Анализ древовидных кернов с помощью рентгеновской компьютерной томографии

Плотность древесины является легко измеряемой переменной¹, которая отражает как анатомические, так и химические свойства древесины². При оценке биомассы надземной биомассы плотность древесины является важной весовой переменной ^3,4,5, которая умножается на размеры дерева и коэффициент, представляющий содержание углерода в древесине. Плотность древесины тесно связана с механическими свойствами древесины⁶ и отражает историю жизни дерева⁷.

Плотность клеточной стенки измеряется как приблизительно 1500 кг/м³ и считается относительно постоянной⁸, однако следует учитывать и изменения плотности внутрикольцевой клеточной стенки ^8,9. Древесные клетки (в основном трахеиды у хвойных деревьев, сосуды, паренхима и волокна у лиственных пород) ориентированы/имеют различную форму, а толщина клеточной стенки и размер просвета этих клеток варьируются^{в 10} раз. Таким образом, плотность древесины варьируется между деревьями, внутри дерева (осевая и поперечная) и в пределах коротких интервалов в пределах кольца^{деревьев 11,12}. Во многих случаях изменение плотности древесины в масштабе кольца также ограничивает границу годичных колец^{дерева 13}. Плотность древесины и, в конечном счете, тканевые фракции в этой статье в целом разделены на три категории (т.е. три различные шкалы разрешения) в зависимости от цели исследования (Рисунок 1), как описано ниже.

Межкольцевая шкала: При измерении кусков древесины для этого образца получается одно значение. Это можно сделать через погружение в воду или геометрически¹⁴. Таким образом, можно получить общие технологические переменные биомассы или древесины. Чтобы учесть вариации от сердцевины до коры, эти куски дерева могут быть дополнительно разделены на блоки, которые измеряются вручную для получения информации о стратегии жизненного цикла^. При переходе на рентгеновскую компьютерную томографию с низким разрешением, например, в медицинских сканерах^17,18, данные TRW на средних и широких кольцах могут быть эффективно получены на многих образцах 18,19,20. Эта шкала также может быть использована для оценки биомассы от сердцевины до коры как умеренных, так и тропических деревьев ^4,22, обычно с разрешением от 50 мкм до 200 мкм.

Кольцевая шкала: Древесина является регистратором прошлых условий окружающей среды. Наиболее известным параметром является ширина годичных колец деревьев (TRW), но для глобальных температурных реконструкций установлено, что рекорды максимальной плотности поздней древесины (MXD) являются лучшим показателем температуры²². MXD является легко измеряемой переменной²³ и показателем толщины клеточной стенки и размера клеток на последних клетках годичного кольца, а на границе деревьев и бореальных участках положительно связаны с сезонной температурой воздуха²⁴: чем теплее и длиннее лето, тем больше происходит одревеснение клеточной стенки, что, таким образом, увеличивает плотность этих последних клеток. Традиционные измерения, такие как иммерсивные и геометрические, менее точны для определения плотности на уровне кольца. В предыдущей работе была разработана цепочка инструментов для использования рентгеновской пленки на тонко нарезанных образцах²⁵. Это вызвало революцию как в лесном хозяйстве, так и в более поздней палеоклиматологии^15,18, определив максимальную плотность поздней древесины (MXD), т.е. пиковое значение плотности, часто находящееся в конце кольца, в качестве показателя летней температуры. Основной принцип заключается в том, что образцы распиливаются (примерно от 1,2 мм до 7 мм¹³) так, чтобы они были идеально параллельны осевому направлению, и образец помещается на чувствительную пленку, подверженную воздействию рентгеновского источника. Затем эти рентгенографические пленки считываются с помощью источника света, который определяет интенсивность и сохраняет профили и параметры годичных колец деревьев. Эти инструменты, однако, требуют значительного объема подготовки образцов и ручной работы. Недавно он был разработан для рентгеновской компьютерной томографии более стандартизированным способом или на основе установленных ядер²⁶. Разрешение здесь колеблется от 10 мкм до 20 мкм. TRW также измеряется по этой шкале, особенно при работе с меньшими кольцами.

Анатомический масштаб: В этом масштабе (разрешение < 4 мкм) средние уровни плотности становятся менее значимыми, так как визуализируются основные анатомические особенности и можно измерить их ширину и пропорции. Как правило, это делается путем проведения микросрезов или оптического сканирования с высоким разрешением или сканирования μ-компьютерной томографии. Когда необходимо визуализировать ультраструктуру клеточных стенок, наиболее часто используемым^{методом является} сканирующая электронная микроскопия. На анатомическом уровне отдельные фракции тканей становятся видимыми, так что на основе изображений можно получить физиологические параметры. На основе индивидуальных анатомических параметров и плотности клеточной стенки древесины может быть получена анатомическая плотность для сравнения с традиционными оценками плотности древесины²⁴.

Благодаря усовершенствованным методам секционирования и программному обеспечению для обработки изображений^29,30, дендроанатомия³⁰ была разработана для более точной записи древесины, как для более точной оценки MXD в хвойных деревьях, так и для измерения нескольких анатомических переменных широколиственных деревьев. На этой шкале измеряются фактические анатомические параметры, связанные^{с параметрами} окружающей среды. При μКТ этот уровень также может быть получен^32,33.

Поскольку древесина по своей природе гигроскопична и анизотропна, плотность древесины должна быть тщательно определена, а условия измерения должны быть указаны: как в духовке, кондиционированной (обычно с содержанием влаги 12%) или в сыром виде (как при вырубке в лесу)³⁴. Для больших образцов и технических целей плотность древесины определяется как деление массы на ее объем при заданных условиях. Тем не менее, значение плотности древесины сильно зависит от масштаба, в котором она измеряется, например, от сердцевины до коры плотность древесины может удвоиться, а в масштабе колец (у хвойных деревьев) переход от ранней древесины к поздней также приводит к значительному увеличению плотности древесины, с пиком на кольцевой границе.

Здесь представлен протокол рентгеновской компьютерной томографии приращенных ядер для измерения особенностей в указанных выше 3 масштабах (рис. 1). Последние разработки в области рентгеновской компьютерной томографии могут охватить большинство этих масштабов благодаря гибкой конфигурации. Цели исследования определят окончательный протокол сканирования.

Решающим ограничивающим фактором (который неразрывно связан с масштабным характером плотности древесины и древесины в целом) является разрешение и время, необходимое для сканирования. Примеры демонстрируют, как: (i) получить профили плотности древесины в масштабе межкольцевого дерева для оценки биомассы в Terminalia superba из бассейна реки Конго, (ii) получить данные о плотности из кедра Clanwilliam (Widdringtonia cedarbergensis) на основе спирального сканирования на системе HECTOR³⁵ и (iii) измерить параметры сосудов на скальных дубах в системе Nanowood. Оба сканера входят в комплект сканеров Центра рентгеновской томографии UGent (UGCT,

Рисунок 1: Общее методологическое дерево решений для рентгеновской компьютерной томографии. Строки указывают на шаги, которые необходимо предпринять, начиная с цели исследования и заканчивая окончательным форматом данных. Белые ящики — это шаги, которые актуальны для этого набора инструментов. Серые рамки — это шаги, которые могут быть выполнены с помощью другого программного обеспечения или R-пакетов, таких как dplr⁴⁷ и Treeclim⁴⁸ для анализа годичных колец деревьев, а также ROXAS⁴⁴ , а также ImageJ⁴² или других (коммерческих) приложений для получения анатомических параметров древесины на основе КТ-изображений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рентгенокомпьютерные исследования древесины
Настройка сканера: Стандартный рентгеновский компьютерный томограф состоит из рентгеновской трубки, рентгеновского детектора, поворотной ступени и набора двигателей для перемещения вращающейся ступени, а в большинстве случаев и детектора, вперед и назад (Рисунок 2).

Рисунок 2. Сканирующая система HECTOR . Система³⁵, показывающая расстояние до детектора источника (SDD) и расстояние до объекта источника (SOD). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Большинство лабораторных систем имеют конусно-лучевую геометрию, что означает, что производимые рентгеновские лучи распределяются из выходного окна трубки в форме конуса-луча, что означает, что при изменении расстояния между объектом и трубкой (SOD = Источник-Объект-Расстояние) и детектором и трубкой (SDD = Источник-Детектор-Расстояние) увеличивается (см. обсуждение разрешения). Из-за проникающей способности рентгеновских лучей они проходят через объект, а интенсивность затухающего пучка является функцией энергии рентгеновского луча, химического состава объекта (атомного номера присутствующих элементов) и плотности материала. Учитывая постоянный энергетический спектр и постоянный состав материала древесины, затухание рентгеновского луча сильно зависит от плотности материала, что объясняет его использование для денситометрии. Затухание (или пропускание) может быть выражено законом Бера-Ламберта:

где I₀ — входящий рентгеновский пучок, экспоненциально затухающий до проходящего рентгеновского пучка I_d при распространении через вещество на расстояние d. Коэффициент линейного затухания μ зависит от ряда взаимодействий с материалом объекта. Таким образом, проекции являются записями проходящего луча.

Практически, объект устанавливается на вращающуюся сцену, выбираются подходящие СОД и СДД, также выбирается определенная мощность (связанная с размером, плотностью и составом объекта) и объект поворачивается на 360°, и во время этого вращения берется несколько проекций. Эти проекции затем используются для реконструкции внутренней структуры объекта. Существует несколько алгоритмов реконструкции, из которых наиболее часто используемые до сих пор основаны на аналитической схеме, разработанной десятилетия назад, опираясь на преобразование Радона и теорему среза Фурье. За более подробной информацией читатель отсылается к специализированной литературе³⁶.

Загадка разрешения, объема данных и размера выборки: Разрешение является ключевым фактором в рентгеновской компьютерной томографии. В системах с обратной геометрией или геометрией параллельного луча, таких как синхротронные пучки, другие соображения играют роль. В этом протоколе обсуждается только стандартная лабораторная рентгеновская компьютерная томография с конусно-лучевой геометрией. Здесь важное значение имеет понятие увеличения, размера пикселя детектора и размера пятна. Увеличение определяется как отношение SDD/SOD. Далее, размер пикселя детектора, очевидно, также влияет на разрешение: чем меньше размер пикселя, тем выше разрешение, но в большинстве случаев поле зрения (FoV) также напрямую связано с размером пикселя и размером детектора (меньший размер пикселя, меньший FoV для того же количества пикселей). Кроме того, важен и размер пятна рентгеновского луча: чем больше размер пятна, тем ниже разрешение, а значит, можно увидеть меньше деталей.

Важно отметить, что можно получить разрешение, которое может быть выше, чем возможно в соответствии с вышеупомянутыми ограничениями, поэтому лучше использовать термин размер вокселя (воксель – это объемный пиксель) вместо разрешения. Кроме того, существуют и другие факторы, такие как резкость детектора, которые еще больше ограничивают истинное разрешение, с которым сканируется объект. Только истинная калибровка системы с использованием установленных целей дает правдивый ответ.

Однако в большинстве случаев размер воксела, с которым объект может быть просканирован, в основном ограничен размером объекта. Это означает, что чем больше объект, тем меньше будет размер воксела. Если объект не помещается в поле зрения детектора для определенного размера вокселов, то размер вокселя можно уменьшить, например, ограничив увеличение.

Время сканирования и объем данных важно учитывать при выборе желаемого размера воксела. В целом, чем меньше размер воксела, тем выше детализация, которую вы хотите увидеть, тем меньше выборка или чем меньше образцов можно отсканировать за один раз, тем больше времени требуется и чем больше объем данных будет собран. Представьте себе следующий теоретический пример: можно отсканировать образец размером 10 см x 10 см x 10 см на расстоянии 50 мкм за один раз с помощью определенной рентгеновской компьютерной томографии и захочется отсканировать тот же объем с точностью до 10 мкм, объем, который помещается в поле зрения, будет составлять всего 2 см x 2 см x 2 см. Предполагая, что это физически возможно. Это означает, что требуется 125 сканирований (разрешение в 5³ = 5 раз выше, масштабируется в степени 3 из-за объемного характера метода визуализации), чтобы охватить весь объем, и что объем данных также увеличится. Конечно, это всего лишь мысленный эксперимент, и нужно учитывать гораздо больше, чем просто решение. Для получения дополнительной информации читатель может ознакомиться с обзором возможностей сканирования³⁷.

Гибкость инструментов для сканирования деревянных объектов: В последнее десятилетие многие компании поставляли рентгеновские компьютерные системы с аналогичной комплектацией, как HECTOR³⁵. Обзор нескольких систем КТ, особенно оцененных по их временному разрешению, приведен в³⁸.

В целом, гибкость и удобство использования рентгеновских компьютерных систем значительно улучшились. Многие системы позволяют сканировать широкий спектр объектов, что также относится и к системам в УГКТ. Приведенный ниже протокол продемонстрирован для системы HECTOR, которая подходит для анализа годичных колец деревьев. Однако протокол действителен для любой другой доступной системы, если это позволяют разрешение и формат данных.

Эти системы позволяют сканировать самые разные объекты. Несколько изображений различных деревянных объектов, отсканированных с помощью системы HECTOR, приведены на рисунке 3. Именно эта гибкость включает в себя три шкалы, которые мы представляем на рисунке 1, варьирующиеся от грубого разрешения до очень высокого.

Рисунок 3. Примеры настройки сканирования. (A) бревно, (B) виолончель⁴⁹, (C) держатели образцов (тип 1) с древовидными ядрами для пакетного сканирования и (D) держатели образцов типа 2 с инкрементными сердечниками для спирального сканирования, установленные на вращательном столике HECTOR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.