Boomkernanalyse met röntgencomputertomografie

Houtdichtheid is een gemakkelijk te meten grootheid¹ die zowel de anatomische als de chemische eigenschappen van het hout weerspiegelt². Bij biomassaschattingen van bovengrondse biomassa is de houtdichtheid een belangrijke weegvariabele ^{van 3,4,5}, die wordt vermenigvuldigd met de afmetingen van de boom en een factor die het koolstofgehalte van het hout weergeeft. De dichtheid van hout is nauw verbonden met de mechanische eigenschappen van hout⁶ en weerspiegelt de levensgeschiedenis van een boom⁷.

De celwanddichtheid wordt gemeten als ongeveer 1500 kg/m³ en wordt als^{vrij constant beschouwd} 8, maar variaties in de celwanddichtheid binnen de ring^{moeten ook in} aanmerking worden genomen ^8,9. Houtachtige cellen (in het algemeen tracheïden in coniferen, vaten, parenchym en vezels in hardhout) zijn op verschillende manieren georiënteerd/gevormd en de dikte van de celwand en de lumengrootte van deze cellen varieert¹⁰. Daarom varieert de houtdichtheid tussen bomen, binnen een boom (axiaal en transversaal) en binnen korte tussenpozen binnen een boomring^11,12. In veel gevallen begrenst de variatie in de houtdichtheid op de ringschaal ook de jaarringgrens¹³. Houtdichtheid en uiteindelijk weefselfracties worden gegenereerd en in dit artikel worden deze grofweg in drie categorieën ingedeeld (d.w.z. drie verschillende resolutieschalen), afhankelijk van het onderzoeksdoel (figuur 1), zoals hieronder beschreven.

Ringschaal: Door stukken hout te meten, wordt een enkele waarde voor dat monster verkregen. Dit kan worden gedaan door onderdompeling in water of geometrisch¹⁴. Op deze manier kunnen algemene biomassa- of houttechnologische variabelen worden verkregen. Om de variatie van merg tot schors op te nemen, kunnen deze stukken hout verder worden onderverdeeld in blokken die handmatig worden gemeten om informatie te verkrijgen over de levensgeschiedenisstrategie¹⁵. Bij het overschakelen op röntgen-CT met lage resolutie, zoals in medische scanners^17,18, kunnen TRW-gegevens over middelgrote tot brede ringen op een efficiënte manier worden gemaakt op veel monsters 18,19,20. Dit is ook de schaal die kan worden gebruikt om biomassa van merg tot schors van zowel gematigde als tropische bomen^{te beoordelen 4,22}, meestal variërend in resoluties van 50 μm tot 200 μm.

Ringschaal: Hout is een recorder van vroegere omgevingsomstandigheden. De bekendste parameter is de boomringbreedte (TRW), maar voor wereldwijde temperatuurreconstructies is bewezen dat de maximale lathoutdichtheid (MXD) records een betere proxy zijn voor temperatuur²². MXD is een gemakkelijk te meten variabele²³, en een proxy voor de dikte van de celwand en de celgrootte op de laatste cellen van een boomring, en zijn op boomgrens en boreale locaties positief gekoppeld aan de seizoensgebonden luchttemperatuur²⁴: hoe warmer en langer de zomers, hoe meer celwandverhouting optreedt, waardoor de dichtheid van deze laatste cellen toeneemt. Traditionele metingen zoals onderdompeling en geometrie zijn minder nauwkeurig om deze dichtheid op ringniveau te bepalen. In een eerder werk werd een gereedschapsketen ontwikkeld voor het gebruik van röntgenfilm op dun gesneden monsters²⁵. Dit leidde tot een revolutie in zowel de bosbouw als de latere paleoklimatologie^15,18, waarbij de maximale laathoutdichtheid (MXD) werd gedefinieerd, d.w.z. de piekdichtheidswaarde vaak aan het einde van een ring, als een proxy voor de zomertemperatuur. Het basisprincipe is dat de monsters worden gezaagd (ongeveer 1,2 mm tot 7 mm¹³) om perfect evenwijdig te zijn aan de axiale richting, en dat het monster op een gevoelige film wordt geplaatst die is blootgesteld aan een röntgenbron. Vervolgens worden deze röntgenfilms uitgelezen door een lichtbron die de intensiteit detecteert en de profielen en de jaarringparameters opslaat. Deze tools vereisen echter een aanzienlijke hoeveelheid monstervoorbereiding en handmatig werk. Onlangs is dit ontwikkeld voor röntgen-CT op een meer gestandaardiseerde manier of op basis van gemonteerde kernen²⁶. De resolutie varieert hier tussen 10 μm en 20 μm. TRW wordt ook op deze schaal gemeten, vooral als het gaat om kleinere ringen.

Anatomische schaal: Op deze schaal (resolutie < 4 μm) worden de gemiddelde dichtheidsniveaus minder relevant omdat de belangrijkste anatomische kenmerken worden gevisualiseerd en hun breedte en verhoudingen kunnen worden gemeten. Meestal wordt dit gedaan door het maken van microsecties of optische scans met hoge resolutie of μ-CT-scans. Wanneer de ultrastructuur van de celwanden moet worden gevisualiseerd, is scanning elektronenmicroscopie de meest gebruikte methode²⁷. Op anatomische schaal worden de afzonderlijke weefselfracties zichtbaar, zodat fysiologische parameters uit de beelden kunnen worden afgeleid. Op basis van de individuele anatomische parameters en de celwanddichtheid van hout kan de anatomische dichtheid worden afgeleid voor vergelijking met conventionele schatters van houtdichtheid²⁴.

Dankzij verbeterde snijtechnieken en beeldsoftware^29,30 is dendro-anatomy³⁰ ontwikkeld om een nauwkeurigere registratie van het hout te hebben, zowel om een betere schatting van de MXD in coniferen te krijgen als om verschillende anatomische variabelen van loofbomen te meten. Op deze schaal worden de werkelijke anatomische parameters gemeten en gerelateerd aan omgevingsparameters³¹ . Met μCT kan dit niveau ook worden bereikt:^32,33.

Aangezien hout van nature hygroscopisch en anisotroop is, moet de houtdichtheid zorgvuldig worden gedefinieerd en moeten de meetomstandigheden worden gespecificeerd, hetzij als ovendroog, geconditioneerd (meestal met een vochtgehalte van 12%) of groen (zoals gekapt in het bos)³⁴. Voor grote monsters en technische doeleinden wordt de houtdichtheid gedefinieerd als het gewicht gedeeld door het volume onder bepaalde omstandigheden. De waarde van houtdichtheid is echter sterk afhankelijk van de schaal waarop deze wordt gemeten, bijvoorbeeld van merg tot schors kan de houtdichtheid verdubbelen, en op een ringschaal (in coniferen) resulteert de overgang van vroeghout naar laathout ook in een significante toename van de houtdichtheid, met een piek op de ringgrens.

Hier wordt een röntgen-CT-scanprotocol van incrementele kernen gepresenteerd om kenmerken op de bovengenoemde 3 schalen te meten (Figuur 1). Recente ontwikkelingen op het gebied van röntgen-CT kunnen de meeste van deze schalen dekken, dankzij een flexibele opstelling. De onderzoeksdoelen bepalen het uiteindelijke protocol voor het scannen.

Een cruciale beperkende factor (die inherent verbonden is met de geschaalde aard van houtdichtheid en hout in het algemeen) is de resolutie en tijd die nodig zijn voor het scannen. Voorbeelden demonstreren hoe u: (i) houtdichtheidsprofielen op boomschaal tussen ringen kunt verkrijgen voor schattingen van biomassa in Terminalia superba uit het Congobekken, (ii) dichtheidsgegevens kunt verkrijgen van Clanwilliam-ceder (Widdringtonia cedarbergensis) op basis van spiraalvormig scannen op een HECTOR-systeem³⁵, en (iii) vatparameters kunt meten op wintereiken, op het Nanowood-systeem. Beide scanners maken deel uit van het scannerpakket van het UGent Centrum voor Röntgentomografie (UGCT,

Figuur 1: Algemene methodologische beslisboom voor röntgen-CT-scans. De rijen geven de te nemen stappen aan, van het onderzoeksdoel tot en met het uiteindelijke gegevensformaat. White boxes zijn de stappen die relevant zijn voor deze toolchain. Grijze vakken zijn stappen die kunnen worden uitgevoerd met andere software of R-pakketten, zoals dplr⁴⁷ en Treeclim⁴⁸ voor jaarringanalyse, en ROXAS⁴⁴ en ImageJ⁴² of andere (commerciële) toepassingen voor het afleiden van houtanatomische parameters op basis van de CT-beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

X-CT onderzoek op hout
Opstelling van een scanner: Een standaard röntgen-CT-scanner bestaat uit een röntgenbuis, een röntgendetector, een rotatietafel en een set motoren om de rotatiefase, en in de meeste gevallen ook de detector, heen en weer te bewegen (Figuur 2).

Figuur 2. Het HECTOR scansysteem. Het systeem³⁵, dat de afstand van de brondetector (SDD) en de afstand tot het bronobject (SOD) weergeeft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De meeste laboratoriumsystemen hebben een cone-beam-geometrie, wat betekent dat de geproduceerde röntgenstralen vanuit het uitgangsvenster van de buis worden verdeeld in de vorm van een kegelstraal, wat impliceert dat door het veranderen van de afstand tussen het object en de buis (SOD = Source-Object-Distance) en de detector en de buis (SDD = Source-Detector-Distance), de vergroting wordt gecontroleerd (zie de discussie over resolutie). Door het doordringende vermogen van röntgenstralen gaan ze door het object en de intensiteit van de verzwakkingsstraal is een functie van de energie van de röntgenstraal, de chemische samenstelling van het object (het atoomnummer van de aanwezige elementen) en de dichtheid van het materiaal. Gegeven een constant energiespectrum en een constante materiaalsamenstelling van hout, is de verzwakking van de röntgenstraal sterk afhankelijk van de dichtheid van het materiaal, wat het gebruik ervan voor densitometrie verklaart. De demping (of overdracht) kan worden uitgedrukt door de wet van Beer-Lambert:

met I₀ de binnenkomende röntgenstraal exponentieel vervalt tot een doorgelaten röntgenstraal I_d wanneer deze zich over een afstand d door het materiaal voortplant. De lineaire verzwakkingscoëfficiënt μ hangt af van een reeks interacties met het materiaal van het object. De projecties zijn dus opnames van de uitgezonden bundel.

In de praktijk wordt het object op de rotatietafel gemonteerd, wordt een goede SOD en SDD geselecteerd, wordt ook een bepaald vermogen geselecteerd (gerelateerd aan de grootte, dichtheid en samenstelling van het object) en wordt het object 360° gedraaid en tijdens die rotatie worden meerdere projecties gemaakt. Deze projecties worden vervolgens gebruikt om de inwendige structuur van het object te reconstrueren. Er zijn verschillende reconstructiealgoritmen beschikbaar, waarvan de meest gebruikte nog steeds gebaseerd zijn op het analytische raamwerk dat tientallen jaren geleden is ontwikkeld, gebaseerd op de Radontransformatie en de stelling van de Fourierschijf. Voor meer details wordt verwezen naar gespecialiseerde literatuur³⁶.

Raadsel van resolutie, gegevensvolume en steekproefomvang: Resolutie is de sleutel bij röntgen-CT-scans. In systemen met een inverse geometrie of parallelle bundelgeometrie zoals synchrotronbundellijnen spelen andere overwegingen een rol. Dit protocol bespreekt alleen standaard röntgen-CT-scans in het laboratorium met cone-beam-geometrie. Hier zijn het concept van vergroting, detectorpixelgrootte en spotgrootte essentieel. Vergroting wordt gedefinieerd als de verhouding tussen SDD en SOD. Vervolgens heeft de pixelgrootte van de detector uiteraard ook invloed op de resolutie: hoe kleiner de pixelgrootte, hoe hoger de resolutie, maar in de meeste gevallen is het gezichtsveld (FoV) ook direct gerelateerd aan de pixelgrootte en de grootte van de detector (kleinere pixelgrootte, kleinere FoV voor hetzelfde aantal pixels). Verder is ook de spotgrootte van de röntgenstraal belangrijk: hoe groter de spotgrootte, hoe lager de resolutie, wat betekent dat er minder details te zien zijn.

Het is belangrijk om aan te pakken dat men een resolutie zou kunnen verkrijgen die hoger is dan wat mogelijk is volgens de bovengenoemde limieten, daarom is het beter om de term voxelgrootte te gebruiken (een voxel is een volumepixel) in plaats van resolutie. Bovendien zijn er andere factoren in het spel, zoals de scherpte van de detector, die de werkelijke resolutie waarmee een object wordt gescand verder beperken. Alleen een echte kalibratie van het systeem, met behulp van vastgestelde doelen, levert het waarheidsgetrouwe antwoord.

In de meeste gevallen wordt de voxelgrootte waarmee een object kan worden gescand echter meestal beperkt door de grootte van het object. Dit betekent dat hoe groter het object, hoe lager de voxelgrootte zal zijn. Als het object voor een bepaalde voxelgrootte niet binnen het gezichtsveld van de detector past, kan de voxelgrootte worden verkleind, bijvoorbeeld door de vergroting te beperken.

De scantijd en het gegevensvolume zijn belangrijk om te overwegen bij het bepalen van de gewenste voxelgrootte. Over het algemeen geldt: hoe kleiner de voxelgrootte, hoe hoger het detail dat men wil zien, hoe kleiner het monster of hoe minder monsters er tegelijk kunnen worden gescand, er meer tijd nodig is en hoe groter de gegevensvolumes zullen worden verzameld. Stel je het volgende theoretische voorbeeld voor: men kan een monster van 10 cm x 10 cm x 10 cm op 50 μm in één keer scannen met een bepaald röntgen-CT-systeem en zou datzelfde volume op 10 μm willen scannen, het volume dat binnen de FoV past zou slechts 2 cm x 2 cm x 2 cm zijn, ervan uitgaande dat dit fysiek mogelijk is. Dit betekent dat er 125 scans nodig zijn (5³ = 5 keer hogere resolutie, schaalt tot de macht 3 vanwege de volumetrische aard van de beeldvormingstechniek) om het hele volume te bestrijken, en dat het datavolume eveneens zou toenemen. Dit is natuurlijk slechts een gedachte-experiment en men moet veel meer overwegen dan alleen resolutie. Voor meer informatie wordt de lezer verwezen naar een overzicht van de scanmogelijkheden³⁷.

Flexibiliteit van instrumenten voor het scannen van houten voorwerpen: In het afgelopen decennium hebben veel bedrijven röntgen-CT-systemen geleverd met een vergelijkbare assemblage als HECTOR³⁵. Een overzicht van verschillende CT-systemen, speciaal beoordeeld op hun temporele resolutie, wordt gegeven in³⁸.

Al met al is de flexibiliteit en gebruiksvriendelijkheid van röntgen-CT-systemen aanzienlijk verbeterd. Veel systemen maken het mogelijk om een breed scala aan objecten te scannen, wat ook het geval is met de systemen bij UGCT. Onderstaand protocol wordt gedemonstreerd voor het HECTOR systeem, dat geschikt is voor jaarringanalyse. Het protocol is echter geldig voor elk ander beschikbaar systeem als de resolutie en het gegevensformaat dit toelaten.

Deze systemen maken het mogelijk om een verscheidenheid aan objecten te scannen. Een paar foto’s van verschillende houten voorwerpen die met het HECTOR-systeem zijn gescand, zijn weergegeven in figuur 3. Het is deze flexibiliteit die de drie schalen omvat die we in figuur 1 presenteren, variërend van een grove resolutie tot een zeer fijne resolutie.

Figuur 3. Voorbeelden van opstellingen scannen. (A) Een log, (B) een cello⁴⁹, (C) monsterhouders (type 1) met boomkernen voor batchscanning en (D) monsterhouder type 2 met incrementele kernen voor spiraalvormig scannen gemonteerd op de rotatietafel van HECTOR. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.