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在树木年轮密度研究中，传统技术因样本制备繁琐限制其应用。研究人员开展 X 射线微计算机断层扫描（XμCT）管道优化研究。结果显示该技术能高效处理大量样本，这为大规模研究提供有力支持，推动相关领域发展。
树木，作为地球生态系统的重要组成部分，它们的生长历程如同大自然书写的史书，而树木年轮则是这本史书中的独特文字。通过对树木年轮的研究，科学家们能够解读过去的气候变迁，了解生态系统的动态变化。在众多研究树木年轮的方法中，树木年轮密度测量意义非凡，其中最大晚材密度（MXD）更是重建夏季温度的 “黄金标准”。然而，传统的基于 X 射线的技术在进行树木年轮密度测量时，需要繁琐且耗费人力的木材样本制备过程，这一难题就像一道屏障，严重限制了树木年轮密度测量在大规模研究中的广泛应用。
为了突破这一困境，来自根特大学木材实验室（UGent-Woodlab）和根特大学 X 射线断层扫描中心（UGCT）的研究人员踏上了探索之旅，致力于开发一种高效的 X 射线微计算机断层扫描（XμCT）管道，以推动大规模树木年轮密度研究的发展。他们的研究成果发表在《Dendrochronologia》上，为该领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是设计了两种 3D 打印的样本 holder，分别为高分辨率和中 / 低分辨率样本 holder，可容纳不同数量和长度的增量芯；二是使用 TESCAN CoreTOM 扫描仪，优化并标准化了扫描设置，确定了高分辨率快速、高分辨率最佳、中分辨率和低分辨率四种扫描模式；三是采用基于 Katsevich 算法的Octopus Reconstruction软件进行扫描重建，并进行 heel 效应校正；四是开发了包含CoreProcessor、RingIndicator和CoreComparison三个程序的XCT Toolchain软件套件 。
下面让我们深入了解一下研究的具体结果：
- 样本 holder 的设计与优势：研究人员设计的高分辨率样本 holder 直径 39mm，能容纳 16 个长达 35cm 的增量芯，还包含空气和 POM 参考物，可实现 15μm 的体素大小；中 / 低分辨率样本 holder 直径 74mm，可容纳 48 个长达 60cm 的增量芯，有多个参考物，体素大小为 30μm。这种设计基于数学优化的填充方式，提高了空间效率，减少了扫描伪影，且 3D 打印技术保证了样本 holder 的质量和一致性 。
- XμCT 扫描设置的优化：研究选用 TESCAN CoreTOM 扫描仪进行螺旋扫描，有效避免了锥束伪影和拼接需求。根据不同研究目的，设置了四种扫描模式。高分辨率模式（15μm 体素大小）适用于针叶树 MXD 研究等；中分辨率模式（30μm 体素大小）适合被子植物或快速生长针叶树的研究；低分辨率模式（60μm 体素大小）用于对年轮研究兴趣不大的项目。这些扫描模式各具优势，在扫描时间、样本数量和文件大小等方面进行了平衡 。
- 螺旋 XμCT 重建及校正：扫描重建使用Octopus Reconstruction软件，基于 Katsevich 算法进行。在重建前，通过自动化查找表对投影进行 heel 效应校正，该查找表由 POM 楔形投影得出，能有效减轻非均匀成像和部分束硬化效应 。
- 定制软件的功能及作用：XCT Toolchain软件套件功能强大。CoreProcessor可从扫描中提取单个样本的图像体积，转换为绝对密度值，还能处理大文件，避免一次性加载整个扫描数据；RingIndicator用于半自动指示年轮边界和计算密度剖面，可处理多种图像格式，适应不同研究需求；CoreComparison则通过显示年轮宽度曲线和计算相关统计数据，辅助交叉定年 。
- 人力时间成本与参考样本验证：经优化的 XμCT 方法人力效率高，处理中 / 低分辨率样本每 35cm 仅需约 2.2 分钟，高分辨率样本每 35cm 约 5.4 分钟。研究人员还创建了已知密度的参考样本，结果表明 XμCT 密度测量平均误差为 -0.0004g/cm3或 -0.06% ，不同扫描模式和物种存在一定差异 。
综合来看，这项研究意义重大。它成功开发的 XμCT 管道，大大提高了大规模树木年轮密度研究的效率，减少了人力时间成本。优化和标准化的扫描过程确保了数据的高质量和一致性，有利于不同实验室间的合作研究。此外，该技术作为一种非破坏性方法，为多代理数据集的开发开辟了新途径，样本在测量后还可用于其他分析。不过，该技术也存在一些局限性，如设备成本高、对计算机内存要求大、对含大量晶体结构的物种测量存在偏差等，但研究人员也提出了相应的解决思路。未来，将深度学习技术融入现有工具链，探索基于 3D 环分割的密度参数，有望进一步推动该领域的发展。总之，这项研究为树木年轮密度研究及其在气候科学和生态学中的应用奠定了坚实基础，为相关领域的研究人员提供了有力的技术支持和研究思路。
