Análise de testemunhos de árvores com tomografia computadorizada de raios X

A densidade da madeira é uma variável fácil de medir¹ que reflete as propriedades anatômicas e químicas da madeira². Nas estimativas de biomassa de biomassa aérea, a densidade da madeira é uma importante variável de pesagem ^3,4,5, que é multiplicada pelas dimensões da árvore e um fator que representa o teor de carbono da madeira. A densidade da madeira está intimamente ligada às propriedades mecânicas da madeira⁶ e reflete a história de vida de uma árvore⁷.

A densidade da parede celular é medida em aproximadamente 1500 kg/m³ e é considerada bastante constante⁸, no entanto, variações de densidade da parede celular intra-anel também devem ser consideradas ^8,9. As células lenhosas (em geral traqueídeos em coníferas, vasos, parênquima e fibras em madeiras duras) são orientadas/moldadas de diferentes maneiras e a espessura da parede celular e o tamanho do lúmen dessas células variam¹⁰. Portanto, a densidade da madeira varia entre as árvores, dentro de uma árvore (axial e transversal) e em intervalos curtos dentro de um anel de árvore^11,12. Em muitos casos, a variação da densidade da madeira na escala do anel também delimita o limite do anel das árvores¹³. A densidade da madeira e, em última análise, as frações de tecido são geradas e, neste artigo, são amplamente colocadas em três categorias (ou seja, três escalas de resolução diferentes), dependendo do objetivo do estudo (Figura 1), conforme descrito abaixo.

Escala entre anéis: Ao medir pedaços de madeira, obtém-se um único valor para essa amostra. Isso pode ser feito por imersão em água ou geometricamente¹⁴. Desta forma, biomassa geral ou madeira Para incluir a variação medula-casca, esses pedaços de madeira podem ser divididos em blocos que são medidos manualmente para obter informações sobre a estratégia de história de vida¹⁵. Ao mudar para TC de raios-X de baixa resolução, como em scanners médicos^17,18, os dados TRW em anéis médios a largos podem ser feitos de maneira eficiente em muitas amostras 18,19,20. Esta também é a escala que pode ser usada para avaliar a biomassa da medula à casca de árvores temperadas e tropicais ^4,22, normalmente variando em resoluções de 50 μm a 200 μm.

Escala de anel: A madeira é um registrador de condições ambientais passadas. O parâmetro mais conhecido é a largura dos anéis das árvores (TRW), mas para reconstruções de temperatura global, os registros de densidade máxima do lenho tardio (MXD) são comprovadamente um proxy melhor para a temperatura²². MXD é uma variável fácil de medir²³ e um proxy para a espessura da parede celular e o tamanho da célula nas últimas células de um anel de árvore, e estão na linha das árvores e nos locais boreais positivamente ligados à temperatura sazonal do ar²⁴: quanto mais quentes e longos os verões, mais lignificação da parede celular ocorre, o que aumenta a densidade dessas últimas células. Medições tradicionais, como imersão e geometria, são menos precisas para determinar essa densidade no nível do anel. Um trabalho anterior desenvolveu um conjunto de ferramentas para o uso de filme de raios-X em amostras de corte fino²⁵. Isso desencadeou uma revolução tanto na silvicultura quanto na paleoclimatologia posterior^15,18, definindo a densidade máxima do lenho tardio (MXD), ou seja, o valor da densidade de pico geralmente no final de um anel, como um proxy para a temperatura do verão. O princípio básico é que as amostras são serradas (aproximadamente 1,2 mm a 7 mm¹³) para ficarem perfeitamente paralelas à direção axial, e a amostra é colocada em um filme sensível exposto a uma fonte de raios-X. Em seguida, esses filmes de radiografia são lidos através de uma fonte de luz que detecta a intensidade e salva os perfis e os parâmetros anuais dos anéis das árvores. Essas ferramentas, no entanto, exigem uma quantidade significativa de preparação de amostras e trabalho manual. Recentemente, isso foi desenvolvido para TC de raios-X de forma mais padronizada ou com base em núcleos montados²⁶. A resolução aqui varia entre 10 μm e 20 μm. O TRW também é medido nesta escala, especialmente quando se trata de anéis menores.

Escala anatômica: Nesta escala (resolução < 4 μm), os níveis médios de densidade tornam-se menos relevantes à medida que as principais características anatômicas são visualizadas e sua largura e proporções podem ser medidas. Normalmente, isso é feito por meio de microsseções ou varreduras ópticas de alta resolução ou tomografias μ-CT. Quando a ultraestrutura das paredes celulares precisa ser visualizada, a microscopia eletrônica de varredura é o método mais comumente utilizado²⁷. Na escala anatômica, as frações individuais do tecido tornam-se visíveis para que os parâmetros fisiológicos possam ser derivados das imagens. Com base nos parâmetros anatômicos individuais e na densidade da parede celular da madeira, a densidade anatômica pode ser derivada para comparação com estimadores convencionais da densidade da madeira²⁴.

Devido a técnicas aprimoradas de seccionamento e software de imagem^29,30, a dendroanatomia³⁰ foi desenvolvida para ter um registro mais preciso da madeira, tanto para ter uma estimativa mais próxima do MXD em coníferas quanto para medir várias variáveis anatômicas de árvores de folha larga. Nessa escala, os parâmetros anatômicos reais são medidos e relacionados aos parâmetros ambientais³¹ . Com μCT esse nível também pode ser obtido^32,33.

Como a madeira é inerentemente higroscópica e anisotrópica, a densidade da madeira precisa ser cuidadosamente definida e as condições de medição precisam ser especificadas, seja como seca no forno, condicionada (normalmente com 12% de teor de umidade) ou verde (como derrubada na floresta)³⁴. Para grandes amostras e fins técnicos, a densidade da madeira é definida como o peso dividido pelo seu volume em determinadas condições. No entanto, o valor da densidade da madeira é fortemente dependente da escala em que é medida, por exemplo, da medula à casca, a densidade da madeira pode dobrar e, em uma escala de anel (em coníferas), a transição da madeira precoce para a madeira tardia também resulta em um aumento significativo na densidade da madeira, com um pico no limite do anel.

Aqui, um protocolo de tomografia computadorizada de raios-X de núcleos de incremento é apresentado para medir as características nas 3 escalas mencionadas acima (Figura 1). Desenvolvimentos recentes em TC de raios-X podem cobrir a maioria dessas escalas, devido a uma configuração flexível. Os objetivos da pesquisa determinarão o eventual protocolo de varredura.

Um fator limitante crucial (que está inerentemente ligado à natureza escalonada da densidade da madeira e da madeira em geral) é a resolução e o tempo necessários para a digitalização. Exemplos demonstram como: (i) obter perfis de densidade de madeira em escala de árvore entre anéis para estimativas de biomassa em Terminalia superba da Bacia do Congo, (ii) obter registros de densidade de cedro Clanwilliam (Widdringtonia cedarbergensis) com base em varredura helicoidal em um sistema HECTOR³⁵, e (iii) medir parâmetros de vasos em carvalho séssil, no sistema Nanowood. Ambos os scanners fazem parte do conjunto de scanners do UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,

Figura 1: Árvore de decisão metodológica geral para tomografia computadorizada de raios-X. As linhas indicam as etapas a serem seguidas, desde o objetivo da pesquisa até o formato final dos dados. As caixas brancas são as etapas relevantes para essa cadeia de ferramentas. Caixas acinzentadas são etapas que podem ser executadas com outros softwares ou pacotes R, como dplr⁴⁷ e Treeclim⁴⁸ para análise de anéis de árvores, e ROXAS⁴⁴ , bem como ImageJ⁴² ou outros aplicativos (comerciais) para derivar parâmetros anatômicos da madeira com base nas imagens de TC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Pesquisa X-CT em madeira
Configuração de um scanner: Um scanner de tomografia computadorizada de raios-X padrão consiste em um tubo de raios-X, um detector de raios-X, um estágio de rotação e um conjunto de motores para mover o estágio de rotação e, na maioria dos casos, também o detector, para frente e para trás (Figura 2).

Figura 2. O sistema de digitalização HEITOR. O sistema³⁵, mostrando a distância do detector de origem (SDD) e a distância do objeto de origem (SOD). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A maioria dos sistemas baseados em laboratório tem uma geometria de feixe cônico, o que significa que os raios X produzidos são distribuídos a partir da janela de saída do tubo em forma de feixe cônico, o que implica que, alterando a distância entre o objeto e o tubo (SOD = Source-Object-Distance) e o detector e o tubo (SDD = Source-Detector-Distance), a ampliação é controlada (veja a discussão sobre resolução). Devido ao poder de penetração dos raios X, eles passam pelo objeto, e a intensidade do feixe de atenuação é uma função da energia do feixe de raios X, da composição química do objeto (o número atômico dos elementos presentes) e da densidade do material. Dado um espectro de energia constante e uma composição constante do material da madeira, a atenuação do feixe de raios X é altamente dependente da densidade do material, o que explica seu uso para densitometria. A atenuação (ou transmissão) pode ser expressa pela lei de Beer-Lambert:

com I₀ o feixe de raios-X de entrada exponencialmente que decai para um feixe de raios-X transmitido I_d ao se propagar através do material a uma distância d. O coeficiente de atenuação linear μ depende de uma série de interações com o material do objeto. As projeções são, portanto, gravações do feixe transmitido.

Praticamente, o objeto é montado no estágio de rotação, um SOD e SDD adequados são selecionados, uma certa potência também é selecionada (relacionada ao tamanho, densidade e composição do objeto) e o objeto é girado 360° e durante essa rotação várias projeções são feitas. Essas projeções são então usadas para reconstruir a estrutura interior do objeto. Existem vários algoritmos de reconstrução disponíveis, dos quais os mais utilizados ainda são baseados no arcabouço analítico desenvolvido décadas atrás, contando com a transformação de Radon e o teorema da fatia de Fourier. Para mais detalhes, o leitor é encaminhado para literatura especializada³⁶.

Enigma da resolução, volume de dados e tamanho da amostra: A resolução é fundamental na tomografia computadorizada de raios-X. Em sistemas com geometria inversa ou geometria de feixe paralelo, como linhas de luz síncrotron, outras considerações desempenham um papel. Este protocolo discute apenas a tomografia computadorizada de raios-X padrão baseada em laboratório com geometria de feixe cônico. Aqui, o conceito de ampliação, tamanho do pixel do detector e tamanho do ponto são essenciais. A ampliação é definida como a proporção de SDD/SOD. Em seguida, o tamanho do pixel do detector obviamente também afeta a resolução: quanto menor o tamanho do pixel, maior a resolução, mas na maioria dos casos o campo de visão (FoV) também está diretamente relacionado ao tamanho do pixel e ao tamanho do detector (tamanho do pixel menor, FoV menor para o mesmo número de pixels). Além disso, o tamanho do ponto do feixe de raios-X também é importante: quanto maior o tamanho do ponto, menor a resolução, o que significa que menos detalhes podem ser vistos.

É importante abordar que se pode obter uma resolução superior à possível de acordo com os limites acima mencionados, portanto, é melhor usar o termo tamanho do voxel (um voxel é um pixel de volume) em vez de resolução. Além disso, existem outros fatores em jogo, como a nitidez do detector, que limitam ainda mais a verdadeira resolução na qual um objeto é digitalizado. Somente uma calibração verdadeira do sistema, usando metas estabelecidas, fornece a resposta verdadeira.

Na maioria dos casos, no entanto, o tamanho do voxel no qual um objeto pode ser verificado é limitado principalmente pelo tamanho do objeto. Isso significa que quanto maior o objeto, menor será o tamanho do voxel. Se o objeto não couber no FoV do detector para um determinado tamanho de voxel, o tamanho do voxel pode ser reduzido, por exemplo, limitando a ampliação.

É importante considerar o tempo de varredura e o volume de dados ao decidir o tamanho de voxel desejado. Em geral, quanto menor o tamanho do voxel, maior o detalhe que se deseja ver, menor a amostra ou menos amostras que podem ser digitalizadas de uma só vez, mais tempo é necessário e maiores os volumes de dados serão coletados. Imagine o seguinte exemplo teórico: pode-se escanear uma amostra medindo 10 cm x 10 cm x 10 cm a 50 μm de uma só vez com um determinado sistema de TC de raios-X e gostaria de escanear esse mesmo volume a 10 μm, o volume que cabe dentro do FoV seria de apenas 2 cm x 2 cm x 2 cm, assumindo que isso é fisicamente possível. Isso significa que são necessárias 125 varreduras (5³ = resolução 5 vezes maior, escala para a potência de 3 devido à natureza volumétrica da técnica de imagem) para cobrir todo o volume, e que o volume de dados aumentaria da mesma forma. Claro, isso é apenas um experimento mental, e é preciso considerar muito mais do que apenas resolução. Para obter mais informações, o leitor é encaminhado para uma visão geral das possibilidades de digitalização³⁷.

Flexibilidade dos instrumentos para escaneamento de objetos de madeira: Na última década, muitas empresas forneceram sistemas de TC de raios-X com um conjunto semelhante ao HECTOR³⁵. Uma visão geral de vários sistemas de TC, especialmente avaliados por sua resolução temporal, é dada em³⁸.

Ao todo, a flexibilidade e a facilidade de uso dos sistemas de TC de raios-X melhoraram consideravelmente. Muitos sistemas permitem a digitalização de uma gama diversificada de objetos, o que também é o caso dos sistemas da UGCT. O protocolo abaixo é demonstrado para o sistema HECTOR, que é adequado para análise de anéis de árvores. O protocolo, no entanto, é válido para qualquer outro sistema disponível se a resolução e o formato dos dados permitirem.

Esses sistemas permitem a digitalização de uma variedade de objetos. Algumas fotos de diferentes objetos de madeira digitalizados com o sistema HECTOR são fornecidas na Figura 3. É essa flexibilidade que compreende as três escalas que apresentamos na Figura 1, variando de uma resolução grosseira a uma resolução muito fina.

Figura 3. Exemplos de configuração de digitalização. (A) Um tronco, (B) um violoncelo⁴⁹, (C) porta-amostras (tipo 1) com três núcleos para varredura em lote e (D) porta-amostras tipo 2 com núcleos de incremento para varredura helicoidal montados no estágio de rotação do HECTOR. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.