植物作為地球上常見到的景物,是組成地球生態(tài)系統(tǒng)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(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命特性,高精度、高真實(shí)感的花朵對象模型仍然是研究熱點(diǎn)問題之一。但是由于花朵本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部組織貼合緊密等原因,使得三維植物器官數(shù)據(jù)場分割工作一直是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)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(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)(CT)獲取花朵體數(shù)據(jù)信息,并對獲取的花朵體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分割處理,采用形態(tài)學(xué)細(xì)化算法對每幅分割后的植物器官圖像進(jìn)行骨架提取,獲取特征端點(diǎn)的,從而為植物器官的表面重建提供數(shù)據(jù)支撐。
 

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)還可用于種子質(zhì)量控制以及種子檢測標(biāo)準(zhǔn)確立，該系統(tǒng)能檢測細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（種皮、外殼、胚芽、空腔）。
 

對每一粒種子檢測，都需要復(fù)雜的處理流程。檢測的目的是為了保證其不變高品質(zhì)。盡管有各種實(shí)驗(yàn)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(tǒng)，CT設(shè)備可監(jiān)測到每一粒種子。自2003年起，F(xiàn)rauhofer EZRT開始了種子CT斷層掃描系統(tǒng)的研究，近年來，對植物材料的研究已經(jīng)從種子擴(kuò)展到植物根、莖、果實(shí)等領(lǐng)域，走在CT植物表型研究的前列。其中一款自動化系統(tǒng)，種子無需單獨(dú)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(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)大量種子檢測。此外，也可實(shí)現(xiàn)自動機(jī)械臂取料，托盤內(nèi)科放置多個小盒。操作界面簡單，校準(zhǔn)或系統(tǒng)射線管溫度控制均為獨(dú)立。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、清晰成像，幾何分辨率約為50um。
 

種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)
 

Fraunhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)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(nèi)部詳盡的三維信息，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域，例如花、果實(shí)、種子、根系等研究。
 

計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)還可用于種質(zhì)資源采集、種子表型、種子質(zhì)量控制以及種子檢測標(biāo)準(zhǔn)確立，該系統(tǒng)能檢測細(xì)微的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（種皮、外殼、胚芽、空腔）。
 

Fraunhofer研究院的EZRT研究所科研人員，利用該系統(tǒng)發(fā)表了題為Drought and heat stress tolerance screening in wheat using computed tomography的論文，研究使用計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)對麥穗進(jìn)行了斷層掃描研究，可對種子結(jié)構(gòu)例如種子變形等進(jìn)行預(yù)測和測量，文章發(fā)表在Plant Methods上。
 

Fraunhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)行超高分辨率三維成像，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(nèi)部詳盡的三維信息，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域，例如花、果實(shí)、種子、根系等研究。

Fraunhofer研究院是著名的應(yīng)用技術(shù)研究院，很多工業(yè)技術(shù)都源自于該研究所。Fraunhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應(yīng)用在植物的表型研究上。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同，植物CT研究需要獨(dú)特算法和軟件等，F(xiàn)raunhofer研究院在該研究領(lǐng)域位于領(lǐng)先位置。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同，植物CT研究需要獨(dú)特算法和軟件等。Frauhofer研究院在該研究領(lǐng)域位于世界前沿

近年來，F(xiàn)raunhofer團(tuán)隊(duì)一直致力于將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于植物表型研究領(lǐng)域，特別是專注于植物結(jié)構(gòu)高分辨率無損檢測。其中一個研究方向?yàn)檠芯客庠诿{迫因素對植物微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究方向有木質(zhì)部結(jié)構(gòu)如何對脅迫，如干旱做出反應(yīng)。在干旱環(huán)境下，一些植物不再為葉片或整個枝條提供水分。研究另外一個方向是不同植物基因品系的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征。

Fraunhofer開發(fā)出了便攜式、臺式、落地式以及高通量等多個系列專門針對植物表型研究開發(fā)的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)。
 

1、便攜式種子斷層掃描儀

應(yīng)用于對植物種子、小型果實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的研究�？梢詿o損地探索不同植物種子腔體、胚和胚乳的變化，測量種子內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)和小型果實(shí)的內(nèi)部變化，設(shè)備小巧便攜，操作簡單，具有中分辨率和高分辨率兩種選擇。
 

2.臺式種子斷層掃描成像系統(tǒng)

廣泛應(yīng)用于植物對植物根系、莖桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的研究�？梢詿o損地探索盆栽中不同植物的根系變化，也可以測量莖桿等植物器官的3D結(jié)構(gòu)。 

1.Drought and heat stress tolerance screening in wheat using computed tomography
2.X-ray driven peanut trait estimation: computer vision aided agri-system transformation