使用 X 射线计算机断层扫描进行树芯分析

木材密度是一个易于测量的变量¹，它反映了木材² 的解剖学和化学性质。在对地上生物量进行生物量估算时，木材密度是一个重要的加^{权变量3,4,5}，^它与树木的尺寸相乘，并且是表示木材碳含量的因子。木材密度与木材的机械性能密切相关⁶ 并反映了树木的生活史⁷.

细胞壁密度测量值约为 1500 kg/m³，被认为是相当恒定的⁸，但也应考虑环内细胞壁密度变化 ^8,9。木质细胞（通常是针叶树中的管胞、血管、薄壁组织和硬木中的纤维）以不同的方式定向/塑造，这些细胞的细胞壁厚度和管腔大小各不相同¹⁰。因此，树木之间、树内（轴向和横向）以及树木年轮内的短时间间隔内的木材密度各不相同^11,12。在许多情况下，年轮尺度上的木材密度变化也划定了树木年轮边界¹³。根据研究目标（图1），木材密度和最终的组织分数被生成，在本文中，根据研究目标（图1），大致分为三类（即三种不同的分辨率尺度）。

环间刻度：通过测量木头片，获得该样品的单个值。这可以通过水浸或几何¹⁴ 来完成。通过这种方式，可以获得一般的生物量或木材技术变量。为了包括髓到树皮的变化，这些木块可以进一步划分为块，这些块进行手动测量，以获得有关生活史策略的信息¹⁵.当切换到低分辨率 X 射线 CT 时，例如在医疗扫描仪^17,18 中，可以在许多样本上以有效的方式获得中宽环上的 TRW 数据 18,19,20。这也是可用于评估温带和热带树木从髓到树皮的生物量的量表^4,22，^分辨率通常范围为50μm至200μm。

环形刻度：木材是过去环境条件的记录器。最广为人知的参数是树木年轮宽度 （TRW），但对于全球温度重建，最大晚材密度 （MXD） 记录被证明是温度²² 的更好代表。MXD 是一个易于测量的变量²³，是树木年轮最后一个细胞的细胞壁厚度和细胞大小的代理，并且位于树线和北方位置，与季节性气温呈正相关²⁴：夏季越暖和，时间越长，细胞壁木质化就越多，从而增加了这些最后细胞的密度。传统的测量方法（如浸入和几何形状）在确定这种环级密度方面不太准确。之前的一项研究开发了一种工具链，用于在薄切样品上使用 X 射线胶片²⁵。这在林业和后来的古气候学中引发了一场革命^15,18，定义了最大晚材密度 （MXD），即通常位于环末端的峰值密度值，作为夏季温度的代理。基本原理是将样品（约 1.2 mm 至 7 mm¹³）锯切至完全平行于轴向，并将样品放在暴露于 X 射线源的敏感薄膜上。然后，这些射线照相胶片通过光源被读出，该光源检测强度并保存轮廓和年度树木年轮参数。然而，这些工具需要大量的样品制备和手动工作。最近，这已经以更标准化的方式或基于已安装的岩心²⁶开发了用于X射线CT。这里的分辨率范围在 10 μm 到 20 μm 之间。TRW 也在这个尺度上测量，尤其是在处理较小的环时。

解剖尺度：在此尺度（分辨率< 4 μm）下，随着主要解剖特征的可视化并且可以测量其宽度和比例，平均密度水平变得不那么相关。通常，这是通过进行显微切片或高分辨率光学扫描或 μ-CT 扫描来完成的。当需要观察细胞壁的超微结构时，扫描电子显微镜是最常用的方法²⁷。在解剖学尺度上，单个组织部分变得可见，因此可以从图像中得出生理参数。根据单个解剖参数和木材的细胞壁密度，可以得出解剖密度，以便与传统的木材密度估计器进行比较²⁴。

由于改进了切片技术和图像软件 ^{29,30，Dendro-Anatomy 30} 已被开发出来，以更准确地记录木材，既能更接近估计针叶树中的 MXD，又能测量阔叶树的几个解剖变量。在这个尺度上，测量了实际的解剖参数并与环境参数相关³¹ 。使用μCT，也可以获得该水平^32,33。

由于木材本身具有吸湿性和各向异性，因此需要仔细定义木材密度，并需要指定测量条件，无论是烤箱干燥、调节（通常在 12% 的含水量下）还是绿色（在森林中砍伐）³⁴。对于大样品和技术目的，木材密度定义为在给定条件下的重量除以其体积。然而，木材密度的值很大程度上取决于测量它的尺度，例如，从髓到树皮的木材密度可以翻倍，而在环尺度上（在针叶树中），早木到晚木的过渡也导致木材密度显着增加，在环边界处达到峰值。

在这里，提出了一种增量核心的 X 射线 CT 扫描协议，以便测量上述 3 个尺度的特征（图 1）。由于设置灵活，X 射线 CT 的最新发展可以覆盖这些量表中的大部分。研究目标将决定最终的扫描协议。

一个关键的限制因素（这与木材密度和一般木材的缩放性质有着内在的联系）是扫描所需的分辨率和时间。示例演示了如何：（i） 从刚果盆地获得用于估计 Terminalia superba 生物量的年轮间树间木材密度剖面，（ii） 根据 HECTOR 系统³⁵ 上的螺旋扫描从 Clanwilliam 雪松 （Widdringtonia cedarbergensis） 获取密度记录，以及 （iii） 在 Nanowood 系统上测量无柄橡树的容器参数。这两款扫描仪都是 UGent X 射线断层扫描中心（UGCT、

图 1：X 射线 CT 扫描的一般方法决策树。 这些行表示要采取的步骤，从研究目标开始，一直到最终的数据格式。白框是与此工具链相关的步骤。灰色框是可以使用其他软件或 R 包执行的步骤，例如用于树木年轮分析的 dplr⁴⁷ 和 Treeclim⁴⁸ ，以及 ROXAS⁴⁴ 以及 ImageJ⁴² 或其他（商业）应用程序，用于根据 CT 图像导出木材解剖参数。 请点击这里查看此图的较大版本.

木材的X-CT研究
扫描仪的设置：标准 X 射线 CT 扫描仪由一个 X 射线管、一个 X 射线探测器、一个旋转台和一组电机组成，用于来回移动旋转台，在大多数情况下还包括探测器（图 2）。

图2.HECTOR扫描系统。 系统³⁵，显示源探测器距离（SDD）和源物体距离（SOD）。 请点击这里查看此图的较大版本.

大多数基于实验室的系统都具有锥形束几何形状，这意味着产生的 X 射线以锥形束形状从管子的出射窗分布，这意味着通过改变物体与管之间的距离（SOD = 源-物体-距离）以及探测器与管之间的距离（SDD = 源-探测器-距离），可以控制放大倍率（参见关于分辨率的讨论）。由于 X 射线的穿透力，它们会穿过物体，衰减束的强度是 X 射线束的能量、物体的化学成分（存在的元素的原子序数）和材料密度的函数。鉴于木材具有恒定的能谱和恒定的材料成分，X射线束的衰减在很大程度上取决于材料的密度，这解释了其在密度测定中的用途。衰减（或传输）可以用 Beer-Lambert 定律表示：

当 I₀ 时，入射的 X 射线束呈指数增长，当穿过材料传播一段距离 d 时，它会衰减为透射的 X 射线束 I_d。线性衰减系数μ取决于与物体材料的一系列相互作用。因此，投影是传输光束的记录。

实际上，将物体安装在旋转台上，选择适当的 SOD 和 SDD，选择一定的功率（与物体大小、密度和成分有关），并且物体旋转 360°，在旋转过程中进行多次投影。然后，这些投影用于重建物体的内部结构。有几种可用的重建算法，其中使用最多的仍然是基于几十年前开发的分析框架，依赖于Radon变换和傅里叶切片定理。有关更多详细信息，请向读者参考专业文献³⁶。

分辨率、数据量和样本量的难题：分辨率是 X 射线 CT 扫描的关键。在具有逆几何形状或平行光束几何形状（如同步辐射光束线）的系统中，其他考虑因素也起作用。该协议仅讨论具有锥形束几何形状的标准基于实验室的 X 射线 CT 扫描。在这里，放大倍率、探测器像素大小和光斑大小的概念是必不可少的。放大倍率定义为 SDD/SOD 的比率。其次，探测器的像素大小显然也会影响分辨率：像素尺寸越小，分辨率越高，但在大多数情况下，视场（FoV）也与像素大小和探测器的大小直接相关（像素尺寸越小，相同像素数量的FoV越小）。此外，X射线束的光斑尺寸也很重要：光斑尺寸越大，分辨率越低，这意味着可以看到的细节较少。

重要的是要解决一个问题，即可以获得的分辨率高于根据上述限制可能获得的分辨率，因此最好使用术语体素大小（体素是体积像素）而不是分辨率。此外，还有其他因素在起作用，例如探测器的锐度，这进一步限制了扫描物体的真实分辨率。只有使用既定目标对系统进行真正的校准，才能提供真实的答案。

但是，在大多数情况下，可以扫描对象的体素大小主要受对象大小的限制。这意味着对象越大，体素大小就越小。如果物体在一定的体素大小下不适合探测器的FoV，则可以减小体素大小，例如，通过限制放大倍率。

在确定所需的体素大小时，扫描时间和数据量是重要的考虑因素。一般来说，体素越小意味着想要看到的细节越高，样本越小或一次可以扫描的样本越少，需要更多的时间，收集的数据量也就越大。想象一下以下理论示例：可以使用某个 X 射线 CT 系统一次扫描 10 cm x 10 cm x 10 cm 的样品，距离为 50 μm，并希望扫描 10 μm 的相同体积，适合 FoV 的体积仅为 2 cm x 2 cm x 2 cm， 假设这在物理上是可行的。这意味着需要 125 次扫描（5³ = 5 倍高分辨率，由于成像技术的体积特性，缩放到 3 的次方）才能覆盖整个体积，并且数据量也会同样增加。当然，这只是一个思想实验，人们需要考虑的不仅仅是分辨率。有关更多信息，请读者参阅扫描可能性的概述³⁷。

用于扫描木制物体的仪器的灵活性：在过去的十年中，许多公司都提供了与 HECTOR³⁵ 组件相似的 X 射线 CT 系统。³⁸ 概述了几种 CT 系统，特别是对其时间分辨率的评估。

总而言之，X 射线 CT 系统的灵活性和用户友好性有了很大的提高。许多系统允许扫描各种物体，UGCT的系统也是如此。以下协议针对HECTOR系统进行了演示，该系统适用于树木年轮分析。但是，如果分辨率和数据格式允许，则该协议对任何其他可用系统都有效。

这些系统允许扫描各种物体。 图3给出了使用HECTOR系统扫描的不同木制物体的几张图片。正是这种灵活性构成了我们在 图 1 中展示的三种尺度，范围从粗略的分辨率到非常精细的分辨率。

图3.扫描设置示例。 （A） 一根日志，（B） 一把大提琴⁴⁹，（C） 样品架（1 型），带有用于批量扫描的树形岩心，以及 （D） 样品架 2 型，带有用于螺旋扫描的增量岩心，安装在 HECTOR 的旋转台上。 请点击这里查看此图的较大版本.