三次元根系のための抽出メトリック：イン土壌のX線コンピュータ断層撮影データからボリュームおよび表面分析
Summary
イン土壌取得したX線コンピュータ断層撮影データから視覚的および定量的な根の構造情報を得るための方法が提供されます。
Abstract
植物の根は、根圏で発生する植物土壌微生物の相互作用において重要な役割を果たしているだけでなく、気候変動と作物管理に重要な意味を持つプロセス。彼らのネイティブ環境での根に関する定量サイズ情報は、植物を伴う根の成長と環境のプロセスを研究するための非常に貴重です。 X線コンピュータ断層撮影（XCT） その場でのルート検索と分析のための効果的なツールであることが実証されています。我々は、費用がかから三次元（3D）断層撮影データから関係なく、その形状の根の表面と体積を近似する効率的なツールを開発することを目的としました。プレーリーdropseed（Sporobolus heterolepis）試料がXCTを使用して画像化したの根本構造。ルートを再構成し、そして一次根の構造は、ライセンスとオープンソースソフトウェアの組み合わせを使用して、データから抽出されました。等値面ポリゴンメッシュは、その後の分析を容易にするために作成されました。我々はトンを開発しました彼は、メッシュからのルートボリュームと表面積を計算するために、MATLAB 1で生成されたアプリケーションimeshJを 、スタンドアロン。 imeshJの出力は、表面（ミリメートル2）の領域と（mm 3）のボリュームです。このプロセスは、定量的なルート分析イメージングのツールのユニークな組み合わせを利用して、記載されています。 XCTおよびオープンソースソフトウェアの組み合わせは、非侵襲的画像植物の根のサンプルを、セグメントルートデータ、3Dデータから定量的情報を抽出する強力な組み合わせであることが判明しました。 3Dデータを処理するこの方法は、セグメンテーションで生じる同様のX線減衰のコンポーネントと難し間の接続性がある他の材料/サンプルシステムに適用可能であるべきです。
Introduction
土壌は、非侵襲的に画像のルーツ6、7にことを困難にするので、根は、根圏2-5の一環として、植物生物学の「見えない」部分を表す。しかし、土壌環境の中に根の成長との相互作用を研究することは、理解に重要ですルート/植物の成長と栄養循環、今度は植林に影響を与え、食料安全保障、および気候。 X線コンピュータ断層撮影（XCT）は、それらのローカル環境8植物根サンプルの非侵襲的イメージングのための貴重なツールであることが証明されています。異なる条件下での根の発達と寸法変化を測定し、異なるデータセット/標本からのデータを比較することができるようにするために、一つは断層撮影データから定量的情報を抽出する必要があります。周囲の土壌とはルートデータのセグメンテーション、すなわち、その周囲他のすべて（を含む、例えば、隣接する植物）からルート・イメージの分離は、ACCUの前に重要なステップでありますレートサイズ分析を行うことができます。しかし、単純なしきい値のアプローチは、多くの場合、ルートデータのため実現不可能です。土壌中のイメージング植物の根に伴う課題は、ルート材料のX線減衰特性の変動、および水と有機物質によって引き起こされる根と土壌間の減衰値の重複を含みます。これらの問題は見事にMairhofer らによって最近対処されました。それらの視覚追跡ツールRooTrak 7,9に。成功した分割後の次のステップは、ルート・ボリュームと表面積を正確に決意です。ボリュームは、ボクセルの数をカウントし、7の前に示されるように、ボクセル」サイズの三乗を乗じることによって推定することができます。根の表面積および体積をより正確に決意するために、セグメント化された根系の等値面は、マーチングキューブ10として知られているアルゴリズムを使用して、三角形のメッシュで表すことができます。オープンソースImageJの11番目を近似するために使用することができますマーチングキューブのアルゴリズムに基づいて電子ルートボリューム。我々の知る限り、オープンソースソフトウェアの限られた数は、センチメートルの範囲内のルート標本のための断層撮影ベースのボリューム/表面データを計算に専念し、上記12現在入手可能です。私たちは13を見Oneオープンソースソフトウェアは、根の成長に焦点を当て、単一セルの解像度で定量的なボリュームの分析を可能にする細胞の特徴を目的としています。全体の根系14に専用のいくつかのオープンソースのソフトウェアは、その形状が実際に筒状であることを近似に基づく小径筒状の根系に最適です。しかし、いくつかの2D画像での作業と3D 14スタックを処理することはできません。そのような木のものと粗い表面と不均一な形状の根系は、検討されている場合さらに、筒状の近似が有効でない可能性があります。別のアプローチ15は、革新的な目を回避する二次元（2D）回転画像シーケンスを使用してeは高価なCTスキャナのために必要です。これは、レコードを測定し、根系の長さを表示します。私たちは、商業的にのみ入手可能なものの16-18からテストしたソフトウェア。一つは第三の色分析18に基づいている間に、第2は、葉面積および根の長さの測定ツール17は、3D画像を処理することができるように16のスタックが表示されません。この調査に基づいて、我々は、3次元断層データから関係なく、その形状の根の表面と体積を概算費用がかからオプションが望ましいことを示唆しています。
自由に利用できるRooTrakとのImageJを踏まえ、我々は、セグメント化されたルートデータから生成された等値面メッシュ（表面造形ファイル）を処理する（補足コードファイルを参照してください）imeshJという名前のプログラムを、開発、およびによって根の体積および表面積を計算していますメッシュの三角形のインデックスデータに単純な幾何学的計算を行います。ここでは、XCTイメージングの使用を組み合わせた方法を報告し、三角形メッシュからのデータの再構築と可視化（ソフトウェアCTプロ3DとVGスタジオ）、3Dデータ（オープンソースソフトウェアのImageJとRooTrak）の土壌からの試料の根のセグメンテーション、および表面とボリューム情報の抽出（ImageJの、コンピュータコードimeshJ）。
Protocol
Representative Results
Discussion
X線コンピュータ断層撮影法、いくつかのオープンソースプログラムの組み合わせは、非侵襲的画像植物の根のサンプルを、セグメントルートデータ、3Dデータから定量的情報（面積、体積）を抽出する強力な組み合わせであることが判明しました。特徴を視覚化し、測定するための当社の能力は、常にスキャン解像度によって、ならびにRooTrakソフトウェアの制限によって制限されます。し?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed in the Environmental Molecular Sciences Laboratory, a national scientific user facility sponsored by the Department of Energy’s Office of Biological and Environmental Research and located at Pacific Northwest National Laboratory.
Materials
| X-Tek/Metris XTH 320/225 kV | Nikon Metrology | n/a | X-ray tomography scanner |
| Inspect X | Nikon Metrology | n/a | Instrument control software |
| CT Pro 3D | Nikon Metrology | n/a | Reconstruction software, version XT 2.2 |
| VG Studio MAX | Visual Graphics GmbH | n/a | Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5 |
| ImageJ | Open-source | n/a | Image processing and analysis software, version 1.6 |
| RooTrak | Open-source | n/a | Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta |
| imeshJ | EMSL | n/a | MATLAB script developed by the authors |
| Prairie dropseed grass sample | n/a | n/a | Sample obtained from ground in residential area |
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