Fraunhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(tǒng)在植物科研領(lǐng)域應(yīng)用

植物作為地球上常見到的景物,是組成地球生態(tài)系統(tǒng)非常重要的一部分,多年來,研究者一直在探索植物生命及其生長過程的奧秘并取得一定成果�；ǘ涫侵参镏匾�的器官之一,不僅種類繁多,并且具有復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命特性,高精度、高真實(shí)感的花朵對(duì)象模型仍然是研究熱點(diǎn)問題之一。但是由于花朵本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部組織貼合緊密等原因,使得三維植物器官數(shù)據(jù)場(chǎng)分割工作一直是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的課題。為解決植物器官CT圖像的分割和可視化問題,可以植物花朵器官為研究對(duì)象,利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)(CT)獲取花朵體數(shù)據(jù)信息,并對(duì)獲取的花朵體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分割處理,采用形態(tài)學(xué)細(xì)化算法對(duì)每幅分割后的植物器官圖像進(jìn)行骨架提取,獲取特征端點(diǎn)的,從而為植物器官的表面重建提供數(shù)據(jù)支撐。

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)還可用于種子質(zhì)量控制以及種子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)確立，該系統(tǒng)能檢測(cè)細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（種皮、外殼、胚芽、空腔）。

對(duì)每一粒種子檢測(cè)，都需要復(fù)雜的處理流程。檢測(cè)的目的是為了保證其不變高品質(zhì)。盡管有各種實(shí)驗(yàn)方法可以選擇，但是在種子檢測(cè)方面，X射線仍是比較可靠的方法，通過影響處理系統(tǒng)，CT設(shè)備可監(jiān)測(cè)到每一粒種子。自2003年起，F(xiàn)rauhofer EZRT開始了種子CT斷層掃描系統(tǒng)的研究，近年來，對(duì)植物材料的研究已經(jīng)從種子擴(kuò)展到植物根、莖、果實(shí)等領(lǐng)域，走在CT植物表型研究的前列。其中一款自動(dòng)化系統(tǒng)，種子無需單獨(dú)分開，軟件可將每粒種子從混合種子中分離，從而簡化了樣品制備，能在一次實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)大量種子檢測(cè)。此外，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械臂取料，托盤內(nèi)科放置多個(gè)小盒。操作界面簡單，校準(zhǔn)或系統(tǒng)射線管溫度控制均為獨(dú)立。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、清晰成像，幾何分辨率約為50um。

Frauhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無需染色、無需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內(nèi)部詳盡的三維信息，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域，例如花、果實(shí)、種子、根系等研究。

Frauhofer研究院是世界知名的應(yīng)用技術(shù)研究院，很多工業(yè)技術(shù)都源自于該研究所。Frauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應(yīng)用在植物的表型研究上。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同，植物CT研究需要獨(dú)特算法和軟件等。Frauhofer研究院在該研究領(lǐng)域位于世界前沿。

Frauhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1.該無損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可適用于不同植物

2.系統(tǒng)可快速有效掃描全植株

3.借助溫室以及數(shù)個(gè)環(huán)境箱，可模擬真實(shí)環(huán)境條件

氣候變化的后果極其復(fù)雜，對(duì)發(fā)展中國家影響更大。例如，氣溫上升可使一些區(qū)域不適合居住，切斷了當(dāng)?shù)鼐用瘾@得水源的主要通道。即便發(fā)達(dá)國家也難以逃脫氣候變化影響，被迫改變思維方式-特別是農(nóng)業(yè)的思維方式迫在眉睫。現(xiàn)代植物栽培種不能快速適應(yīng)氣候變化影響，農(nóng)民需要栽種能調(diào)整適應(yīng)了當(dāng)?shù)刂饕獥l件的植物品種。這是為何研究者X光研發(fā)技術(shù)中心EZRT專注于無損監(jiān)測(cè)以及植物分析。

許多植物品系（如土豆、小麥、水稻和木薯）都在努力適應(yīng)世界氣候條件變化條件。要尋找到適當(dāng)應(yīng)對(duì)應(yīng)用環(huán)境條件改變的方式，F(xiàn)rauhofer研究人員分析了不同植物品系如何應(yīng)對(duì)環(huán)境沖擊。表型是一種鑒別植物的方式，例如，鑒別在高溫條件下仍能有足夠產(chǎn)量的植物。

實(shí)際環(huán)境下植物分析

理論上，人們可在田間通過人工視覺簡單觀測(cè)植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個(gè)人連續(xù)觀測(cè)數(shù)百個(gè)植株，很容易看出趨勢(shì)，但結(jié)果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，Oliver Scholz教授，X光技術(shù)研發(fā)中心的系統(tǒng)研究組負(fù)責(zé)人表示。要生成有意義數(shù)據(jù)，研究人員需要分析多個(gè)品系的各數(shù)十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對(duì)此研究配備了一個(gè)專門溫室以及數(shù)個(gè)環(huán)境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。

鑒別高產(chǎn)品種

植物由地上和地下器官組成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人們可從葉片（植物太陽能電池板）收集有價(jià)值信息。光學(xué)監(jiān)控技術(shù)，例如3D激光技術(shù)，非常適合觀測(cè)葉片以及其環(huán)境。利用3D植物掃描儀獲取植物3維圖像。激光可向葉片表面投射窄線。因該線沿葉片走向，相機(jī)可記錄該線的位置。幾秒鐘，即可生成數(shù)以百萬的3D坐標(biāo)，用以描述葉片表面（says Scholz）。

因該所的工作涉及到長期觀測(cè)和檢測(cè)的多個(gè)系列植物，該方法生成了大量3D數(shù)據(jù)。要對(duì)來自植物的單個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)對(duì)比，研究所開發(fā)了特殊的軟件程序，使用復(fù)雜過程來計(jì)算葉片主要參數(shù)，之后以更小軟件包的形式提供這些參數(shù)。研究人員從而可直接讀取并精確分析葉片尺寸、表面積、傾斜和曲率。生物學(xué)家獲取此類表型數(shù)據(jù)并將其與微生物學(xué)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，從而鑒別生物機(jī)制，允許特定植物品系快速生長，即便在極端條件下也有足夠產(chǎn)量。

地下X光成像：數(shù)分鐘構(gòu)建3D CT

植物地下部分，例如其根部結(jié)構(gòu)和果序也可提供關(guān)于植物生物量的重要信息。光學(xué)監(jiān)控技術(shù)于此已經(jīng)達(dá)到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來取得了巨大進(jìn)展。此技術(shù)可輕松用于檢測(cè)鋼制或其它合金材質(zhì)大樣品。在現(xiàn)今系統(tǒng)上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領(lǐng)域研究者面對(duì)不同的挑戰(zhàn)。與工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室多處應(yīng)用不同，表型不僅僅關(guān)注圖像品質(zhì)，成像的限制因素是成像時(shí)間，Stefan Gerth博士-革新系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，該所研究者開發(fā)了自己的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，目標(biāo)是在有效圖像品質(zhì)和更短測(cè)量時(shí)間間取得平衡。

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發(fā)育階段的土豆

測(cè)量時(shí)間影響非常大，原因是研究者通常會(huì)測(cè)量一系列產(chǎn)品。長時(shí)測(cè)量在時(shí)間上并不經(jīng)濟(jì)，將植物長時(shí)間放在X光機(jī)內(nèi)相當(dāng)于將植物從其熟悉環(huán)境中“隔離”出來，嚴(yán)重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術(shù)研發(fā)中心不斷投入到優(yōu)化X光系統(tǒng)的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應(yīng)的硬件，研究所用的軟件作用也至關(guān)重要。因成像時(shí)間短，源數(shù)據(jù)包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償，可全自動(dòng)將植物器官與周圍環(huán)境分離出來。

下一步，軟件自動(dòng)鑒別果實(shí)和根部結(jié)構(gòu)的縱橫比以及植物器官的重量。要確保聲明可靠性，研究者對(duì)試驗(yàn)系列進(jìn)行數(shù)周、數(shù)月的觀測(cè)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，利用一段時(shí)間的柱狀圖，研究者可以弄清楚植物如何進(jìn)行地下生長發(fā)育。Joelle Claussen解釋道，他已經(jīng)在X光技術(shù)研發(fā)中心測(cè)量了數(shù)以千計(jì)的植物。盡管該所就檢測(cè)系列取得較高成功率，也無法完全模擬溫室環(huán)境中真實(shí)的環(huán)境影響。這就是為何生物學(xué)家要在真實(shí)環(huán)境條件下對(duì)齊進(jìn)行驗(yàn)證的原因，Claussen表示。

在國內(nèi)和國外研究伙伴的支持下，F(xiàn)rauhofer研究院非常確信研究者的無損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在氣候變化情況下，提供適當(dāng)應(yīng)對(duì)措施。

北京博普特科技有限公司是Frauhofer植物斷層掃描系統(tǒng)的中國區(qū)代理，負(fù)責(zé)其系列產(chǎn)品在中國的推廣、銷售和售后服務(wù)。

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發(fā)育階段的土豆。

3D計(jì)算機(jī)斷層掃描原理：3D斷層掃描（CT）可生成諸多方向的多個(gè)X光圖像（投影）。與醫(yī)學(xué)CT掃描不一樣，工業(yè)CT系統(tǒng)掃描的目標(biāo)經(jīng)常會(huì)安裝在旋轉(zhuǎn)桌面，位于X光射線管和檢測(cè)器之間。目標(biāo)繞其軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)，記錄下投影。