não temos nada a divulgar.

Uma combinação de tomografia computadorizada por raios X e vários programas de código aberto provou ser uma combinação poderosa de forma não invasiva amostras de raízes de plantas imagem, dados de raiz segmento, e extrair informação quantitativa (área de superfície e volume) a partir dos dados 3D. A nossa capacidade para visualizar e medir características está sempre limitada pela resolução da digitalização, bem como por limitações do software RooTrak. No entanto, resolução de digitalização foi suficiente para capturar ...

Roots, como parte da rizosfera 2-5, representam uma parte &quot;invisível&quot; da biologia da planta, desde o solo torna difícil para as raízes de imagem não-invasiva 6, 7. No entanto, estudar o crescimento das raízes e interação dentro do ambiente do solo é fundamental para a compreensão o crescimento das raízes / planta e ciclagem de nutrientes, o que por sua vez afetam arborização, segurança alimentar e climática. Raios-X a tomografia computadorizada (XCT) provou ser uma ferramenta valiosa para a imagiologia não invasivo de amostras de raízes de plantas em seus ambientes locais 8. A fim de medir o desenvolvimento de raiz e alterações dimensionais sob diferentes condições, e ser capaz de comparar dados de diferentes conjuntos de dados / espécimes, é preciso extrair informação quantitativa a partir dos dados de tomografia. A segmentação dos dados de raiz a partir do que o solo circundante, isto é, o isolamento da imagem de raiz de todo o resto em torno dele (incluindo, por exemplo, uma planta vizinha) é um passo crítico antes Accuanálise de tamanho de taxa pode ser feito. No entanto, uma abordagem limite simples é muitas vezes inviável para os dados de raiz. Os desafios associados com as raízes das plantas de imagem no solo incluem variações nas propriedades de atenuação de raios-X do material de raiz, ea sobreposição de valores de atenuação entre raízes e do solo causada pela água e matéria orgânica. Estas questões foram soberbamente abordada recentemente pelo Mairhofer et al. em seu visual ferramenta de acompanhamento RooTrak 7, 9. O próximo passo após uma segmentação de sucesso é a determinação precisa do volume de raiz e área de superfície. O volume pode ser estimado pela contagem do número de voxeis e multiplicando por tamanho em cubos dos voxels como mostrado anteriormente 7. Para uma determinação mais precisa da área de superfície da raiz e do volume, a iso-superficie do sistema radicular segmentado pode ser representado por uma malha de triângulos, usando um algoritmo conhecido como marcha cubos 10. O open-source ImageJ 11 pode ser empregado para aproximar thvolume de raiz e com base no algoritmo Marching Cubes. Para o melhor de nosso conhecimento, apenas um número limitado de software de código aberto dedicado a calcular os dados de volume / superfície à base de tomografia para espécimes de raiz no intervalo centímetro e acima está disponível 12. Um software de fonte aberta que olhou para 13 centra-se no crescimento radicular e destina-se a características celulares que permitem a análise do volume quantitativo em resolução de uma única célula. Alguns softwares de código aberto dedicado a sistemas de raiz toda a 14 é excelente para sistemas radiculares tubular de pequeno diâmetro com base na aproximação que a sua forma é realmente tubular. No entanto, alguns trabalhos com imagens em 2D e são incapazes de lidar com 3D pilhas 14. Além disso, a forma aproximação tubular pode não ser válida quando os sistemas radiculares com superfícies ásperas e formas não uniformes, tais como os de árvores, são estudadas. Outra abordagem 15 usa duas dimensões (2D) sequências de imagens de rotação inovadora contornando the precisa de um scanner CT caro. Ele mede, registros e exibe raiz comprimentos sistema. O software testámos daqueles só está disponível comercialmente 16-18; um não parece ser capaz de lidar com imagem 3D pilhas 16, o segundo é uma ferramenta de área foliar e medição do comprimento radicular 17, enquanto o terceiro é baseado na análise de cor 18. Com base nesse levantamento, sugerimos que uma opção sem custo que se aproxima da superfície eo volume da raiz, independentemente da sua forma a partir de dados de tomografia 3D é desejável. Com base na RooTrak livremente disponível e ImageJ, temos desenvolvido um programa, chamado imeshJ (ver arquivo de código Suplementar), que processa uma malha isosurface (arquivo de estereolitografia superfície) gerado a partir de dados de raiz segmentados, e calcula a área de volume e superfície da raiz, fazendo cálculos geométricos simples sobre os dados de malha de índice triângulo. Aqui nós relatamos um método que combina o uso de imagens XCT,reconstrução dos dados e visualização (software CT Pro 3D e VG Studio), a segmentação da raiz da amostra do solo nos dados 3D (ImageJ software open-source e RooTrak), e extração das informações de superfície e volume a partir de uma malha triangular (ImageJ eo imeshJ código de computador).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&nbsp;</td><td>Scanner de tomografia de raios X</td> <td>de metrologia</td><td></td> Nikon</tr><tr><td>Inspect X</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Software de controle de instrumentos</td></tr><tr><td>CT Pro 3D</td><td>Nikon Software</td> de reconstrução de metrologia<td></td>, <td>versão XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>Software de visualização para volumes 3D, versão 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Código aberto</td><td></td><td>Software de processamento e análise de imagem, versão 1.6</td></tr><tr><td>RooTrak</td> Software de segmentação de raiz <td>de código</td><td></td> aberto<td>, versão 0.3.1-b1 beta</td></tr><tr><td>imeshJ</td><td>EMSL</td><td></td><td>MATLAB script desenvolvido pelos autores</td></tr><tr>Amostra <td></td><td></td> de<td>grama de semente de pradaria</td><td>Amostra obtida do solo em área residencial</td></tr></tbody></table>

extraindo métricas para sistemas radiculares tridimensionais: análise de volume e de superfície de in-solo x-ray tomografia computadorizada de dados

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

As raízes das plantas desempenham um papel fundamental nas interações planta-solo-micróbio que ocorrem na rizosfera, bem como processos com implicações importantes para as alterações climáticas e manejo da cultura. informações de tamanho quantitativo em raízes em seu ambiente nativo é inestimável para estudar o crescimento das raízes e processos ambientais que envolvem plantas. De raios-X de tomografia computadorizada (XCT) foi demonstrado ser uma ferramenta eficaz para a verificação da raiz in situ e análise. Nosso objetivo foi desenvolver uma ferramenta sem custos e eficiente que se aproxima da superfície eo volume da raiz, independentemente da sua forma a partir de dados tridimensional tomografia (3D). A estrutura de raiz de um dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) espécime foi fotografada usando XCT. A raiz foi reconstruído, e a estrutura de raiz primária foi extraído a partir dos dados usando uma combinação de software licenciado e de código aberto. Uma malha poligonal isosurface foi então criado para facilitar a análise. Nós desenvolvemos tele autônomo aplicativo imeshJ, gerada em MATLAB 1, para calcular o volume de raiz e área de superfície da malha. As saídas de imeshJ são a área da superfície (em mm 2) e o volume (em mm 3). O processo, que utiliza uma combinação única de ferramentas de imagem para análise quantitativa da raiz, está descrito. Uma combinação de XCT e software de código aberto provou ser uma combinação poderosa de forma não invasiva amostras de raízes de plantas imagem, dados de raiz segmento, e extrair informação quantitativa a partir dos dados 3D. Esta metodologia de processamento de dados 3D devem ser aplicáveis ​​a outros sistemas de material / amostra onde há conectividade entre os componentes de atenuação de raios-X semelhantes e dificuldades surgem com a segmentação.

A amostra que consiste em duas hastes de relva nativa Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) e o solo original em torno dele foi feita a partir de uma área residencial e colocado num pequeno suporte em forma de tubo visto na Figura 1. O tamanho reconstruída do voxel de dados foi de aproximadamente 31 um x 31 um x 31 um. O arquivo de volume reconstruído foi usada para criar uma pilha de imagens a partir de uma orientação selecionada (vista superior) utilizando...

Uma metodologia para a obtenção de informação sobre a estrutura de raiz visual e quantitativa a partir de dados de raios-X de tomografia computadorizada adquiridos em solo é apresentada.

Extraindo Métricas para sistemas radiculares tridimensionais: Análise de volume e de superfície de In-solo X-ray tomografia computadorizada de dados

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

O objetivo geral deste procedimento é extrair informações quantitativas sobre raízes de plantas a partir de dados de tomografia computadorizada de raio X em solo. Este método de investigação da estrutura radicular de plantas vivas pode ajudar a responder perguntas-chave na área da biologia, como a forma como as plantas respondem a condições ambientais variáveis, tais como seca, atividades microbianas, entre outras. A principal vantagem desta técnica é que ela é não invasiva, permitindo-nos estudar as plantas em seu ambiente natural, o solo.A demonstração visual deste método é valiosa, pois o procedimento envolve diversas etapas, incluindo imagem tomográfica, reconstrução de dados e análise, que podem ser obscuras sem auxílio visual. Para começar, coloque uma planta em vaso sobre o manipulador de amostras do scanner de tomografia de raios X a uma distância desejada para a ampliação alvo. Para uma planta em um suporte de dois polegadas de diâmetro, defina uma distância da amostra à fonte de cerca de três polegadas.No software de controle do instrumento, defina as configurações de potência de raios X para 85 quilovolts e 190 microampères. Em seguida, ajuste o tempo de exposição para u

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Alta resolução de raios-X de tomografia computadorizada (PCA), é um não-destrutiva técnica de imagiologia de diagnóstico que pode ser utilizada para estudar a estrutura e função dos vasos de plantas em 3D. Demonstramos como TCAR facilita a exploração de redes de xilema através de uma ampla variedade de tecidos e espécies vegetais.

Usando tomografia de tórax para visualizar a estrutura tridimensional e Função da Usina Vasculatura

Este protocolo descreve um processo para cobrança rápida de imagens de plântulas de Arabidopsis que respondem a um estímulo gravidade usando scanners de mesa disponíveis comercialmente. O método permite a baixo custo, a captura de grandes volumes de imagens de alta resolução passíveis de algoritmos de análise a jusante.

Usando scanners de mesa para coletar imagens de alta resolução tempo decorrido da Arabidopsis Root gravitrópico Response

Este estudo apresenta um método de escavação para investigar hidrológico subsuperfície, geoquímicos e heterogeneidade microbiológica de um lisímetro de solo. O lisímetro simula um hillslope artificial que foi inicialmente sob condição homogênea e tinha sido submetido a aproximadamente 5.000 mm de água ao longo de oito ciclos de irrigação em um período de 18 meses.

Monólito escavação para Coupled Hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos Investigações

Um protocolo experimental é apresentado para avaliação do solo cultivado sistemas de raiz de planta com RGB e geração de imagens hiperespectrais. Combinação de tempo de imagem RGB série com informações quimiométricas de hiperespectrais verifica otimiza insights sobre a dinâmica de raiz da planta.

RGB e raiz Spectral Imaging para fenotipagem de planta e pesquisa fisiológica: instalação Experimental imagem e protocolos

Este protocolo é apresentado para caracterizar as condições do complexo umectante de um meio poroso opaco (rocha reservatório de hidrocarbonetos) usando imagens tridimensionais obtidas por microtomografia de raios-x em condições de subsuperfície.

Imagem de poro-escala e caracterização de hidrocarbonetos molhabilidade de rocha reservatório no subsolo condições utilizando microtomografia de raios-x

Processos de paisagem são componentes críticos de formação do solo e desempenham um papel importante na determinação de propriedades do solo e estrutura espacial em paisagens. Propomos uma nova abordagem usando regressão de componentes principais etapas para prever a redistribuição de solo e carbono orgânico do solo em várias escalas espaciais.

Uso de componentes principais para ampliação de modelos topográficos para mapear a redistribuição de terra e solo de carbono orgânico

Nós fornecemos um método inovador para melhorar o contraste de absorção de raio-x do milho tecido apropriado para digitalização de tomografia computadorizada de microcomputed comum. Com base em imagens de CT, apresentamos um conjunto de fluxos de trabalho de processamento de imagem para diferentes materiais de milho que efetivamente extrair fenótipos microscópicos de feixes vasculares de milho.

Técnicas de fenotipagem mícron-escala de milho feixes vasculares, com base na tomografia computadorizada de Microcomputed de raio-x

O protocolo descreve procedimentos para adquirir imagens de tomografia computadorizada (TC) de alta resolução espacial de um solo granular durante a compressão triaxial, e aplicar técnicas de processamento de imagem a essas imagens de TC para explorar o comportamento mecânico em escala de grãos de o solo carga.

Visualização da falha e do comportamento mecânico da escala de grãos associado de solos granulares cisalhamento usando microtomografia de raios X de síncrotron

Este protocolo apresenta um fluxo de trabalho para visualização sub-mm 2D de múltiplas espécies de nutrientes inorgânicos labile e súute contaminante usando gradientes difusivos em filmes finos (DGT) combinados com imagens de espectrometria de massa. A amostragem de soluto e a análise química de alta resolução são descritas em detalhes para mapeamento quantitativo de solutos na rizosfera das plantas terrestres.

Visualização bidimensional e quantificação de labile, nutrientes vegetais inorgânicos e contaminantes no solo

A micro-TC é uma ferramenta não destrutiva capaz de analisar as estruturas das plantas em três dimensões. O presente protocolo descreve o preparo da amostra para alavancar micro-CT para analisar a estrutura e função de plantas parasitas. Diferentes espécies são utilizadas para destacar as vantagens deste método quando associado a preparações específicas.

Aproveitando a microtomografia computadorizada para analisar interações parasitas planta-hospedeiro

Aqui, mostramos como processar núcleos de árvores com um conjunto de ferramentas de tomografia computadorizada de raios-X. Exceto para extração química para alguns fins, nenhum tratamento físico adicional de laboratório é necessário. O conjunto de ferramentas pode ser usado para estimativas de biomassa, para obter dados MXD/largura dos anéis de árvores, bem como para obter dados quantitativos de anatomia da madeira.

Análise de testemunhos de árvores com tomografia computadorizada de raios X

Aprenda a extrair métricas quantitativas de raízes em 3D usando tomografia computadorizada de raios X in-solo. Esta técnica não invasiva permite estudar plantas em seu ambiente natural.

Extraindo Métricas para sistemas radiculares tridimensionais: Análise de volume e de superfície de In-solo X-ray tomografia computadorizada de dados (Vídeo) | JoVE Journal

Extraindo Métricas para sistemas radiculares tridimensionais: Análise de volume e de superfície de In-solo X-ray tomografia computadorizada de dados

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