X선 컴퓨터 단층 촬영을 사용한 나무 코어 분석

목재 밀도^{는 목재의} 해부학적 및 화학적 특성을 모두 반영하는 측정하기 쉬운 변수¹이다2. 지상 바이오매스의 바이오매스 추정에서, 목재 밀도는 중요한 계량 변수 ^3,4,5이며, 이는 나무의 치수와 목재의 탄소 함량을 나타내는 계수와 곱해집니다. 목재의 밀도는 목재6의 기계적 성^{질과 밀접하게} 연결되어 있으며^{, 나무7}의 생활사를 반영한다.

세포벽 밀도는 약 1500kg/m³로 측정되며 상당히 일정한^것으로 간주되지만8 고리 내 세포벽 밀도 변화도 고려해야 합니다 ^8,9. 목질 세포(일반적으로 침엽수의 기관, 혈관, 실질 및 활엽수의 섬유)는 다양한 방식으로 방향/모양이 지정되며 이러한 세포의 세포벽 두께와 내강 크기는¹⁰ 다양합니다. 그러므로, 목재 밀도는 나무들 사이에서, 나무 내에서(축 방향 및 횡단면) 그리고 나이테 내에서 짧은 간격 내에서 변화한다(^11,12). 많은 경우에, 나이테 스케일에서의 목재 밀도 변화는 또한 나이테 경계⁽¹³)를 구분한다. 목재 밀도와 궁극적으로 조직 분율이 생성되며, 이 논문에서는 아래에 설명된 대로 연구 목표(그림 1)에 따라 크게 세 가지 범주(즉, 세 가지 다른 해상도 척도)로 나뉩니다.

Inter-ring scale: 나무 조각을 측정하여 해당 샘플에 대한 단일 값을 얻습니다. 이것은 물에 담그거나 기하학적으로¹⁴를 통해 수행 할 수 있습니다. 이러한 방식으로 일반적인 바이오매스 또는 목재 기술 변수를 얻을 수 있습니다. 속-껍질 변화를 포함하기 위해, 이러한 나무 조각들은 생활사 전략^{(life history strategy) 15}에 대한 정보를 얻기 위해 수동으로 측정되는 블록으로 더 나눌 수 있다. 의료용 스캐너(^17,18)와 같은 저해상도 X-선 CT로 전환할 때, 많은 샘플⁽18,19,20)에서 중-와이드 링에 대한 TRW 데이터를 효율적인 방식으로 만들 수 있다. 이것은 또한 온대 및 열대 나무 모두의 속에서 껍질까지 바이오매스를 평가하는 데 사용할 수 있는 척도입니다 ^4,22, 일반적으로 50 μm에서 200 μm까지의 해상도 범위.

반지 눈금: 나무는 과거 환경 조건의 기록자입니다. 가장 잘 알려진 매개변수는 나이테 너비(TRW)이지만, 지구 온도 재구성의 경우 최대 후목 밀도(MXD) 기록이 온도²²에 대한 더 나은 대용물임이 입증되었습니다. MXD는 측정하기 쉬운 변수⁽²³)이며, 나이테의 마지막 세포에 대한 세포벽 두께 및 세포 크기에 대한 대리물이며, 계절적 기온(²⁴)과 긍정적으로 연결된 수목 계통 및 아한대 부위에 있다: 여름이 따뜻하고 길수록 더 많은 세포벽 점화가 일어나 이러한 마지막 세포의 밀도가 증가한다. 침지 및 기하학적 구조와 같은 기존 측정은 이 링 수준 밀도를 결정하기 위해 덜 정확합니다. 이전 연구에서는 얇은 절단 샘플에 X선 필름을 사용하기 위한 툴체인을 개발했습니다²⁵. 이것은 임업학과 후기 고기후학^15,18 모두에서 혁명을 일으켰으며, 최대 latewood 밀도 (MXD), 즉 여름 온도의 대용물로 종종 고리 끝에있는 피크 밀도 값을 정의했습니다. 기본 원리는 샘플이 축 방향과 완벽하게 평행하도록 절단(대략 1.2mm –^7mm13)하고 샘플을 X선 소스에 노출된 민감한 필름에 놓는 것입니다. 그런 다음 이러한 방사선 촬영 필름은 강도를 감지하고 프로필과 연간 나이테 매개변수를 저장하는 광원을 통해 판독됩니다. 그러나 이러한 도구에는 상당한 양의 시료 준비와 수동 작업이 필요합니다. 최근에는 X-ray CT를 위해 보다 표준화된 방식으로 또는 장착된 코어(²⁶)를 기반으로 개발되었다. 여기서 분해능은 10 μm에서 20 μm 사이이며, TRW는 특히 더 작은 고리를 다룰 때 이 척도로 측정됩니다.

해부학적 규모: 이 규모(해상도 < 4μm)에서는 주요 해부학적 특징이 시각화되고 너비와 비율을 측정할 수 있으므로 평균 밀도 수준이 관련성이 떨어집니다. 일반적으로 이것은 미세 절편이나 고해상도 광학 스캔 또는 μ-CT 스캔을 통해 수행됩니다. 세포벽의 미세구조를 시각화해야 하는 경우, 주사전자현미경이 가장 일반적으로 사용되는 방법이다²⁷. 해부학적 규모에서는 개별 조직 분획이 가시화되어 이미지에서 생리학적 매개변수를 도출할 수 있습니다. 개별적인 해부학적 매개변수와 목재의 세포벽 밀도에 기초하여, 목재 밀도의 종래의 추정기와 비교하기 위해 해부학적 밀도를 도출할 수 있다²⁴.

개선된 단면 기법 및 이미지 소프트웨어^(29,30)로 인해, 덴드로-해부학(dendro-anatomy⁾⁽³⁰)은 침엽수에서 MXD를 보다 가깝게 추정하고 활엽수로부터 여러 해부학적 변수를 측정하기 위해 목재에 대한 보다 정확한 기록을 갖도록 개발되었다. 이 척도에서 실제 해부학적 매개변수가 측정되고 환경적 매개변수(³¹)와 관련된다. μCT를 사용하면 이 수준도 얻을 수 있습니다^32,33.

목재는 본질적으로 흡습성 및 이방성이기 때문에 목재 밀도를 신중하게 정의해야 하며 측정 조건을 오븐 건조, 조건화(일반적으로 수분 함량 12%) 또는 녹색(숲에서 벌목된 상태)으로 지정해야 합니다³⁴. 큰 샘플과 기술적 목적을 위해, 목재 밀도는 주어진 조건에서 무게를 부피로 나눈 값으로 정의됩니다. 그러나 목재 밀도의 값은 측정되는 척도에 따라 크게 달라지며, 예를 들어 속나무에서 나무 껍질까지의 목재 밀도는 두 배가 될 수 있으며, 고리 척도 (침엽수에서)에서 earlywood에서 latewood로의 전환은 목재 밀도도 크게 상승하며 고리 경계에서 피크를 띱니다.

여기에서는 앞서 언급한 3가지 척도에서 특징을 측정하기 위해 증분 코어의 X선 CT 스캐닝 프로토콜이 제시됩니다(그림 1). X-ray CT의 최근 개발은 유연한 설정으로 인해 이러한 스케일의 대부분을 커버할 수 있습니다. 연구 목표는 스캐닝을 위한 최종 프로토콜을 결정합니다.

중요한 제한 요소(일반적으로 목재 밀도 및 목재의 스케일된 특성과 본질적으로 연결됨)는 스캔에 필요한 해상도와 시간입니다. 예를 들어 (i) 콩고 분지의 Terminalia superba에서 바이오매스 추정을 위한 나이테 간 나무 스케일 목재 밀도 프로파일을 얻고, (ii) HECTOR 시스템³⁵의 나선형 스캐닝을 기반으로 Clanwilliam cedar(Widdringtonia cedarbergensis)에서 밀도 기록을 얻고, (iii) Nanowood 시스템에서 고착 참나무에서 용기 매개변수를 측정하는 방법을 보여줍니다. 두 스캐너 모두 UGent Center for X-ray Tomography(UGCT,

그림 1: X선 CT 스캔을 위한 일반적인 방법론적 의사 결정 트리. 행은 연구 목표부터 최종 데이터 형식까지 수행해야 할 단계를 나타냅니다. 흰색 상자는 이 도구 체인과 관련된 단계입니다. 회색으로 표시된 상자는 나이테 분석을 위한 dplr⁴⁷ 및 Treeclim⁴⁸ , ROXAS⁴⁴ 및 ImageJ⁴² 또는 CT 이미지를 기반으로 목재 해부학적 매개변수를 유도하기 위한 기타 (상용) 애플리케이션과 같은 다른 소프트웨어 또는 R 패키지와 함께 수행할 수 있는 단계입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

목재에 대한 X-CT 연구
스캐너 설정: 표준 X선 CT 스캐너는 X선관, X선 검출기, 회전 스테이지 및 회전 스테이지를 이동시키는 모터 세트로 구성되며 대부분의 경우 검출기도 앞뒤로 움직입니다(그림 2).

그림 2. 헥터 스캐닝 시스템. 시스템⁽³⁵)은 소스 검출기 거리(SDD) 및 소스 오브젝트 거리(SOD)를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

대부분의 실험실 기반 시스템에는 원뿔 빔 형상이 있는데, 이는 생성된 X선이 튜브의 출구 창에서 원뿔 빔 모양으로 분포된다는 것을 의미하며, 이는 물체와 튜브 사이의 거리(SOD = Source-Object-Distance) 및 검출기와 튜브 사이의 거리(SDD = Source-Detector-Distance)를 변경하여 배율이 제어됨을 의미합니다(해상도에 대한 논의 참조). X선의 투과력으로 인해 물체를 통과하며 감쇠 빔의 강도는 X선 빔의 에너지, 물체의 화학적 조성(존재하는 원소의 원자 번호) 및 물질의 밀도의 함수입니다. 일정한 에너지 스펙트럼과 일정한 목재의 재료 구성을 감안할 때 X선 빔의 감쇠는 재료의 밀도에 크게 의존하며, 이는 밀도 측정에 사용되는 이유를 설명합니다. 감쇠(또는 전송)는 Beer-Lambert 법칙으로 표현할 수 있습니다.

I₀을 사용하면 들어오는 X선 빔이 기하급수적으로 감소하며, 이는 거리 d에 걸쳐 물질을 통해 전파될 때 투과된 X선 빔 I_d로 감소합니다. 선형 감쇠 계수 μ 물체의 재료와의 일련의 상호 작용에 따라 달라집니다. 따라서 투영은 전송된 빔의 기록입니다.

실제로, 물체는 회전 스테이지에 장착되고, 적절한 SOD 및 SDD가 선택되고, 특정 전력(물체 크기, 밀도 및 구성과 관련됨)도 선택되고, 물체는 360° 회전하고, 그 회전 동안 여러 투영이 수행됩니다. 그런 다음 이러한 투영은 물체의 내부 구조를 재구성하는 데 사용됩니다. 몇 가지 재구성 알고리즘을 사용할 수 있으며, 그 중 가장 많이 사용되는 알고리즘은 여전히 라돈 변환과 푸리에 슬라이스 정리에 의존하여 수십 년 전에 개발된 분석 프레임워크를 기반으로 합니다. 보다 자세한 내용은 전문 문헌³⁶을 참조한다.

해상도, 데이터 부피 및 샘플 크기의 난제: 해상도는 X선 CT 스캔의 핵심입니다. 역기하학 또는 싱크로트론 빔라인과 같은 평행 빔 기하학이 있는 시스템에서는 다른 고려 사항이 중요한 역할을 합니다. 이 프로토콜은 콘 빔 형상을 사용한 표준 실험실 기반 X선 CT 스캔에 대해서만 설명합니다. 여기서 배율, 검출기 픽셀 크기 및 스폿 크기의 개념이 필수적입니다. 배율은 SDD/SOD의 비율로 정의됩니다. 다음으로, 검출기의 픽셀 크기도 분명히 해상도에 영향을 미칩니다: 픽셀 크기가 작을수록 해상도가 높아지지만, 대부분의 경우 시야(FoV)는 픽셀 크기 및 검출기의 크기와도 직접적인 관련이 있습니다(동일한 픽셀 수에 대해 더 작은 픽셀 크기, 더 작은 FoV). 또한, X선 빔의 스폿 크기도 중요합니다: 스폿 크기가 클수록 해상도가 낮아져 더 적은 세부 사항을 볼 수 있습니다.

위에서 언급한 제한에 따라 가능한 것보다 높은 해상도를 얻을 수 있다는 점을 언급하는 것이 중요하므로 해상도 대신 복셀 크기(복셀은 볼륨 픽셀)라는 용어를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 검출기 선명도와 같은 다른 요인이 작용하여 물체가 스캔되는 실제 해상도를 더욱 제한합니다. 설정된 목표를 사용하여 시스템을 올바르게 조정하는 것만이 진정한 해답을 제공합니다.

그러나 대부분의 경우 개체를 스캔할 수 있는 복셀 크기는 대부분 개체의 크기에 의해 제한됩니다. 이것은 물체가 클수록 복셀 크기가 낮아진다는 것을 의미합니다. 물체가 특정 복셀 크기에 대해 검출기의 FoV 내에 맞지 않는 경우, 예를 들어 배율을 제한하여 복셀 크기를 줄일 수 있습니다.

스캔 시간과 데이터 볼륨은 원하는 복셀 크기를 결정할 때 고려해야 할 중요한 사항입니다. 일반적으로 복셀 크기가 작을수록 보고 싶은 디테일이 높을수록, 샘플이 작을수록 또는 한 번에 스캔할 수 있는 샘플이 적을수록 더 많은 시간이 필요하고 더 많은 데이터 볼륨이 수집됩니다. 다음과 같은 이론적 인 예를 상상해보십시오 : 특정 X 선 CT 시스템을 사용하여 50 μm에서 10cm x 10cm x 10 cm 크기의 샘플을 한 번에 스캔 할 수 있으며 10 μm에서 동일한 부피를 스캔하려는 경우 FoV에 맞는 부피는 2cm x 2cm x 2cm에 불과합니다. 이것이 물리적으로 가능하다고 가정합니다. 이는 전체 부피를 다루기 위해 125개의 스캔이 필요하며(5³ = 5배 더 높은 해상도, 이미징 기술의 부피 특성으로 인해 3의 거듭제곱으로 확장됨) 데이터 볼륨도 마찬가지로 증가한다는 것을 의미합니다. 물론, 이것은 단지 사고 실험일 뿐이며, 단지 해결책을 찾는 것 이상을 고려해야 합니다. 더 많은 정보를 위해, 판독기는 스캐닝 가능성(³⁷)의 개요를 참조한다.

목재 물체 스캔을 위한 기기의 유연성: 지난 10년 동안 많은 회사에서 HECTOR³⁵와 유사한 어셈블리를 가진 X선 CT 시스템을 출시했습니다. 특히 시간적 해상도로 평가되는 여러 CT 시스템에 대한 개요가³⁸에 나와 있습니다.

전체적으로 X-ray CT 시스템의 유연성과 사용자 친화성이 크게 향상되었습니다. 많은 시스템에서 다양한 물체를 스캔할 수 있으며, 이는 UGCT의 시스템에서도 마찬가지입니다. 아래 프로토콜은 나이테 분석에 적합한 HECTOR 시스템에 대해 시연된 것입니다. 그러나 프로토콜은 해상도 및 데이터 형식이 허용하는 경우 사용 가능한 다른 시스템에 유효합니다.

이러한 시스템을 사용하면 다양한 물체를 스캔할 수 있습니다. HECTOR 시스템으로 스캔한 다양한 목재 물체의 몇 가지 사진이 그림 3에 나와 있습니다. 이러한 유연성은 그림 1에 제시된 세 가지 스케일을 구성하며, 그 범위는 거친 해상도에서 매우 미세한 해상도에 이르기까지 다양합니다.

그림 3. 스캔 설정 예시. (A) 통나무, (B) 첼로⁴⁹, (C) 배치 스캔용 트리 코어가 있는 샘플 홀더(유형 1) 및 (D) HECTOR의 회전 스테이지에 장착된 나선형 스캐닝용 증분 코어가 있는 샘플 홀더 유형 2. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.