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Frauhofer植物计算机断层扫描表型成像系统在植物科研领域应用

发表时间:2019-09-11 11:00:42点击:72

来源:北京博普特科技有限公司

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植物作为地球上最常见到的景物,是组成地球生态系统非常重要的一部分,多年来,研究者一直在探索植物生命及其生长过程的奥秘并取得一定成果。花朵是植物最重要的器官之一,不仅种类繁多,并且具有复杂的形态结构和生命特性,高精度、高真实感的花朵对象模型仍然是研究热点问题之一。但是由于花朵本身结构复杂、内部组织贴合紧密等原因,使得三维植物器官数据场分割工作一直是一项具有挑战性的课题。为解决植物器官CT图像的分割和可视化问题,可以植物花朵器官为研究对象,利用X射线计算机断层扫描系统(CT)获取花朵体数据信息,并对获取的花朵体数据信息进行分割处理,采用形态学细化算法对每幅分割后的植物器官图像进行骨架提取,获取特征端点的,从而为植物器官的表面重建提供数据支撑。

计算机断层扫描技术还可用于种子质量控制以及种子检测标准确立,该系统能检测细微的内部结构(种皮、外壳、胚芽、空腔)。

对每一粒种子检测,都需要复杂的处理流程。检测的目的是为了保证其不变高品质。尽管有各种实验方法可以选择,但是在种子检测方面,X射线仍是比较可靠的方法,通过影响处理系统,CT设备可监测到每一粒种子。自2003年起,Frauhofer EZRT开始了种子CT断层扫描系统的研究,近年来,对植物材料的研究已经从种子扩展到植物根、茎、果实等领域,走在CT植物表型研究的最前列。其中一款自动化系统,种子无需单独分开,软件可将每粒种子从混合种子中分离,从而简化了样品制备,能在一次实验中实现大量种子检测。此外,也可实现自动机械臂取料,托盘内科放置多个小盒。操作界面简单,校准或系统射线管温度控制均为独立。该设备可实现对种子内部结构的稳定、清晰成像,几何分辨率约为50um。

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Frauhofer植物计算机断层扫描表型成像系统采用微焦点X射线成像原理进行超高分辨率三维成像,可以在不破坏样品(无需染色、无需切片)的情况下,获得高精度三维图像,显示样品内部详尽的三维信息,并进行结构、密度的定量分析,适用于观察植物化石样品结构和植物活体组织的细胞结构,近年来被广泛应用于结构学、组织学、生物学特别是古生物学等研究领域,例如花、果实、种子、根系等研究。

Frauhofer研究院是世界最知名的应用技术研究院,很多工业技术都源自于该研究所。Frauhofer专门成立的植物表型CT研究组致力于CT技术应用在植物的表型研究上。与传统医学CT不同,植物CT研究需要独特算法和软件等。Frauhofer研究院在该研究领域位于世界最前沿。

Frauhofer植物计算机断层扫描系统优点

1.该无损监测系统可适用于不同植物

2.系统可快速有效扫描全植株

3.借助温室以及数个环境箱,可模拟真实环境条件

气候变化的后果极其复杂,对发展中国家影响更大。例如,气温上升可使一些区域不适合居住,切断了当地居民获得水源的主要通道。即便发达国家也难以逃脱气候变化影响,被迫改变思维方式-特别是农业的思维方式迫在眉睫。现代植物栽培种不能快速适应气候变化影响,农民需要栽种能调整适应了当地主要条件的植物品种。这是为何研究者X光研发技术中心EZRT专注于无损监测以及植物分析。

许多植物品系(如土豆、小麦、水稻和木薯)都在努力适应世界气候条件变化条件。要寻找到适当应对应用环境条件改变的方式,Frauhofer研究人员分析了不同植物品系如何应对环境冲击。表型是一种鉴别植物的方式,例如,鉴别在高温条件下仍能有足够产量的植物。

实际环境下植物分析

理论上,人们可在田间通过人工视觉简单观测植物。但该方法为主观方法,并不精确。如果一个人连续观测数百个植株,很容易看出趋势,但结果总是不同。因此,研究人员选择使用非破坏性监测系统,Oliver Scholz教授,X光技术研发中心的系统研究组负责人表示。要生成有意义数据,研究人员需要分析多个品系的各数十株植物。该研究所位于Fürth的基地针对此研究配备了一个专门温室以及数个环境箱,用以模拟限定气候条件。研究者直接读取并精确分析叶片尺寸、叶面积、倾斜以及曲率等。

鉴别高产品种

植物由地上和地下器官组成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人们可从叶片(植物太阳能电池板)收集有价值信息。光学监控技术,例如3D激光技术,非常适合观测叶片以及其环境。利用3D植物扫描仪获取植物3维图像。激光可向叶片表面投射窄线。因该线沿叶片走向,相机可记录该线的位置。几秒钟,即可生成数以百万的3D坐标,用以描述叶片表面(says Scholz)。

因该所的工作涉及到长期观测和检测的多个系列植物,该方法生成了大量3D数据。要对来自植物的单个叶片实现对比,研究所开发了特殊的软件程序,使用复杂过程来计算叶片主要参数,之后以更小软件包的形式提供这些参数。研究人员从而可直接读取并精确分析叶片尺寸、表面积、倾斜和曲率。生物学家获取此类表型数据并将其与微生物学知识相关联,从而鉴别生物机制,允许特定植物品系快速生长,即便在极端条件下也有足够产量。

地下X光成像:数分钟构建3D CT

植物地下部分,例如其根部结构和果序也可提供关于植物生物量的重要信息。光学监控技术于此已经达到极限,这是为何研究人员在此处选择了X射线。X射线成像和显微法近几十年来取得了巨大进展。此技术可轻松用于检测钢制或其它合金材质大样品。在现今系统上可以清楚显示小材料缺陷,轮胎铝轮毂或缸头壳体,易于鉴别。但表型领域研究者面对不同的挑战。与工业和实验室多处应用不同,表型不仅仅关注图像品质,成像的限制因素是成像时间,Stefan Gerth博士-革新系统设计团队负责人表示,该所研究者开发了自己的实验室系统,目标是在有效图像品质和更短测量时间间取得平衡。

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X光可帮助研究者看到地下情形。上图是在不同发育阶段的土豆

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测量时间影响非常大,原因是研究者通常会测量一系列产品。长时测量在时间上并不经济,将植物长时间放在X光机内相当于将植物从其熟悉环境中“隔离”出来,严重影响效果的有效性。Frauhofer研究所X光技术研发中心不断投入到优化X光系统的研究中,从而可约在5-7分钟完成植物扫描。另外除了特别适应的硬件,研究所用的软件作用也至关重要。因成像时间短,源数据包含很多噪音,难于处理。智能算法很大程度上对此进行了补偿,可全自动将植物器官与周围环境分离出来。

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下一步,软件自动鉴别果实和根部结构的纵横比以及植物器官的重量。要确保声明可靠性,研究者对试验系列进行数周、数月的观测。在实验结束时,利用一段时间的柱状图,研究者可以弄清楚植物如何进行地下生长发育。Joelle Claussen解释道,他已经在X光技术研发中心测量了数以千计的植物。尽管该所就检测系列取得极高的成功率,也无法完全模拟温室环境中真实的环境影响。这就是为何生物学家要在真实环境条件下对齐进行验证的原因,Claussen表示。

在国内和国际商业和研究伙伴的支持下,Frauhofer研究院非常确信研究者的无损监测系统可在气候变化情况下,提供适当应对措施。

北京博普特科技有限公司是Frauhofer植物断层扫描系统的中国区代理,负责其系列产品在中国的推广、销售和售后服务。

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X光可帮助研究者看到地下情形。上图是在不同发育阶段的土豆。

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3D计算机断层扫描原理:3D断层扫描(CT)可生成诸多方向的多个X光图像(投影)。与医学CT扫描不一样,工业CT系统扫描的目标经常会安装在旋转桌面,位于X光射线管和检测器之间。目标绕其轴旋转同时,记录下投影。

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