Методическая статья

Распаковка Метрики для трехмерных систем корней: Том и анализа поверхности из In-почвы рентгеновской компьютерной томографии данных

DOI:

10.3791/53788

⸱

26 апреля 2016 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Environmental Molecular Sciences Laboratory

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Методика получения визуальной и количественной информации корневой структуры от рентгеновской компьютерной томографии данных, полученных в почве-представлен.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Корни растений играют решающую роль в растительно-почвенно-микробных взаимодействий, которые происходят в ризосфере, а также процессы с важными последствиями изменения климата и управления культуры. Количественные данные размера на корни в их родной среде неоценима для изучения роста корней и экологических процессов с участием растений. Рентгеновская компьютерная томография (XCT) было продемонстрировано , чтобы быть эффективным инструментом в месте корня сканирования и анализа. Мы стремились разработать безболезненного и эффективный инструмент, который аппроксимирует поверхность и объем корня, независимо от его формы из данных трехмерной (3D) томография. Корневая структура dropseed Prairie (Sporobolus heterolepis) образец визуализируют с помощью Xct. Корень был перестроен, а основной корень структура была извлечена из данных, используя комбинацию лицензированных и с открытым исходным кодом. Изоповерхность многоугольная сетка была затем создана для удобства анализа. Мы разработали тон отдельное приложение imeshJ, генерируемый в MATLAB 1, для расчета объема корневой системы и площадь поверхности от сетки. Выходы imeshJ имеют площадь поверхности (в мм 2) и объем (в мм 3). Процесс, используя уникальное сочетание инструментов от визуализации до количественного анализа корня, описывается. Сочетание XCT и программного обеспечения с открытым исходным кодом оказался мощным сочетанием неинвазивного изображения растений образцы, корень сегмент данных и извлечения количественной информации из 3D данных. Эта методика обработки 3D-данных должны быть применимы к другим системам материал / образец, где есть связь между компонентами подобного ослабления рентгеновского и трудности возникают с сегментацией.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Корни, как часть ризосферы 2-5, представляют собой «невидимую» часть биологии растений , так как почва затрудняет корни изображения неинвазивным 6, 7. Тем не менее, изучая рост корневой системы и взаимодействия в среде почвы имеет решающее значение для понимания рост корней / растений и круговорот питательных веществ, что в свою очередь влияет на лесоразведения, продовольственная безопасность и климат. Рентгеновская компьютерная томография (XCT) доказал, что является ценным инструментом для неинвазивной визуализации корневых растений образцов в их локальных средах 8. Для того чтобы измерить развитие корневой системы и изменения размеров в различных условиях, и иметь возможность сравнить данные из различных наборов данных / образцов, необходимо извлечь количественную информацию из данных томографии. Сегментация корневых данных от окружающей почвы, то есть изоляция корневого изображения от всего остального вокруг него (в том числе, например, соседняя завод) является важным шагом, прежде чем AccuАнализ размера ставка может быть сделано. Тем не менее, простой подход пороговая часто неосуществимо для корневых данных. Проблемы, связанные с корнями растений визуализации в почве включают вариации в свойствах рентгеновских затухания корневого материала, а также частичное совпадение значений затухания между корнем и почвы под воздействием воды и органических веществ. Эти вопросы были рассмотрены великолепно недавно Mairhofer и др. в их визуальный инструмент отслеживания RooTrak 7, 9. Следующим шагом после успешной сегментации является точное определение объема корней и площади поверхности. Объем может быть оценена путем подсчета количества вокселей и умножения на размер кубе вокселей ' , как показано выше 7. Для более точного определения площади поверхности корня и объема, изоповерхности сегментированного корневой системы может быть представлена ​​в виде сетки из треугольников, используя алгоритм , известный как Марширующих Кубики 10. С открытым исходным кодом ImageJ 11 может быть использовано , чтобы аппроксимировать - ее объем корня на основе алгоритма Маршевые кубов. Насколько нам известно, только ограниченное число с открытым исходным кодом , посвященный расчета томографии на основе данных объема / поверхности для корневых образцов в сантиметровом диапазоне и выше в настоящее время доступен 12. Одно программное обеспечение с открытым исходным кодом мы смотрели на 13 фокусируется на рост корней и направлен на клеточных функций , позволяющих количественный анализ объема при разрешении одноклеточных. Некоторые с открытым исходным кодом программное обеспечение , предназначенное для целых корневых систем 14 отлично подходит для малого диаметра систем трубчатая корней , основанные на приближении , что их форма на самом деле трубчатыми. Тем не менее, некоторые работы с 2D изображениями и не в состоянии справиться с 3D складывает 14. Кроме того, трубчатая приближение форма не может быть действительным, когда корневые системы с неровными поверхностями и неравномерных форм, таких как деревья, изучаются. Другой подход использует 15 двухмерным (2D) вращательные последовательности изображений новаторски в обход тысе необходимость дорогостоящего компьютерного томографа. Он измеряет, записи, и отображает корень длины системы. Программное обеспечение мы тестировали только от тех , которые имеются в продаже 16-18; один не появляется , чтобы быть в состоянии обрабатывать 3D - изображение стеки 16, второй представляет собой площадь листьев и измерение длины корневого инструмента 17, в то время как третий основан на анализе цвета 18. На основании этого опроса, мы предлагаем, что безболезненного вариант, который приближается к поверхности и объема корня, независимо от его формы из 3D данных томографии желательно.

Основываясь на свободно доступных RooTrak и ImageJ, мы разработали программу, названную imeshJ (см Дополнительный файл кода) , который обрабатывает изоповерхности сетку (поверхность стереолитографии файл) генерируется из сегментированных корневых данных, и вычисляет площадь объема и поверхности корня путем делать простые геометрические расчеты по данным индекса треугольника сетки. Здесь мы сообщаем метод, который сочетает в себе использование изображений XCT,реконструкции и визуализации данных (программное обеспечение CT Pro 3D и VG-студия), сегментация корня образца из почвы в 3D-данных (с открытым исходным кодом ImageJ и RooTrak), а также извлечение информации о поверхности и объема от треугольной сетки (ImageJ и код imeshJ компьютер).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Внимание: Работа сканера при помощи рентгеновской томографии требует как общей подготовки излучения и приборов конкретного обучения радиационной безопасности. Все соответствующие процедуры, относящиеся к лабораторным экспериментатора должны быть соблюдены.

1. Корень обработки изображений

Примечание: Этот шаг описывает томографию травы образца, проведенных в его первоначальной почве в трубчатом пластмассовом горшке (пластиковая трубка диаметром 40 мм, высотой 210 ​​мм и толщиной стенок около 2 мм).

  1. Поместите растение в горшке на образце манипулятором прибора на расстоянии требуемого для целевого увеличения. Для установки в держатель диаметром 2 дюйма, образец для удалений источника должен быть около 3 дюймов (7 см).
  2. Настройка параметров сканирования рентгеновских лучей для достижения оптимального цвета (серый уровень) контраст в детекторе изображения. Примечание: Эти настройки доступны в программном обеспечении управления прибором используется.
    1. Установка параметров мощности рентгеновского излучения; 85 кВ и 190 мкА были использованы в этом экзаменеPLE.
    2. Установите время экспозиции. Здесь, сравнительно долгое время экспозиции 1 сек использовали для лучшего соотношения сигнал-шум.
    3. Установить количество проекций и кадров в проекции; 4 кадра в проекции на общую сумму 3,142 проекций предлагается для хорошей статистики данных.
    4. Выполнить коррекцию затенения с использованием условий измерения, установленные выше, выбрав вкладку "Исправление Shading", и нажать кнопку "Создать".
      Примечание: Коррекция затенения компенсирует изменение в ответ пикселей формирователя изображения, когда освещается постоянным набором потока рентгеновского излучения. Процесс занимает пустых изображений (с образцом удаляется из пути луча) с пучком рентгеновского излучения включен, и с пучком выключен. Эта поправка применяется ко всем изображениям собранным.
    5. Выберите опцию "Минимизировать кольцевые артефакты" (также называемый "режим челночного"); образец будет повернута в угловых шагов в то время как проекционные изображения получены. Это приводит к ДАТв приобретении более медленными темпами, но помогает устранить кольцевые артефакты.
    6. Запустите сканирование, нажав на кнопку "Acquire" на вкладке Acquisition (с настройками, описанных выше, коллекция изображений займет около 4 часов).

Реконструкция 2. Данные

Примечание: В данном разделе описывается восстановление данных 3D объема от необработанных изображений (рентгенограмм от КТ).

  1. Загрузите исходные данные в программу.
  2. Сравните первый и последний образ (они должны быть почти идентичны , как последний снимок будет сделан после того, как 360 о вращении образца а) , чтобы убедиться , что образец не сдвинулся или настройки сканирования не изменялись во время сбора данных.
  3. Вычислить центр вращения (COR), выбрав вкладку "Центр вращения", и нажать кнопку "Пуск"; Варианты использования "Автоматический" COR найти с "высокое качество" точность и "Dual" (верхний и нижний) НарезкаВыборы для расчета COR.
  4. Выберите объем образца перестроиться: выберите вкладку "Volume", и редактировать окна выбора громкости с помощью миниатюр.
  5. Выполнение работ по реконструкции для создания файла тома, содержащего данные 3D, нажав кнопку "Пуск".

3. Обработка данных / Сегментация

Примечание: В этом разделе описываются шаги, которые необходимо предпринять для подготовки реконструированные данные для дальнейшей обработки в программе RooTrak отслеживать корни, поскольку они разветвляются через почву, и изолировать корни от любого окружающего материала, чтобы произвести стек бинарных изображений только сам корень.

  1. Обработка объемных данных в ImageJ для подготовки RooTrak стек перерабатываемый изображения:
    1. Загрузите файл тома в ImageJ.
    2. Оптимизация контрастности изображения между корнем и почвы путем регулировки яркости и контрастности (Нажмите на изображение / Настройка / Яркость / Контраст). Когда область интереса в пределах изображения видна и Clearly различимы, настройки считаются оптимизированы.
    3. Сохранить как стеком изображения в JPEG, BMP, PNG или формат.
  2. Обработка в RooTrak сегментировать корня:
    1. Загрузка стека изображения в RooTrak (перейти на вкладку "Инструменты" и нажмите "Маячок").
    2. Установить точки семян внутри корня: нажмите несколько точек внутри каждого из соответствующих разделов корневых видимых в вид сверху среза данных объема.
    3. Установить параметры трекера "Гладкость" и "похожести" до 0,3 и 0,8, соответственно.
    4. Запустите функцию отслеживания. Это будет следовать корень из среза верхнего изображения вплоть до нижнего среза.
    5. После просмотра объема данных, выберите количество срезов в соответствии с полезным объемом данных; в этом случае, отслеживание был остановлен на 200 срезов, что эквивалентно глубине 6,2 мм, где корневые границы стали плохо определены (образ гусеничного корня начала сливаться, что из почвы).
      Обратите вниманиестек изображений производится автоматически будет сохранено туда, где был создан выходной каталог.

4. Объем и Анализ поверхности

Примечание: Этот шаг описывает генерацию сетки изоповерхности из стека изображения, созданного RooTrak.

  1. Преобразование стека изображений из RooTrak в двоичный формат изображения в ImageJ. Выберите "Process", а затем "Binary", а затем "Make Binary".
  2. Используйте с открытым исходным кодом ImageJ плагин, BoneJ, чтобы создать треугольную сетку; в ImageJ выберите "Плагины", затем "BoneJ", затем "изоповерхности".
  3. Установите "ресэмпинга" и "Порог" до 6 и 120 соответственно (настройки по умолчанию). Проверьте "Показывать поверхность", и нажмите кнопку "OK".
  4. На "3D-просмотра" нажмите на вкладку Файл, а затем на "Экспорт поверхностей", а затем сохранить как "STL (двоичный)".
  5. Открыть imeshJ, выберите файл STL и введите размер воксела в микронах. Нажмите кнопку "Calculate Площадь " , чтобы получить общую площадь поверхности образца корня в мм 2. Аналогичным образом , нажмите на кнопку" Рассчитать громкость " , чтобы получить общий объем образца в корневой мм 3.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Образец , состоящий из двух стеблей нативного травы Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) и исходного грунта вокруг него был взят из жилой зоны и помещен в небольшой держатель форме трубки видно на рисунке 1. Реконструированный размер воксела данных составлял приблизительно 31 мкм х 31 мкм х 31 мкм. Файл Реконструированный объем был использован для создания стека изображений из выбранной ориентации (вид сверху) с помощью программы обработки изображений с отк...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Сочетание нескольких программ с открытым исходным кодом доказанных рентгеновской компьютерной томографии и стать мощной комбинацией для неинвазивного изображения растений образцы, корень сегмент данных и извлечения количественной информации (площади поверхности и объема) из 3D данных. Наша способность визуализировать и измерить функции всегда ограничивается разрешением сканирования, а также от ограничений программного обеспечения RooTrak. Тем не менее, разрешение сканирования было достаточно, чтобы захватить большинство...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Нам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была выполнена в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, национальном научном пользовательском объекте, спонсируемом Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики и расположенном в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
X-Tek/Metris XTH 320/225 кВ Nikon Метрологическийрентгеновский томограф
Inspect XNikon MetrologyПрограммное обеспечение для управления прибором
CT Pro 3DПрограммное обеспечение для метрологической, версия XT 2.2
VG Studio MAXVisual Graphics GmbHПрограммное обеспечение для визуализации 3D объемов, версия 2.1.5
ImageJOpen sourceПрограммное обеспечение для обработки и анализа изображений, версия 1.6
RooTrakоткрытым исходным кодом, версия 0.3.1-b1 beta
imeshJEMSLMATLAB скрипт, разработанный авторами
травы Prairie Образецполучен из земли в жилом районе
реконструкции Nikon Программное обеспечение для сегментации корней с Образец

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. MATLAB. , The Mathworks, Inc. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab (2015).
  2. McKenzie, B. M. The Rhizosphere: An Ecological Perspective. Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).
  3. Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. How roots control the flux of carbon to the rhizosphere. Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).
  4. Gregory, P. J. Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science? Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).
  5. Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).
  6. Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).
  7. Mairhofer, S., et al. RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking. Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).
  8. Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. Anderson, S. H., Hopmans, J. W. , Soil Science Society of America. United States. (2013).
  9. Mairhofer, S., et al. Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography. Plant Methods. 9, 8(2013).
  10. Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm. Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).
  11. ImageJ: Image Processing and Analysis in Java. , Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2014).
  12. Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. An online database for plant image analysis software tools. Plant Methods. 9 (38), (2013).
  13. Schmidt, T., et al. The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution. Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).
  14. Galkovskyi, T., et al. GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture. BMC Plant Biol. 12, 116(2012).
  15. Clark, R., et al. 3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform. Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).
  16. RootSnap!. , CID Bio-Science. Available from: https://www.cid-inc.com (2013).
  17. Skye Leaf Area and Analysis Systems and Root Length Measurement System. , Skye Instruments Limited. Available from: http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems (2014).
  18. Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortSci. 30, 906-906 (1995).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

X ray Computed TomographyRoot Volume AnalysisSurface Area Measurement3D Tomography DataIn soil ImagingRoot SegmentationIsosurface MeshIMESHJ ApplicationRooTrak TrackingBoneJ Plugin

Похожие статьи