基于X射线显微计算机断层扫描标准化工作流对均质植物生长基质中根系、孔隙与水相关相态的分割与量化

《Journal of Imaging》：A Standardized X-Ray μCT Workflow for Segmenting Roots, Pores, and Water-Associated Phases in a Homogeneous Plant-Growth Substrate

　　

在完整的植物-基质系统中同时量化根系、充气孔隙和水相关相态，在X射线显微计算机断层扫描（μCT）中仍是一个方法论挑战，因为这些相态的灰度值范围部分重叠，且自动化二值阈值分割往往不足。本通讯报告提出了一种标准化且参数文档化的μCT图像分析工作流，用于分割和量化完整盆栽样本中四种相态（根系、充气孔隙、固体基质基质和水相关相态），其中包含均质植物生长基质。该工作流结合了三维中值滤波（3 × 3 × 3核）、基于平均值的交互式阈值分割、顺序空间形态学运算以及基于分水岭的对象分离，用于根系粒径分布分析。该工作流被应用于来自温室实验的15个完整盆栽样本，以多年生黑麦草（Lolium perenne）为演示系统，在三种磷肥处理下生长。标准化基质的使用使得能够推导出全局灰度阈值（Tpore ≤ 90；Tsolid ≥ 130），并一致应用于所有数据集。敏感性分析表明，相对于深度依赖性阈值，这些全局阈值将根系体积高估了约10%。随后的形态学膨胀和减法运算将根系掩膜与基质相邻的水相关体素分离开来。分割相态体积分数之和达到总感兴趣区域（ROI）体积的99.758 ± 0.173%，证实了该工作流的内在一致性。根系比表面积在演示组之间存在差异（1.99–2.23 mm?1），说明了该工作流对样本间结构差异的敏感性。该方法可转移至具有均质基质的受控盆栽实验，为基于μCT的完整根系-基质系统分析提供了一个透明的框架。其实用价值在于为根系生长提供了一个非破坏性、高分辨率且文档完善的3D分析框架，支持植物-基质相互作用及处理效应的进一步研究。

论文解读：基于X射线μCT的均质基质中根系、孔隙与水相关相态同步分割标准化工作流

一、研究背景与问题

根系系统通过介导水分和养分获取、机械锚定以及与周围基质的相互作用，强烈影响植物性能。同时，根系通过创造生物孔隙、改变孔隙连通性以及改变固体、充气和与水相关相态的空间排列来修饰根区物理结构。因此，量化这些地下结构对于理解植物-基质相互作用至关重要，但由于根系嵌入在复杂的三维环境中且难以无扰动地评估，这在方法上仍具挑战性。μCT提供了一种非破坏性方法来可视化和量化完整样本中的地下结构，保留了根系、孔隙与周围基质之间的空间关系，并能实现根系系统构型的空间显式分析。然而，定量μCT图像分析仍受限于分割灰度值范围重叠的多相态的难度。根系、水相关区域、有机组分和细基质颗粒可能表现出相似的衰减值，尤其是在植物生长基质或矿物相与生物相对比度有限的土壤中。自动化二值阈值分割在此类条件下往往不足，而完全手动分割耗时、依赖操作者且难以跨样本复现。因此，需要透明、标准化且文档完善的工作流，以报告图像预处理、阈值推导、形态学运算和基于对象的根系表征。受控盆栽实验中的均质植物生长基质为开发和测试此类工作流提供了有用系统，其降低了样本间灰度直方图变异性，便于推导全局分割阈值。

二、研究内容与结论

该研究旨在提出一种标准化且参数文档化的X射线μCT工作流，用于在含均质植物生长基质的完整盆栽中同时分割和量化根系、充气孔隙、固体基质基质和水相关相态。研究人员将该工作流应用于来自温室实验的15个完整盆栽样本，以多年生黑麦草（Lolium perenne）为演示系统，在三种磷肥处理（ZERO、RNF、CON）下生长。研究得出以下结论：首先，基质均质性是先决条件，低灰度值变异性使得全局阈值可应用于所有样本；其次，膨胀-减法步骤不可或缺，没有形态学后处理，水相关体素将夸大根系体积估计；第三，分水岭参数化依赖于形态，必须针对每种根系系统类型进行评估，此处确定的5%合并阈值特定于黑麦草根的光滑纤维结构。

三、关键技术方法

研究人员使用了以下主要关键技术方法：X射线显微计算机断层扫描（μCT）采集与重建，使用RayScan Smart X射线μCT扫描仪，在149 kV和146 μA下运行，获取720个投影，体素尺寸为62.195 μm，采用Feldkamp锥束重建算法；图像预处理采用三维中值滤波（3 × 3 × 3核），并通过信噪比（SNR）和对比度噪声比（CNR）验证滤波效果；基于平均值的交互式阈值分割，操作者在每个ROI的三个轴向区域（上部、中部、下部）手动识别灰度限制，跨15个数据集平均得到全局阈值T_pore ≤ 90和T_solid ≥ 130；顺序空间形态学运算，包括固体基质掩膜的单体素膨胀（Soil + D1）、从中间根系灰度域（91–129）中减去该掩膜以得到最终根系掩膜，以及水相关相态的定义；基于分水岭的对象分离，使用VGStudio Max中的Foam/Powder模块，应用5%合并阈值分离连接根系网络，用于根系粒径分布（RSD）分析。

四、研究结果

4.1 图像数据与灰度对比度：15个原始μCT数据集重建为16位图像并转换为无符号8位数据。重建的μCT体积在圆柱形ROI内表现出足够的灰度对比度以区分四个目标相态。8位灰度直方图中，暗体素（灰度值≤90）主要对应充气孔隙空间，亮体素（灰度值≥130）代表固体基质基质，中间灰度值（91–129）包括根系和基质相邻的水相关区域。所有样本和垂直ROI位置的灰度分布视觉上可比，证实了均质基质适用于全局阈值策略。

4.2 全局阈值与形态学运算：跨样本和垂直ROI位置的平均化产生了全局阈值T_pore = 90.4 ± 1.54和T_solid = 129.6 ± 1.93，四舍五入后最终应用T_pore ≤ 90和T_solid ≥ 130。阈值值的低标准差和近乎完美的直方图重叠表明均质基质产生了一致的灰度直方图，支持使用单一全局阈值方案。

4.3 相态分割输出：交互式程序在所有15个ROI中有效分离了四个目标相态。三维渲染确认根丝（包括细根结构）在形态学处理后与固体基质基质和水相关相态空间上区分开来。水相关相态形成直接邻近基质颗粒的薄包膜，与单体素膨胀一致。分割相态体积分数之和达到总ROI体积的99.758 ± 0.173%，确认了分割和形态学运算的内在一致性。与仅应用全局阈值相比，交互式方法将根系体积从约36.22%降至15.46%，避免了水相关体素对根系体积的夸大。

4.4 定量相态描述符：工作流为所有15个ROI产生了四个分割相态的体积分数和相态特异性比表面积（SSA）。固体基质基质的SSA平均为2.946 ± 0.080 mm^?1。根系SSA在演示组间存在差异：ZERO为1.990 ± 0.175 mm^?1，RNF为2.091 ± 0.107 mm^?1，CON为2.226 ± 0.083 mm^?1。交互式方法后的总根系体积为14.426 ± 1.528%。用于分水岭运算和RSD分析的1000个最大根系的体积平均比总根系体积小0.53 ± 0.185%。三维μCT根系体积与SSA之间观察到强线性关系（R² > 0.95）。在样本水平上，μCT根系体积与破坏性测定的根干重之间的关联较弱且不显著，但处理平均值显示更强的分离（交互式方法R² = 0.963）。平均根组织密度为0.241 g cm^?3（ZERO）、0.222 g cm^?3（RNF）和0.215 g cm^?3（CON），与文献报道的Lolium perenne根组织密度0.204 g cm^?3量级相似。

4.5 基于分水岭的根系对象分离：合并阈值评估显示，5%至50%的分离结果在平均球等效根系直径和分离的三维根系数量方面相似，80%的结果与5%定性可比，而99%保留了无法分离成单个对象的大型连接根系簇。因此选择5%合并阈值并一致应用于所有15个样本。

4.6 根系粒径分布：所有演示组的增量分布呈单峰形状，峰值体积贡献集中在较大的球等效直径类别，与结构根在体积上的主导地位一致。每组内的重复曲线紧密排列，表明各组内五个盆的根系粒径分布模式相似。

五、讨论与结论

讨论部分指出，均质植物生长基质的使用是该工作流的关键使能条件，低阈值变异性支持跨样本应用全局阈值，这与异质田间土壤形成对比。形态学膨胀-减法步骤对于将根组织与基质相邻的水相关体素分离至关重要。分水岭对象分离提供了超出总根系体积和SSA的额外结构描述符。局限性包括：工作流针对均质基质开发，不能直接应用于异质田间土壤；62.195 μm的体素尺寸设置了根系和孔隙的检测下限；工作流保留操作者引导步骤，未量化操作者重复性；全局阈值相对于深度依赖性阈值将根系体积高估约10%。结论部分强调，该工作流提供了可复制的四相μCT分割流程，在15个样本中一致分离了根系、充气孔隙、水相关相态和固体基质基质，相体积恢复率为99.758 ± 0.173%。该工作流最适合具有标准化基质和扫描条件的受控盆栽实验，未来工作应评估其对自然土壤、更高分辨率扫描和更复杂构型根系系统的适应性。