德國Fraunhofer植物CT成像系統原理

  CT是用X射線束對(dui)物體(ti)某(mou)部(bu)分一定厚度的層(ceng)面(mian)進行掃描，由探測器(qi)接收透過該層(ceng)面(mian)的X射線，轉(zhuan)變為可見光后，由光電(dian)轉(zhuan)換變為電(dian)信(xin)號，再(zai)經模擬/數字轉(zhuan)換器(qi)轉(zhuan)為數字，輸入計算機處(chu)理(li)。圖像形成的處(chu)理(li)有如對(dui)選定層(ceng)面(mian)分成若干個體(ti)積(ji)相同的長方(fang)體(ti)，稱之為體(ti)素 (voxel)。

  掃描所得信息(xi)經計算而獲得每個體素(su)的X射(she)線衰減系數(shu)(shu)或吸收系數(shu)(shu)，再排列成矩(ju)(ju)陣，即(ji)數(shu)(shu)字矩(ju)(ju)陣。數(shu)(shu)字/模擬轉換器把數(shu)(shu)字矩(ju)(ju)陣中的每個數(shu)(shu)字轉為(wei)由(you)黑到白(bai)不(bu)等灰度的小方塊，即(ji)像素(su) (pixel)，并按(an)矩(ju)(ju)陣排列，即(ji)構成CT圖(tu)像。所以，CT圖(tu)像是重建圖(tu)像。每個體素(su)的X射(she)線吸收系數(shu)(shu)可以通過(guo)不(bu)同的數(shu)(shu)學方法算出。

CT的(de)(de)(de)工作程序(xu)是這樣的(de)(de)(de)：它(ta)根據(ju)植(zhi)(zhi)物不同組(zu)織對(dui)X線的(de)(de)(de)吸收與透過率的(de)(de)(de)不同，應用靈敏度*的(de)(de)(de)儀器(qi)對(dui)植(zhi)(zhi)物進行測量，然后將測量所獲取的(de)(de)(de)數據(ju)輸入(ru)計算(suan)機，計算(suan)機對(dui)數據(ju)進行處理(li)后，就可攝下檢測區域植(zhi)(zhi)物組(zu)織的(de)(de)(de)斷面(mian)或立(li)體圖像(xiang)，發現任何部位的(de)(de)(de)細小(xiao)變化。

德國Fraunhofer植物CT成像系統(tong)產品(pin)介紹

  人們在對植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)各組織深入進行科研(yan)(yan)時，遇(yu)(yu)到(dao)了新(xin)的(de)(de)(de)疑難(nan)問題。人們研(yan)(yan)究(jiu)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)種(zhong)子(zi)時，很(hen)難(nan)在不(bu)破壞(huai)種(zhong)子(zi)的(de)(de)(de)前(qian)提(ti)下探(tan)(tan)(tan)索其(qi)內(nei)部(bu)結構的(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)化(hua)。目前(qian)上使用(yong)的(de)(de)(de)很(hen)多研(yan)(yan)究(jiu)種(zhong)子(zi)的(de)(de)(de)先進技術(shu)大多是(shi)利(li)用(yong)熒光法(fa)(fa)研(yan)(yan)究(jiu)種(zhong)子(zi)活力(li)或(huo)其(qi)萌發率，這些方(fang)(fang)法(fa)(fa)能(neng)夠(gou)高(gao)通量地達到(dao)某些研(yan)(yan)究(jiu)目的(de)(de)(de)，但(dan)始終無法(fa)(fa)得知種(zhong)皮(pi)內(nei)部(bu)的(de)(de)(de)結構和動態變(bian)(bian)(bian)化(hua)過(guo)程。再如(ru)(ru)，人們研(yan)(yan)究(jiu)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)根(gen)系時，會遇(yu)(yu)到(dao)很(hen)多困難(nan)。傳統的(de)(de)(de)洗根(gen)掃描(miao)法(fa)(fa)確(que)實能(neng)夠(gou)清晰地將(jiang)根(gen)系展(zhan)現在人們眼(yan)前(qian)，但(dan)卻破壞(huai)了其(qi)原有的(de)(de)(de)狀(zhuang)態；微(wei)根(gen)窗法(fa)(fa)能(neng)夠(gou)解(jie)決原位測量的(de)(de)(de)問題，但(dan)卻不(bu)能(neng)探(tan)(tan)(tan)索土(tu)壤(rang)(rang)內(nei)部(bu)的(de)(de)(de)根(gen)系分布；因(yin)此(ci)如(ru)(ru)何能(neng)夠(gou)原位觀(guan)測土(tu)壤(rang)(rang)中的(de)(de)(de)根(gen)系變(bian)(bian)(bian)化(hua)成(cheng)了阻撓廣(guang)大科研(yan)(yan)工作者的(de)(de)(de)難(nan)題。即便是(shi)有一種(zhong)方(fang)(fang)法(fa)(fa)能(neng)夠(gou)探(tan)(tan)(tan)測到(dao)土(tu)壤(rang)(rang)中的(de)(de)(de)根(gen)系變(bian)(bian)(bian)化(hua)，那土(tu)壤(rang)(rang)是(shi)否會對根(gen)系的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)產生干擾？此(ci)外，如(ru)(ru)果人們需(xu)要研(yan)(yan)究(jiu)植(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)物(wu)莖桿，是(shi)否存在一種(zhong)無損的(de)(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)(fa)探(tan)(tan)(tan)索其(qi)內(nei)部(bu)結構？

  為解決這些(xie)難題，德國著(zhu)名(ming)研究(jiu)所推出(chu)了專(zhuan)門用于植物(wu)研究(jiu)的CT三維成(cheng)像系統，可(ke)對植物(wu)組織(zhi)、果實、種子(zi)及(ji)土(tu)壤中的根系進行三維成(cheng)像分析，無需專(zhuan)業的圖(tu)像處理知(zhi)識，可(ke)獲取形(xing)態學以及(ji)內部性狀信息(xi)。

植物CT成(cheng)像(xiang)系統(tong)應用領域(yu)：

  實驗(yan)室植(zhi)(zhi)物(wu)CT成像系統廣(guang)泛應用于植(zhi)(zhi)物(wu)對植(zhi)(zhi)物(wu)根(gen)系、莖桿(gan)的(de)內部結構(gou)變化的(de)研(yan)究。可以無損地探索盆栽中不同植(zhi)(zhi)物(wu)的(de)根(gen)系變化，也(ye)可以測量莖桿(gan)的(de)3D結構(gou)。

植物CT成像(xiang)系統主要(yao)特(te)點(dian)：

    • 適用于研(yan)究植物根系和(he)莖桿

    • 分(fen)析軟(ruan)件(jian)自(zi)動將盆栽中(zhong)的土(tu)壤和(he)根系分(fen)離，屏(ping)蔽土(tu)壤干(gan)擾

    • 設備占地(di)空間小，操(cao)作(zuo)簡單

    • 體(ti)素50µm

    • 可360度旋轉拍(pai)攝樣品

    • 同步圖像采集及3D重建(jian)

    • 設(she)備(bei)自帶X光屏蔽層，安全可靠

    • 可根據(ju)樣品大小定制(zhi)化不同系統(tong)

植物(wu)CT成像系統技(ji)術參數：

1. 系統硬件

系統規格(ge)

• 尺寸(cun)：1800mm（寬）x 900mm（深）x 1600mm（高）

• 焦點(dian)到檢(jian)測器(qi)的(de)大距離：850mm

• 視野范圍：11.4 x 14.5 cm

• 旋轉臺：n x 360°

• 成像(xiang)速(su)度(du)：5min/盆

安(an)全(quan)電路(EN)

• 門和光(guang)信號監(jian)視系統(tong)的雙面電路(lu)故(gu)障安(an)全互鎖系統(tong)

X-射線檢測器:

• 活動(dong)面(mian)積：145 x 114 mm

• 分辨(bian)率：約2940 x 2304像素

• 像素間距：50μm

X-射線源(yuan)

• 電子管電壓：10-180 kV

• 包括發(fa)電機的整體(ti)式光源

環境(jing)條件

• 供電： 230V或380V，50Hz

• 溫(wen)(wen)度：運行溫(wen)(wen)度10 °C–30 °C，儲藏溫(wen)(wen)度0 °C – 50 °C

• 濕度：運(yun)行/儲存：10 –85%RH （無結(jie)露現(xian)象）

• 環境防(fang)護(hu)：關(guan)鍵部位(wei)涂(tu)有額外的保護(hu)涂(tu)層，以適應比較苛刻的環境（如灰塵）。如有其(qi)它特殊防(fang)護(hu)要求請客戶提前做出說明。

輻射屏(ping)蔽

• 測量室環(huan)繞(rao)鉛當量，機柜外輻(fu)射大劑(ji)量率300 nSv/h，符(fu)合歐洲安全標準。

2. IT硬件

PC技術參(can)數(shu)

• 64 位處理器

• 8 GB 內存

• 1 TB 硬盤(pan)空間

• DVD 刻錄

• NVIDIA GeForce 9400 GT

• Windows 7 (64 位)

視覺/分(fen)析/重(zhong)建(jian) PC的技術參數

• 64位多核(he)處理(li)器

• 128G內存

• 4 TB硬(ying)盤空間

• DVD刻(ke)錄

• NVIDIA GeForce Titan X

• Windows 7 (64 位)

• 24寸TFT顯示器

3. 工作軟件(jian)

Fraunhofer Volex 6：測量(liang)和構建軟件

• 標準3D CT掃(sao)描程序供線(xian)上(shang)線(xian)下數據庫的(de)構建，自動修正減少環(huan)狀(zhuang)偽(wei)影、預估旋轉中心。

• 軟(ruan)件(jian)界面優化、易(yi)于(yu)使用(yong)。

測量分析體(ti)積 (3DCT)

• 體素尺寸(cun)50μm，直徑< 114 mm，高度＜145 mm

同步圖像采集和構建

• 圖像采集完成之后(hou)構建數(shu)據同(tong)步提供(gong)

數據(ju)分析

• 重(zhong)建(jian)的體積(ji)是在測(ce)量后(hou)手動(dong)的進(jin)行分析，分析軟件(jian)由Fraunhofer VolumePlayer的插件(jian)進(jin)行，測(ce)量結果是被分離的根系系統，客戶可以付費(fei)增加新的分析。

Fraunhofer VolumePlayer (VP)

   應用于(yu)2D、3D灰(hui)度值圖(tu)像數(shu)據（8-Bit, 16-Bit 和(he)(he)(he) 32-Bit ）的分析和(he)(he)(he)可視化。提供(gong)客戶需(xu)要(yao)的結構模塊和(he)(he)(he)可擴展模塊。提到的標準配置(zhi)有：

• 可視化數據(ju)層

• 利(li)用(yong)直方圖(tu)、本地(di)統計、手(shou)動圖(tu)像、灰度值分布、查(cha)詢表、測量工具等手(shou)動圖(tu)像分析

• 體積數據作為(wei)圖像序列(lie)生(sheng)成

• 視(shi)角連接

• 處理8-bit, 16-bit和(he)浮(fu)點值

• 實時處理(li)3D數據生成三維顯示

• 不同的顯示方法

• 圖(tu)像疊(die)加(jia)，紅藍眼鏡可視3D圖(tu)像