植物作為地球上常見到的景物,是組成地球生態系統非常重要的一部分,多年來,研究者一直在探索植物生命及其生長過程的奧秘并取得一定成果。花朵是植物重要的器官之一,不僅種類繁多,并且具有復雜的形態結構和生命特性,高精度、高真實感的花朵對象模型仍然是研究熱點問題之一。但是由于花朵本身結構復雜、內部組織貼合緊密等原因,使得三維植物器官數據場分割工作一直是一項具有挑戰性的課題。為解決植物器官CT圖像的分割和可視化問題,可以植物花朵器官為研究對象,利用X射線計算機斷層掃描系統(CT)獲取花朵體數據信息,并對獲取的花朵體數據信息進行分割處理,采用形態學細化算法對每幅分割后的植物器官圖像進行骨架提取,獲取特征端點的,從而為植物器官的表面重建提供數據支撐。

計算機斷層掃描技術還可用于種子質量控制以及種子檢測標準確立，該系統能檢測細微的內部結構（種皮、外殼、胚芽、空腔）。

對每一粒種子檢測，都需要復雜的處理流程。檢測的目的是為了保證其不變高品質。盡管有各種實驗方法可以選擇，但是在種子檢測方面，X射線仍是比較可靠的方法，通過影響處理系統，CT設備可監測到每一粒種子。自2003年起，Frauhofer EZRT開始了種子CT斷層掃描系統的研究，近年來，對植物材料的研究已經從種子擴展到植物根、莖、果實等領域，走在CT植物表型研究的前列。其中一款自動化系統，種子無需單獨分開，軟件可將每粒種子從混合種子中分離，從而簡化了樣品制備，能在一次實驗中實現大量種子檢測。此外，也可實現自動機械臂取料，托盤內科放置多個小盒。操作界面簡單，校準或系統射線管溫度控制均為獨立。該設備可實現對種子內部結構的穩定、清晰成像，幾何分辨率約為50um。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無需染色、無需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內部詳盡的三維信息，并進行結構、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構，近年來被廣泛應用于結構學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域，例如花、果實、種子、根系等研究。

Frauhofer研究院是世界知名的應用技術研究院，很多工業技術都源自于該研究所。Frauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術應用在植物的表型研究上。與傳統醫學CT不同，植物CT研究需要獨特算法和軟件等。Frauhofer研究院在該研究領域位于世界前沿。

Frauhofer植物計算機斷層掃描系統優點

1.該無損監測系統可適用于不同植物

2.系統可快速有效掃描全植株

3.借助溫室以及數個環境箱，可模擬真實環境條件

氣候變化的后果極其復雜，對發展中國家影響更大。例如，氣溫上升可使一些區域不適合居住，切斷了當地居民獲得水源的主要通道。即便發達國家也難以逃脫氣候變化影響，被迫改變思維方式-特別是農業的思維方式迫在眉睫。現代植物栽培種不能快速適應氣候變化影響，農民需要栽種能調整適應了當地主要條件的植物品種。這是為何研究者X光研發技術中心EZRT專注于無損監測以及植物分析。

許多植物品系（如土豆、小麥、水稻和木薯）都在努力適應世界氣候條件變化條件。要尋找到適當應對應用環境條件改變的方式，Frauhofer研究人員分析了不同植物品系如何應對環境沖擊。表型是一種鑒別植物的方式，例如，鑒別在高溫條件下仍能有足夠產量的植物。

實際環境下植物分析

理論上，人們可在田間通過人工視覺簡單觀測植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個人連續觀測數百個植株，很容易看出趨勢，但結果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監測系統，Oliver Scholz教授，X光技術研發中心的系統研究組負責人表示。要生成有意義數據，研究人員需要分析多個品系的各數十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對此研究配備了一個專門溫室以及數個環境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。

鑒別高產品種

植物由地上和地下器官組成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人們可從葉片（植物太陽能電池板）收集有價值信息。光學監控技術，例如3D激光技術，非常適合觀測葉片以及其環境。利用3D植物掃描儀獲取植物3維圖像。激光可向葉片表面投射窄線。因該線沿葉片走向，相機可記錄該線的位置。幾秒鐘，即可生成數以百萬的3D坐標，用以描述葉片表面（says Scholz）。

因該所的工作涉及到長期觀測和檢測的多個系列植物，該方法生成了大量3D數據。要對來自植物的單個葉片實現對比，研究所開發了特殊的軟件程序，使用復雜過程來計算葉片主要參數，之后以更小軟件包的形式提供這些參數。研究人員從而可直接讀取并精確分析葉片尺寸、表面積、傾斜和曲率。生物學家獲取此類表型數據并將其與微生物學知識相關聯，從而鑒別生物機制，允許特定植物品系快速生長，即便在極端條件下也有足夠產量。

地下X光成像：數分鐘構建3D CT

植物地下部分，例如其根部結構和果序也可提供關于植物生物量的重要信息。光學監控技術于此已經達到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來取得了巨大進展。此技術可輕松用于檢測鋼制或其它合金材質大樣品。在現今系統上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領域研究者面對不同的挑戰。與工業和實驗室多處應用不同，表型不僅僅關注圖像品質，成像的限制因素是成像時間，Stefan Gerth博士-革新系統設計團隊負責人表示，該所研究者開發了自己的實驗室系統，目標是在有效圖像品質和更短測量時間間取得平衡。

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發育階段的土豆

測量時間影響非常大，原因是研究者通常會測量一系列產品。長時測量在時間上并不經濟，將植物長時間放在X光機內相當于將植物從其熟悉環境中“隔離”出來，嚴重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術研發中心不斷投入到優化X光系統的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應的硬件，研究所用的軟件作用也至關重要。因成像時間短，源數據包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對此進行了補償，可全自動將植物器官與周圍環境分離出來。

下一步，軟件自動鑒別果實和根部結構的縱橫比以及植物器官的重量。要確保聲明可靠性，研究者對試驗系列進行數周、數月的觀測。在實驗結束時，利用一段時間的柱狀圖，研究者可以弄清楚植物如何進行地下生長發育。Joelle Claussen解釋道，他已經在X光技術研發中心測量了數以千計的植物。盡管該所就檢測系列取得較高成功率，也無法完全模擬溫室環境中真實的環境影響。這就是為何生物學家要在真實環境條件下對齊進行驗證的原因，Claussen表示。

在國內和國外研究伙伴的支持下，Frauhofer研究院非常確信研究者的無損監測系統可在氣候變化情況下，提供適當應對措施。

北京博普特科技有限公司是Frauhofer植物斷層掃描系統的中國區代理，負責其系列產品在中國的推廣、銷售和售后服務。

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發育階段的土豆。

3D計算機斷層掃描原理：3D斷層掃描（CT）可生成諸多方向的多個X光圖像（投影）。與醫學CT掃描不一樣，工業CT系統掃描的目標經常會安裝在旋轉桌面，位于X光射線管和檢測器之間。目標繞其軸旋轉同時，記錄下投影。