Baumkernanalyse mit Röntgen-Computertomographie

Die Holzdichte ist eine leicht zu messende Variable¹, die sowohl die anatomischen als auch die chemischen Eigenschaften des Holzes widerspiegelt². Bei der Biomasseschätzung der oberirdischen Biomasse ist die Holzdichte eine wichtige Abwägungsvariable ^3,4,5, die mit den Abmessungen des Baumes multipliziert wird und den Kohlenstoffgehalt des Holzes darstellt. Die Holzdichte ist eng mit den mechanischen Eigenschaften von Holz⁶ verknüpft und spiegelt die Lebensgeschichte eines Baumes^{wider 7}.

Die Zellwanddichte wird mit etwa 1500 kg/m³ gemessen und gilt als ziemlich konstant⁸, jedoch sollten auch Schwankungen der Zellwanddichte innerhalb des Rings berücksichtigt werden ^8,9. Holzige Zellen (im Allgemeinen Tracheiden bei Nadelbäumen, Gefäße, Parenchym und Fasern bei Harthölzern) sind auf unterschiedliche Weise orientiert/geformt und die Zellwandstärke und Lumengröße dieser Zellen variiert¹⁰. Daher variiert die Holzdichte zwischen den Bäumen, innerhalb eines Baumes (axial und quer) und innerhalb kurzer Abstände innerhalb eines Baumrings^11,12. In vielen Fällen begrenzt die Variation der Holzdichte an der Ringskala auch die Baumringgrenze¹³. Die Holzdichte und letztendlich die Gewebefraktionen werden generiert und in dieser Arbeit grob in drei Kategorien (d.h. drei verschiedene Auflösungsskalen) eingeteilt, abhängig vom Studienziel (Abbildung 1), wie unten beschrieben.

Inter-Ring-Skala: Durch das Messen von Holzstücken wird ein einziger Wert für diese Probe ermittelt. Dies kann durch Eintauchen in Wasser oder geometrisch erfolgen¹⁴. Auf diese Weise können allgemeine biomasse- oder holztechnologische Variablen erhalten werden. Um die Variation von Mark bis Rinde einzubeziehen, können diese Holzstücke weiter in Blöcke unterteilt werden, die manuell gemessen werden, um Informationen über die Lebensverlaufsstrategie¹⁵ zu erhalten. Bei der Umstellung auf Röntgen-CT mit niedriger Auflösung, wie z. B. bei medizinischen Scannern^17,18, können TRW-Daten an mittelbreiten bis breiten Ringen auf effiziente Weise an vielen Proben gemacht werden 18,19,20. Dies ist auch die Skala, die zur Bewertung der Biomasse von Mark bis Rinde von Bäumen der gemäßigten Klimazonen und tropischen Bäumen verwendet werden kann ^4,22, typischerweise mit einer Auflösung von 50 μm bis 200 μm.

Ringskala: Holz ist ein Recorder vergangener Umweltbedingungen. Der bekannteste Parameter ist die Jahrringbreite (TRW), aber für globale Temperaturrekonstruktionen haben sich die Aufzeichnungen der maximalen Spätholzdichte (MXD) als besserer Proxy für die Temperatur²² erwiesen. MXD ist eine leicht zu messende Variable²³ und ein Proxy für die Zellwanddicke und Zellgröße auf den letzten Zellen eines Baumrings und steht an der Baumgrenze und an borealen Standorten in einem positiven Zusammenhang mit der saisonalen Lufttemperatur²⁴: Je wärmer und länger die Sommer, desto mehr Zellwandverholzung findet statt, was die Dichte dieser letzten Zellen erhöht. Herkömmliche Messungen wie Immersion und Geometrie sind weniger genau, um diese Dichte auf Ringebene zu bestimmen. In einer früheren Arbeit wurde eine Werkzeugkette für die Verwendung von Röntgenfilmen auf dünnen Proben^{entwickelt 25}. Dies löste eine Revolution sowohl in der Forstwirtschaft als auch in der späteren Paläoklimatologie aus^15,18, indem die maximale Spätholzdichte (MXD), d.h. der Spitzendichtewert, der oft am Ende eines Rings liegt, als Proxy für die Sommertemperatur definiert wurde. Das Grundprinzip besteht darin, dass die Proben (ca. 1,2 mm bis 7 mm¹³) so gesägt werden, dass sie perfekt parallel zur axialen Richtung sind, und die Probe auf einen empfindlichen Film gelegt wird, der einer Röntgenquelle ausgesetzt wird. Dann werden diese Röntgenfilme durch eine Lichtquelle ausgelesen, die die Intensität erkennt und die Profile sowie die jährlichen Jahrringparameter speichert. Diese Werkzeuge erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand an Probenvorbereitung und manueller Arbeit. In jüngster Zeit wurde dies für die Röntgen-CT in einer standardisierteren Weise oder auf Basis von eingefassten Kernen^{entwickelt 26}. Die Auflösung liegt hier zwischen 10 μm und 20 μm. TRW wird auch auf dieser Skala gemessen, insbesondere bei kleineren Ringen.

Anatomische Skala: Bei dieser Skala (Auflösung < 4 μm) verlieren die durchschnittlichen Dichteniveaus an Bedeutung, da die wichtigsten anatomischen Merkmale visualisiert und ihre Breite und Proportionen gemessen werden können. In der Regel geschieht dies durch die Erstellung von Schliffbildern oder hochauflösenden optischen Scans oder μ-CT-Scans. Wenn die Ultrastruktur der Zellwände sichtbar gemacht werden soll, ist die Rasterelektronenmikroskopie die am häufigsten verwendete Methode²⁷. Auf der anatomischen Skala werden die einzelnen Gewebefraktionen sichtbar, so dass aus den Bildern physiologische Parameter abgeleitet werden können. Anhand der individuellen anatomischen Parameter und der Zellwanddichte von Holz kann die anatomische Dichte für den Vergleich mit herkömmlichen Schätzern der Holzdichte^{abgeleitet werden 24}.

Aufgrund verbesserter Schnitttechniken und Bildsoftware^29,30 wurde die Dendroanatomie³⁰ entwickelt, um eine genauere Aufzeichnung des Holzes zu ermöglichen, sowohl um eine genauere Schätzung der MXD in Nadelbäumen zu erhalten als auch um verschiedene anatomische Variablen von Laubbäumen zu messen. Auf dieser Skala werden tatsächliche anatomische Parameter gemessen und mit Umweltparametern in Beziehung gesetzt³¹ . Mit μCT kann auch dieser Pegel erreicht werden^32,33.

Da Holz von Natur aus hygroskopisch und anisotrop ist, muss die Holzdichte sorgfältig definiert und die Messbedingungen angegeben werden, entweder als ofentrocken, konditioniert (in der Regel bei 12 % Feuchtigkeitsgehalt) oder grün (wie im Wald geschlagen)³⁴. Für große Proben und technische Zwecke ist die Holzdichte definiert als das Gewicht dividiert durch sein Volumen unter bestimmten Bedingungen. Der Wert der Holzdichte hängt jedoch stark von der Skala ab, auf der sie gemessen wird, z. B. kann sich die Holzdichte vom Mark bis zur Rinde verdoppeln, und auf einer Ringskala (bei Nadelbäumen) führt der Übergang von Frühholz zu Spätholz ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Holzdichte, mit einem Höhepunkt an der Ringgrenze.

In dieser Arbeit wird ein Röntgen-CT-Scanprotokoll von Inkrementkernen vorgestellt, um Merkmale auf den oben genannten 3 Skalen zu messen (Abbildung 1). Jüngste Entwicklungen in der Röntgen-CT können aufgrund eines flexiblen Aufbaus die meisten dieser Skalen abdecken. Die Forschungsziele werden das letztendliche Protokoll für das Scannen bestimmen.

Ein entscheidender limitierender Faktor (der untrennbar mit der skalierten Natur der Holzdichte und des Holzes im Allgemeinen zusammenhängt) ist die Auflösung und die Zeit, die für das Scannen erforderlich sind. Beispiele zeigen, wie man: (i) Holzdichteprofile auf der Ringskala von Bäumen für Biomasseschätzungen in Terminalia superba aus dem Kongobecken erhält, (ii) Dichteaufzeichnungen von Clanwilliam-Zeder (Widdringtonia cedarbergensis) auf der Grundlage von helikaler Abtastung auf einem HECTOR-System³⁵ erhält und (iii) Gefäßparameter an Traubeneiche auf dem Nanowood-System misst. Beide Scanner sind Teil der Scanner-Suite am UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,

Abbildung 1: Allgemeiner methodischer Entscheidungsbaum für die Röntgen-CT-Untersuchung. Die Zeilen zeigen die Schritte an, die zu unternehmen sind, beginnend mit dem Forschungsziel bis hin zum endgültigen Datenformat. Weiße Kästchen sind die Schritte, die für diese Toolchain relevant sind. Ausgegraute Kästchen sind Schritte, die mit anderer Software oder R-Paketen durchgeführt werden können, wie z. B. dplr⁴⁷ und Treeclim⁴⁸ für die Jahrringanalyse, ROXAS⁴⁴ sowie ImageJ⁴² oder andere (kommerzielle) Anwendungen zur Ableitung von holzanatomischen Parametern auf der Grundlage der CT-Bilder. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

X-CT-Forschung am Holz
Aufbau eines Scanners: Ein Standard-Röntgen-CT-Scanner besteht aus einer Röntgenröhre, einem Röntgendetektor, einem Rotationstisch und einem Satz Motoren, um den Rotationstisch und in den meisten Fällen auch den Detektor hin und her zu bewegen (Abbildung 2).

Abbildung 2. Das HECTOR Scansystem. System³⁵, das den Detektorabstand (SDD) und den Abstand des Quellobjekts (SOD) anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die meisten laborbasierten Systeme haben eine Kegelstrahlgeometrie, was bedeutet, dass die erzeugte Röntgenstrahlung aus dem Austrittsfenster der Röhre in einer Kegelstrahlform verteilt wird, was bedeutet, dass durch Ändern des Abstands zwischen dem Objekt und der Röhre (SOD = Source-Object-Distance) und dem Detektor und der Röhre (SDD = Source-Detector-Distance) die Vergrößerung gesteuert wird (siehe die Diskussion zur Auflösung). Aufgrund der Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen dringen sie durch das Objekt, und die Intensität des Abschwächungsstrahls ist eine Funktion der Energie des Röntgenstrahls, der chemischen Zusammensetzung des Objekts (der Ordnungszahl der vorhandenen Elemente) und der Dichte des Materials. Bei einem konstanten Energiespektrum und einer konstanten Materialzusammensetzung von Holz ist die Abschwächung des Röntgenstrahls stark von der Dichte des Materials abhängig, was seine Verwendung für die Densitometrie erklärt. Die Dämpfung (oder Übertragung) kann durch das Beer-Lambert-Gesetz ausgedrückt werden:

bei I₀ der exponentiell einfallende Röntgenstrahl, der bei der Ausbreitung durch das Material über eine Strecke d zu einem transmittierten Röntgenstrahl I_d zerfällt. Der lineare Dämpfungskoeffizient hängt μ von einer Reihe von Wechselwirkungen mit dem Material des Objekts ab. Bei den Projektionen handelt es sich also um Aufzeichnungen des übertragenen Strahls.

In der Praxis wird das Objekt auf dem Rotationstisch montiert, es wird ein richtiger SOD und SDD ausgewählt, eine bestimmte Leistung wird ebenfalls ausgewählt (abhängig von der Größe, Dichte und Zusammensetzung des Objekts) und das Objekt wird um 360° gedreht und während dieser Drehung werden mehrere Projektionen vorgenommen. Diese Projektionen werden dann verwendet, um die innere Struktur des Objekts zu rekonstruieren. Es gibt mehrere Rekonstruktionsalgorithmen, von denen die am häufigsten verwendeten immer noch auf dem vor Jahrzehnten entwickelten analytischen Rahmen basieren und sich auf die Radontransformation und den Fourier-Schichtsatz stützen. Für weitere Einzelheiten wird auf die Fachliteratur^{verwiesen 36}.

Rätsel um Auflösung, Datenvolumen und Stichprobengröße: Die Auflösung ist der Schlüssel beim Röntgen-CT-Scan. In Systemen mit inverser Geometrie oder paralleler Strahlgeometrie wie Synchrotron-Beamlines spielen andere Überlegungen eine Rolle. In diesem Protokoll wird nur das standardmäßige laborbasierte Röntgen-CT-Scannen mit Kegelstrahlgeometrie behandelt. Hier sind das Konzept der Vergrößerung, der Pixelgröße des Detektors und der Spotgröße wesentlich. Die Vergrößerung ist definiert als das Verhältnis von SDD/SOD. Als nächstes wirkt sich natürlich auch die Pixelgröße des Detektors auf die Auflösung aus: Je kleiner die Pixelgröße, desto höher die Auflösung, aber in den meisten Fällen steht das Sichtfeld (FoV) auch in direktem Zusammenhang mit der Pixelgröße und der Größe des Detektors (kleinere Pixelgröße, kleineres FoV bei gleicher Pixelanzahl). Darüber hinaus ist auch die Spotgröße des Röntgenstrahls wichtig: Je größer die Spotgröße, desto geringer die Auflösung, was bedeutet, dass weniger Details zu sehen sind.

Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass man eine Auflösung erhalten kann, die höher ist als das, was nach den oben genannten Grenzwerten möglich ist, daher ist es besser, den Begriff Voxelgröße (ein Voxel ist ein Volumenpixel) anstelle der Auflösung zu verwenden. Darüber hinaus spielen weitere Faktoren eine Rolle, wie z. B. die Schärfe des Detektors, die die tatsächliche Auflösung, mit der ein Objekt gescannt wird, weiter einschränken. Nur eine echte Kalibrierung des Systems unter Verwendung festgelegter Ziele liefert die wahrheitsgemäße Antwort.

In den meisten Fällen ist die Voxelgröße, mit der ein Objekt gescannt werden kann, jedoch meist durch die Größe des Objekts begrenzt. Das bedeutet, je größer das Objekt ist, desto geringer ist die Voxelgröße. Wenn das Objekt für eine bestimmte Voxelgröße nicht in das FOV des Detektors passt, kann die Voxelgröße reduziert werden, z. B. durch Begrenzung der Vergrößerung.

Die Scanzeit und das Datenvolumen sind wichtig, wenn Sie sich für die gewünschte Voxelgröße entscheiden. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Voxelgröße, desto höher die Details, die man sehen möchte, je kleiner die Stichprobe oder je weniger Proben auf einmal gescannt werden können, desto mehr Zeit wird benötigt und desto größer sind die Datenmengen, die gesammelt werden. Stellen Sie sich folgendes theoretisches Beispiel vor: Man kann eine Probe mit den Maßen 10 cm x 10 cm x 10 cm bei 50 μm auf einmal mit einem bestimmten Röntgen-CT-System scannen und möchte das gleiche Volumen bei 10 μm scannen, das Volumen, das in das Sichtfeld passt, wäre nur 2 cm x 2 cm x 2 cm, vorausgesetzt, dass dies physikalisch möglich ist. Das bedeutet, dass 125 Scans benötigt werden (5³ = 5-fach höhere Auflösung, skaliert aufgrund der volumetrischen Natur des bildgebenden Verfahrens hoch 3), um das gesamte Volumen abzudecken, und dass das Datenvolumen ebenfalls zunehmen würde. Natürlich ist dies nur ein Gedankenexperiment, und man muss viel mehr als nur die Auflösung in Betracht ziehen. Für weitere Informationen wird der Leser auf eine Übersicht über die Scanmöglichkeiten³⁷ verwiesen.

Flexibilität der Instrumente für das Scannen von Holzobjekten: In den letzten zehn Jahren haben viele Unternehmen Röntgen-CT-Systeme mit einer ähnlichen Baugruppe wie HECTOR³⁵ geliefert. Einen Überblick über verschiedene CT-Systeme, die speziell auf ihre zeitliche Auflösung hin beurteilt wurden, wird in³⁸ gegeben.

Insgesamt hat sich die Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit der Röntgen-CT-Systeme deutlich verbessert. Viele Systeme erlauben das Scannen unterschiedlichster Objekte, was auch bei den Systemen bei UGCT der Fall ist. Das folgende Protokoll wird für das HECTOR-System demonstriert, das für die Jahrringanalyse geeignet ist. Das Protokoll ist jedoch für jedes andere verfügbare System gültig, wenn die Auflösung und das Datenformat dies zulassen.

Diese Systeme ermöglichen das Scannen einer Vielzahl von Objekten. In Abbildung 3 sind einige Bilder von verschiedenen Holzobjekten zu sehen, die mit dem HECTOR System gescannt wurden. Es ist diese Flexibilität, die die drei Skalen umfasst, die wir in Abbildung 1 darstellen und die von einer groben Auflösung bis zu einer sehr feinen Auflösung reichen.

Abbildung 3. Beispiele für Scan-Setups. (A) Ein Stamm, (B) ein Cello⁴⁹, (C) Probenhalter (Typ 1) mit Baumkernen für das Batch-Scannen und (D) Probenhalter Typ 2 mit inkrementellen Kernen für die spiralförmige Abtastung, die auf dem Rotationstisch des HECTOR montiert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.