德國Fraunhofer植物CT成像系統(tǒng)原理

CT是用X射線束對(duì)物體某部分一定厚度的層面進(jìn)行掃描，由探測器接收透過該層面的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆娹D(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字，輸入計(jì)算機(jī)處理。圖像形成的處理有如對(duì)選定層面分成若干個(gè)體積相同的長方體，稱之為體素 (voxel)。

掃描所得信息經(jīng)計(jì)算而獲得每個(gè)體素的X射線衰減系數(shù)或吸收系數(shù)，再排列成矩陣，即數(shù)字矩陣。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器把數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素 (pixel)，并按矩陣排列，即構(gòu)成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個(gè)體素的X射線吸收系數(shù)可以通過不同的數(shù)學(xué)方法算出。

CT的工作程序是這樣的：它根據(jù)植物不同組織對(duì)X線的吸收與透過率的不同，應(yīng)用靈敏度的儀器對(duì)植物進(jìn)行測量，然后將測量所獲取的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可攝下檢測區(qū)域植物組織的斷面或立體圖像，發(fā)現(xiàn)任何部位的細(xì)小變化。

德國Fraunhofer植物CT成像系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

人們?cè)趯?duì)植物各組織深入進(jìn)行科研時(shí)，遇到了新的疑難問題。人們研究植物種子時(shí)，很難在不破壞種子的前提下探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。目前上使用的很多研究種子的*技術(shù)大多是利用熒光法研究種子活力或其萌發(fā)率，這些方法能夠高通量地達(dá)到某些研究目的，但始終無法得知種皮內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化過程。再如，人們研究植物根系時(shí)，會(huì)遇到很多困難。傳統(tǒng)的洗根掃描法確實(shí)能夠清晰地將根系展現(xiàn)在人們眼前，但卻破壞了其原有的狀態(tài)；微根窗法能夠解決原位測量的問題，但卻不能探索土壤內(nèi)部的根系分布；因此如何能夠原位觀測土壤中的根系變化成了阻撓廣大科研工作者的難題。即便是有一種方法能夠探測到土壤中的根系變化，那土壤是否會(huì)對(duì)根系的研究產(chǎn)生干擾？此外，如果人們需要研究植物莖桿，是否存在一種無損的方法探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)？

為解決這些難題，德國研究所推出了專門用于植物研究的CT三維成像系統(tǒng)，可對(duì)植物組織、果實(shí)、種子及土壤中的根系進(jìn)行三維成像分析，無需專業(yè)的圖像處理知識(shí)，可獲取形態(tài)學(xué)以及內(nèi)部性狀信息。

植物CT成像系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域：

實(shí)驗(yàn)室植物CT成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于植物對(duì)植物根系、莖桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的研究。可以無損地探索盆栽中不同植物的根系變化，也可以測量莖桿的3D結(jié)構(gòu)。

植物CT成像系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

• 適用于研究植物根系和莖桿

• 分析軟件自動(dòng)將盆栽中的土壤和根系分離，屏蔽土壤干擾

• 設(shè)備占地空間小，操作簡單

• 體素50µm

• 可360度旋轉(zhuǎn)拍攝樣品

• 同步圖像采集及3D重建

• 設(shè)備自帶X光屏蔽層，安全可靠

• 可根據(jù)樣品大小定制化不同系統(tǒng)

植物CT成像系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：

1. 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)規(guī)格

• 尺寸：1800mm（寬）x 900mm（深）x 1600mm（高）

• 焦點(diǎn)到檢測器的大距離：850mm

• 視野范圍：11.4 x 14.5 cm

• 旋轉(zhuǎn)臺(tái)：n x 360°

• 成像速度：5min/盆

安全電路(EN)

• 門和光信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)的雙面電路故障安全互鎖系統(tǒng)

X-射線檢測器:

• 活動(dòng)面積：145 x 114 mm

• 分辨率：約2940 x 2304像素

• 像素間距：50μm

X-射線源

• 電子管電壓：10-180 kV

• 包括發(fā)電機(jī)的整體式光源

環(huán)境條件

• 供電： 230V或380V，50Hz

• 溫度：運(yùn)行溫度10 °C–30 °C，儲(chǔ)藏溫度0 °C – 50 °C

• 濕度：運(yùn)行/儲(chǔ)存：10 –85%RH （無結(jié)露現(xiàn)象）

• 環(huán)境防護(hù)：關(guān)鍵部位涂有額外的保護(hù)涂層，以適應(yīng)比較苛刻的環(huán)境（如灰塵）。如有其它特殊防護(hù)要求請(qǐng)客戶提前做出說明。

輻射屏蔽

• 測量室環(huán)繞鉛當(dāng)量，機(jī)柜外輻射大劑量率300 nSv/h，符合歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)。

2. IT硬件

PC技術(shù)參數(shù)

• 64 位處理器

• 8 GB 內(nèi)存

• 1 TB 硬盤空間

• DVD 刻錄

• NVIDIA GeForce 9400 GT

• Windows 7 (64 位)

視覺/分析/重建 PC的技術(shù)參數(shù)

• 64位多核處理器

• 128G內(nèi)存

• 4 TB硬盤空間

• DVD刻錄

• NVIDIA GeForce Titan X

• Windows 7 (64 位)

• 24寸TFT顯示器

3. 工作軟件

Fraunhofer Volex 6：測量和構(gòu)建軟件

• 標(biāo)準(zhǔn)3D CT掃描程序供線上線下數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，自動(dòng)修正減少環(huán)狀偽影、預(yù)估旋轉(zhuǎn)中心。

• 軟件界面優(yōu)化、易于使用。

測量分析體積 (3DCT)

• 體素尺寸50μm，直徑< 114 mm，高度＜145 mm

同步圖像采集和構(gòu)建

• 圖像采集完成之后構(gòu)建數(shù)據(jù)同步提供

數(shù)據(jù)分析

• 重建的體積是在測量后手動(dòng)的進(jìn)行分析，分析軟件由Fraunhofer VolumePlayer的插件進(jìn)行，測量結(jié)果是被分離的根系系統(tǒng)，客戶可以付費(fèi)增加新的分析。

Fraunhofer VolumePlayer (VP)

應(yīng)用于2D、3D灰度值圖像數(shù)據(jù)（8-Bit, 16-Bit 和 32-Bit ）的分析和可視化。提供客戶需要的結(jié)構(gòu)模塊和可擴(kuò)展模塊。提到的標(biāo)準(zhǔn)配置有：

• 可視化數(shù)據(jù)層

• 利用直方圖、本地統(tǒng)計(jì)、手動(dòng)圖像、灰度值分布、查詢表、測量工具等手動(dòng)圖像分析

• 體積數(shù)據(jù)作為圖像序列生成

• 視角連接

• 處理8-bit, 16-bit和浮點(diǎn)值

• 實(shí)時(shí)處理3D數(shù)據(jù)生成三維顯示

• 不同的顯示方法

• 圖像疊加，紅藍(lán)眼鏡可視3D圖像