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

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).