Wir danken den drei anonymen Gutachtern für ihr Feedback und ihre Anregungen. Diese Forschung wurde gefördert durch den BOF-Sonderforschungsfonds für JVdB (BOF Starting Grant BOF. STG.2018.0007.01) für den UGCT als Kompetenzzentrum (BOF. EXP.2017.0007) und als Core Facility (BOF. COR.2022.008) danken die Autoren auch der Forschungsstiftung Flandern (G019521N und G009720N) und dem UGent Industrial Research Fund (IOF) für die finanzielle Unterstützung der Infrastruktur durch Zuschüsse IOF. APP.2021.0005 (Projekt FaCT F2021/IOF-Equip/021).

Hochdurchsatz-Baumringanalyse und Dichteschätzung

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Kritische Schritte innerhalb des Protokolls Zu den kritischen Schritten innerhalb des Protokolls gehört die ordnungsgemäße Handhabung des Inkrementbohrers, um qualitativ hochwertige Inkrementkerne zu erhalten (Schritt 1.1 und siehe39), um Kleinigkeiten zu vermeiden. Als nächstes ist es wesentlich, dass die Kerne ungefasst bleiben (sieheaber 26), sowohl für das Einsetzen in den Probenhalter (Figur 5, siehe21) als ...

Die Holzdichte ist eine leicht zu messende Variable1, die sowohl die anatomischen als auch die chemischen Eigenschaften des Holzes widerspiegelt2. Bei der Biomasseschätzung der oberirdischen Biomasse ist die Holzdichte eine wichtige Abwägungsvariable 3,4,5, die mit den Abmessungen des Baumes multipliziert wird und den Kohlenstoffgehalt des Holzes darstellt. Die Holzdichte ist eng mit den mechanischen Eigenschaften von Holz6 verknüpft und spiegelt die Lebensgeschichte eines Baumeswider 7.
Die Zellwanddichte wird mit etwa 1500 kg/m³ gemessen und gilt als ziemlich konstant8, jedoch sollten auch Schwankungen der Zellwanddichte innerhalb des Rings berücksichtigt werden 8,9. Holzige Zellen (im Allgemeinen Tracheiden bei Nadelbäumen, Gefäße, Parenchym und Fasern bei Harthölzern) sind auf unterschiedliche Weise orientiert/geformt und die Zellwandstärke und Lumengröße dieser Zellen variiert10. Daher variiert die Holzdichte zwischen den Bäumen, innerhalb eines Baumes (axial und quer) und innerhalb kurzer Abstände innerhalb eines Baumrings11,12. In vielen Fällen begrenzt die Variation der Holzdichte an der Ringskala auch die Baumringgrenze13. Die Holzdichte und letztendlich die Gewebefraktionen werden generiert und in dieser Arbeit grob in drei Kategorien (d.h. drei verschiedene Auflösungsskalen) eingeteilt, abhängig vom Studienziel (Abbildung 1), wie unten beschrieben.
Inter-Ring-Skala: Durch das Messen von Holzstücken wird ein einziger Wert für diese Probe ermittelt. Dies kann durch Eintauchen in Wasser oder geometrisch erfolgen14. Auf diese Weise können allgemeine biomasse- oder holztechnologische Variablen erhalten werden. Um die Variation von Mark bis Rinde einzubeziehen, können diese Holzstücke weiter in Blöcke unterteilt werden, die manuell gemessen werden, um Informationen über die Lebensverlaufsstrategie15 zu erhalten. Bei der Umstellung auf Röntgen-CT mit niedriger Auflösung, wie z. B. bei medizinischen Scannern17,18, können TRW-Daten an mittelbreiten bis breiten Ringen auf effiziente Weise an vielen Proben gemacht werden 18,19,20. Dies ist auch die Skala, die zur Bewertung der Biomasse von Mark bis Rinde von Bäumen der gemäßigten Klimazonen und tropischen Bäumen verwendet werden kann 4,22, typischerweise mit einer Auflösung von 50 μm bis 200 μm.
Ringskala: Holz ist ein Recorder vergangener Umweltbedingungen. Der bekannteste Parameter ist die Jahrringbreite (TRW), aber für globale Temperaturrekonstruktionen haben sich die Aufzeichnungen der maximalen Spätholzdichte (MXD) als besserer Proxy für die Temperatur22 erwiesen. MXD ist eine leicht zu messende Variable23 und ein Proxy für die Zellwanddicke und Zellgröße auf den letzten Zellen eines Baumrings und steht an der Baumgrenze und an borealen Standorten in einem positiven Zusammenhang mit der saisonalen Lufttemperatur24: Je wärmer und länger die Sommer, desto mehr Zellwandverholzung findet statt, was die Dichte dieser letzten Zellen erhöht. Herkömmliche Messungen wie Immersion und Geometrie sind weniger genau, um diese Dichte auf Ringebene zu bestimmen. In einer früheren Arbeit wurde eine Werkzeugkette für die Verwendung von Röntgenfilmen auf dünnen Probenentwickelt 25. Dies löste eine Revolution sowohl in der Forstwirtschaft als auch in der späteren Paläoklimatologie aus15,18, indem die maximale Spätholzdichte (MXD), d.h. der Spitzendichtewert, der oft am Ende eines Rings liegt, als Proxy für die Sommertemperatur definiert wurde. Das Grundprinzip besteht darin, dass die Proben (ca. 1,2 mm bis 7 mm13) so gesägt werden, dass sie perfekt parallel zur axialen Richtung sind, und die Probe auf einen empfindlichen Film gelegt wird, der einer Röntgenquelle ausgesetzt wird. Dann werden diese Röntgenfilme durch eine Lichtquelle ausgelesen, die die Intensität erkennt und die Profile sowie die jährlichen Jahrringparameter speichert. Diese Werkzeuge erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand an Probenvorbereitung und manueller Arbeit. In jüngster Zeit wurde dies für die Röntgen-CT in einer standardisierteren Weise oder auf Basis von eingefassten Kernenentwickelt 26. Die Auflösung liegt hier zwischen 10 μm und 20 μm. TRW wird auch auf dieser Skala gemessen, insbesondere bei kleineren Ringen.
Anatomische Skala: Bei dieser Skala (Auflösung < 4 μm) verlieren die durchschnittlichen Dichteniveaus an Bedeutung, da die wichtigsten anatomischen Merkmale visualisiert und ihre Breite und Proportionen gemessen werden können. In der Regel geschieht dies durch die Erstellung von Schliffbildern oder hochauflösenden optischen Scans oder μ-CT-Scans. Wenn die Ultrastruktur der Zellwände sichtbar gemacht werden soll, ist die Rasterelektronenmikroskopie die am häufigsten verwendete Methode27. Auf der anatomischen Skala werden die einzelnen Gewebefraktionen sichtbar, so dass aus den Bildern physiologische Parameter abgeleitet werden können. Anhand der individuellen anatomischen Parameter und der Zellwanddichte von Holz kann die anatomische Dichte für den Vergleich mit herkömmlichen Schätzern der Holzdichteabgeleitet werden 24.
Aufgrund verbesserter Schnitttechniken und Bildsoftware29,30 wurde die Dendroanatomie30 entwickelt, um eine genauere Aufzeichnung des Holzes zu ermöglichen, sowohl um eine genauere Schätzung der MXD in Nadelbäumen zu erhalten als auch um verschiedene anatomische Variablen von Laubbäumen zu messen. Auf dieser Skala werden tatsächliche anatomische Parameter gemessen und mit Umweltparametern in Beziehung gesetzt31 . Mit μCT kann auch dieser Pegel erreicht werden32,33.
Da Holz von Natur aus hygroskopisch und anisotrop ist, muss die Holzdichte sorgfältig definiert und die Messbedingungen angegeben werden, entweder als ofentrocken, konditioniert (in der Regel bei 12 % Feuchtigkeitsgehalt) oder grün (wie im Wald geschlagen)34. Für große Proben und technische Zwecke ist die Holzdichte definiert als das Gewicht dividiert durch sein Volumen unter bestimmten Bedingungen. Der Wert der Holzdichte hängt jedoch stark von der Skala ab, auf der sie gemessen wird, z. B. kann sich die Holzdichte vom Mark bis zur Rinde verdoppeln, und auf einer Ringskala (bei Nadelbäumen) führt der Übergang von Frühholz zu Spätholz ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Holzdichte, mit einem Höhepunkt an der Ringgrenze.
In dieser Arbeit wird ein Röntgen-CT-Scanprotokoll von Inkrementkernen vorgestellt, um Merkmale auf den oben genannten 3 Skalen zu messen (Abbildung 1). Jüngste Entwicklungen in der Röntgen-CT können aufgrund eines flexiblen Aufbaus die meisten dieser Skalen abdecken. Die Forschungsziele werden das letztendliche Protokoll für das Scannen bestimmen.
Ein entscheidender limitierender Faktor (der untrennbar mit der skalierten Natur der Holzdichte und des Holzes im Allgemeinen zusammenhängt) ist die Auflösung und die Zeit, die für das Scannen erforderlich sind. Beispiele zeigen, wie man: (i) Holzdichteprofile auf der Ringskala von Bäumen für Biomasseschätzungen in Terminalia superba aus dem Kongobecken erhält, (ii) Dichteaufzeichnungen von Clanwilliam-Zeder (Widdringtonia cedarbergensis) auf der Grundlage von helikaler Abtastung auf einem HECTOR-System35 erhält und (iii) Gefäßparameter an Traubeneiche auf dem Nanowood-System misst. Beide Scanner sind Teil der Scanner-Suite am UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg"> Abbildung 1: Allgemeiner methodischer Entscheidungsbaum für die Röntgen-CT-Untersuchung. Die Zeilen zeigen die Schritte an, die zu unternehmen sind, beginnend mit dem Forschungsziel bis hin zum endgültigen Datenformat. Weiße Kästchen sind die Schritte, die für diese Toolchain relevant sind. Ausgegraute Kästchen sind Schritte, die mit anderer Software oder R-Paketen durchgeführt werden können, wie z. B. dplr47 und Treeclim48 für die Jahrringanalyse, ROXAS44 sowie ImageJ42 oder andere (kommerzielle) Anwendungen zur Ableitung von holzanatomischen Parametern auf der Grundlage der CT-Bilder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
X-CT-Forschung am Holz Aufbau eines Scanners: Ein Standard-Röntgen-CT-Scanner besteht aus einer Röntgenröhre, einem Röntgendetektor, einem Rotationstisch und einem Satz Motoren, um den Rotationstisch und in den meisten Fällen auch den Detektor hin und her zu bewegen (Abbildung 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg"> Abbildung 2. Das HECTOR Scansystem. System35, das den Detektorabstand (SDD) und den Abstand des Quellobjekts (SOD) anzeigt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Die meisten laborbasierten Systeme haben eine Kegelstrahlgeometrie, was bedeutet, dass die erzeugte Röntgenstrahlung aus dem Austrittsfenster der Röhre in einer Kegelstrahlform verteilt wird, was bedeutet, dass durch Ändern des Abstands zwischen dem Objekt und der Röhre (SOD = Source-Object-Distance) und dem Detektor und der Röhre (SDD = Source-Detector-Distance) die Vergrößerung gesteuert wird (siehe die Diskussion zur Auflösung). Aufgrund der Durchdringungskraft von Röntgenstrahlen dringen sie durch das Objekt, und die Intensität des Abschwächungsstrahls ist eine Funktion der Energie des Röntgenstrahls, der chemischen Zusammensetzung des Objekts (der Ordnungszahl der vorhandenen Elemente) und der Dichte des Materials. Bei einem konstanten Energiespektrum und einer konstanten Materialzusammensetzung von Holz ist die Abschwächung des Röntgenstrahls stark von der Dichte des Materials abhängig, was seine Verwendung für die Densitometrie erklärt. Die Dämpfung (oder Übertragung) kann durch das Beer-Lambert-Gesetz ausgedrückt werden:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;">
bei I0 der exponentiell einfallende Röntgenstrahl, der bei der Ausbreitung durch das Material über eine Strecke d zu einem transmittierten Röntgenstrahl Id zerfällt. Der lineare Dämpfungskoeffizient hängt μ von einer Reihe von Wechselwirkungen mit dem Material des Objekts ab. Bei den Projektionen handelt es sich also um Aufzeichnungen des übertragenen Strahls.
In der Praxis wird das Objekt auf dem Rotationstisch montiert, es wird ein richtiger SOD und SDD ausgewählt, eine bestimmte Leistung wird ebenfalls ausgewählt (abhängig von der Größe, Dichte und Zusammensetzung des Objekts) und das Objekt wird um 360° gedreht und während dieser Drehung werden mehrere Projektionen vorgenommen. Diese Projektionen werden dann verwendet, um die innere Struktur des Objekts zu rekonstruieren. Es gibt mehrere Rekonstruktionsalgorithmen, von denen die am häufigsten verwendeten immer noch auf dem vor Jahrzehnten entwickelten analytischen Rahmen basieren und sich auf die Radontransformation und den Fourier-Schichtsatz stützen. Für weitere Einzelheiten wird auf die Fachliteraturverwiesen 36.
Rätsel um Auflösung, Datenvolumen und Stichprobengröße: Die Auflösung ist der Schlüssel beim Röntgen-CT-Scan. In Systemen mit inverser Geometrie oder paralleler Strahlgeometrie wie Synchrotron-Beamlines spielen andere Überlegungen eine Rolle. In diesem Protokoll wird nur das standardmäßige laborbasierte Röntgen-CT-Scannen mit Kegelstrahlgeometrie behandelt. Hier sind das Konzept der Vergrößerung, der Pixelgröße des Detektors und der Spotgröße wesentlich. Die Vergrößerung ist definiert als das Verhältnis von SDD/SOD. Als nächstes wirkt sich natürlich auch die Pixelgröße des Detektors auf die Auflösung aus: Je kleiner die Pixelgröße, desto höher die Auflösung, aber in den meisten Fällen steht das Sichtfeld (FoV) auch in direktem Zusammenhang mit der Pixelgröße und der Größe des Detektors (kleinere Pixelgröße, kleineres FoV bei gleicher Pixelanzahl). Darüber hinaus ist auch die Spotgröße des Röntgenstrahls wichtig: Je größer die Spotgröße, desto geringer die Auflösung, was bedeutet, dass weniger Details zu sehen sind.
Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass man eine Auflösung erhalten kann, die höher ist als das, was nach den oben genannten Grenzwerten möglich ist, daher ist es besser, den Begriff Voxelgröße (ein Voxel ist ein Volumenpixel) anstelle der Auflösung zu verwenden. Darüber hinaus spielen weitere Faktoren eine Rolle, wie z. B. die Schärfe des Detektors, die die tatsächliche Auflösung, mit der ein Objekt gescannt wird, weiter einschränken. Nur eine echte Kalibrierung des Systems unter Verwendung festgelegter Ziele liefert die wahrheitsgemäße Antwort.
In den meisten Fällen ist die Voxelgröße, mit der ein Objekt gescannt werden kann, jedoch meist durch die Größe des Objekts begrenzt. Das bedeutet, je größer das Objekt ist, desto geringer ist die Voxelgröße. Wenn das Objekt für eine bestimmte Voxelgröße nicht in das FOV des Detektors passt, kann die Voxelgröße reduziert werden, z. B. durch Begrenzung der Vergrößerung.
Die Scanzeit und das Datenvolumen sind wichtig, wenn Sie sich für die gewünschte Voxelgröße entscheiden. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner die Voxelgröße, desto höher die Details, die man sehen möchte, je kleiner die Stichprobe oder je weniger Proben auf einmal gescannt werden können, desto mehr Zeit wird benötigt und desto größer sind die Datenmengen, die gesammelt werden. Stellen Sie sich folgendes theoretisches Beispiel vor: Man kann eine Probe mit den Maßen 10 cm x 10 cm x 10 cm bei 50 μm auf einmal mit einem bestimmten Röntgen-CT-System scannen und möchte das gleiche Volumen bei 10 μm scannen, das Volumen, das in das Sichtfeld passt, wäre nur 2 cm x 2 cm x 2 cm, vorausgesetzt, dass dies physikalisch möglich ist. Das bedeutet, dass 125 Scans benötigt werden (5³ = 5-fach höhere Auflösung, skaliert aufgrund der volumetrischen Natur des bildgebenden Verfahrens hoch 3), um das gesamte Volumen abzudecken, und dass das Datenvolumen ebenfalls zunehmen würde. Natürlich ist dies nur ein Gedankenexperiment, und man muss viel mehr als nur die Auflösung in Betracht ziehen. Für weitere Informationen wird der Leser auf eine Übersicht über die Scanmöglichkeiten37 verwiesen.
Flexibilität der Instrumente für das Scannen von Holzobjekten: In den letzten zehn Jahren haben viele Unternehmen Röntgen-CT-Systeme mit einer ähnlichen Baugruppe wie HECTOR35 geliefert. Einen Überblick über verschiedene CT-Systeme, die speziell auf ihre zeitliche Auflösung hin beurteilt wurden, wird in38 gegeben.
Insgesamt hat sich die Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit der Röntgen-CT-Systeme deutlich verbessert. Viele Systeme erlauben das Scannen unterschiedlichster Objekte, was auch bei den Systemen bei UGCT der Fall ist. Das folgende Protokoll wird für das HECTOR-System demonstriert, das für die Jahrringanalyse geeignet ist. Das Protokoll ist jedoch für jedes andere verfügbare System gültig, wenn die Auflösung und das Datenformat dies zulassen.
Diese Systeme ermöglichen das Scannen einer Vielzahl von Objekten. In Abbildung 3 sind einige Bilder von verschiedenen Holzobjekten zu sehen, die mit dem HECTOR System gescannt wurden. Es ist diese Flexibilität, die die drei Skalen umfasst, die wir in Abbildung 1 darstellen und die von einer groben Auflösung bis zu einer sehr feinen Auflösung reichen.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg"> Abbildung 3. Beispiele für Scan-Setups. (A) Ein Stamm, (B) ein Cello49, (C) Probenhalter (Typ 1) mit Baumkernen für das Batch-Scannen und (D) Probenhalter Typ 2 mit inkrementellen Kernen für die spiralförmige Abtastung, die auf dem Rotationstisch des HECTOR montiert sind. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>6 mm paper straws&#160;</td>
			<td>http://artstraws.com/education/product/artstraws-thick-asst-cols/</td>
			<td></td>
			<td>Coring</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminium core holders</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ASTM standard ASTM D 1107 &#8211; 96</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cardboard postal tubes</td>
			<td>https://www.rajapack.co.uk/envelopes-mailing-bags/postal-tubes/1-5-2mm-brown-cardboard-postal-tubes_PDT05623.html</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Column drill</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer hardware for reconstruction and analysis</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>X-ray CT scanning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooling&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drying oven</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flask for under soxhlet (2000 ml)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Floral foam</td>
			<td>https://www.oasisfloral.eu/</td>
			<td></td>
			<td>Sample holder type 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass beads to fill void volume of Soxhlet to save solvent</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glue</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot water bath&#160;</td>
			<td>https://www.memmert.com/products/water-baths/water-bath/#!filters=%7B%7D</td>
			<td></td>
			<td>Soxhlet extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Increment borer&#160;</td>
			<td>https://haglofsweden.com/project/increment-borers/</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic cylinder&#160;</td>
			<td>Moonen et al. 2022&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Sample holder type 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic cylinders</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reservoir</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tailored soxhlet apparatus&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water pump&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray CT scanner</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tree core analysis with x-ray computed tomography

Es wird eine Röntgen-Computertomographie (CT)-Toolchain vorgestellt, um die Baumringbreite (TRW), die maximale Spätholzdichte (MXD), andere Dichteparameter und quantitative Holzanatomiedaten (QWA) zu erhalten, ohne dass eine arbeitsintensive Oberflächenbehandlung oder eine physische Probenvorbereitung erforderlich ist. Der Fokus liegt dabei auf inkrementellen Kernen und Scanverfahren mit Auflösungen von 60 μm bis hinunter zu 4 μm. Es werden drei Skalen definiert, bei denen Holz betrachtet werden soll: (i) die Interringskala, (ii) die Ringskala, d.h. die Jahrringanalyse- und Densitometrieskala, sowie (iii) die anatomische Skala, die sich der herkömmlichen Dünnschliffqualität annähert. Speziell entwickelte Probenhalter für jede dieser Waagen ermöglichen das Scannen mehrerer inkrementeller Kerne mit hohem Durchsatz. Eine Reihe von Software-Routinen wurde speziell entwickelt, um dreidimensionale Röntgen-CT-Bilder der Baumkerne für TRW und Densitometrie effizient zu behandeln. In dieser Arbeit werden kurz die Grundprinzipien der CT erläutert, die für ein richtiges Verständnis des Protokolls erforderlich sind. Das Protokoll wird für einige bekannte Spezies vorgestellt, die in der Dendrochronologie häufig verwendet werden. Die Kombination von groben Dichteschätzungen, TRW- und MXD-Daten sowie quantitativen Anatomiedaten ermöglicht es uns, aktuelle Analysen für Klimarekonstruktionen oder Baumreaktionen zu erweitern und zu vertiefen sowie das Gebiet der Dendroökologie/Klimatologie und Archäologie weiterzuentwickeln.

Wood density is an easy-to-measure variable1 that reflects both the anatomical and chemical properties of the wood2. In biomass estimations of aboveground biomass, wood density is an important weighing variable 3,4,5, that is multiplied with the dimensions of the tree and a factor representing the carbon content of the wood. Wood density is tightly linked to the mechanical properties of timber6 and reflects the life history of a tree7.
Cell wall density is measured as being approximately 1500 kg/m&#179; and is considered fairly constant8, however intra-ring cell wall density variations should be considered as well8,9.Woody cells (in general tracheids in conifers, vessels, parenchyma and fibers in hardwoods) are oriented/shaped in different ways and cell wall thickness and lumen size of these cells varies10. Therefore, wood density varies between trees, within a tree (axial and transversal) and within short intervals within a tree ring11,12. In many cases the wood density variation at the ring scale also delimits the tree ring boundary13. Wood density and ultimately tissue fractions are generated and in this paper are broadly put into three categories (i.e., three different resolution scales), depending on the study goal (Figure 1) as described below.
Inter-ring scale: By measuring pieces of wood, a single value is obtained for that sample. This can be done through water immersion or geometrically14. This way, general biomass or wood technological variables can be obtained. To include pith-to-bark variation, these pieces of wood can be further divided into blocks that are measured manually to obtain information on the life history strategy15. When switching to low-resolution X-ray CT such as in medical scanners17,18, TRW data on medium-to-wide rings can be made in an efficient way on many samples18,19,20. This is also the scale that can be used to assess biomass from pith-to-bark from both temperate and tropical trees4,22, typically ranging in resolutions from 50 &#181;m to 200 &#181;m.
Ring scale: Wood is a recorder of past environmental conditions. The best known parameter is tree-ring width (TRW), but for global temperature reconstructions, maximum latewood density (MXD) records are proven to be a better proxy for temperature22. MXD is an easy-to-measure variable23, and a proxy for cell wall thickness and cell size on the last cells of a tree ring, and are at tree line and boreal sites positively linked to seasonal air temperature24: the warmer and longer the summers, more cell wall lignification occurs which thus increases the density of these last cells. Traditional measurements such as immersion and geometry are less accurate to determine this ring-level density. A previous work developed a toolchain for using X-ray film on thin-cut samples25. This sparked a revolution in both forestry and later paleoclimatology15,18, defining maximum latewood density (MXD), i.e., the peak density value often at the end of a ring, as a proxy for summer temperature. The basic principle is that the samples are sawn (approximately 1.2 mm to 7 mm13) to be perfectly parallel to the axial direction, and the sample is put on a sensitive film exposed to an X-ray source. Then these radiography films are read out through a light source that detects the intensity and saves the profiles and the annual tree ring parameters. These tools, however, require a significant amount of sample preparation and manual work. Recently this has been developed for X-ray CT in a more standardized way or based on mounted cores26. Resolution here ranges between 10 &#181;m and 20 &#181;m. TRW is measured on this scale as well, especially when dealing with smaller rings.
Anatomical scale: At this scale (resolution &#60; 4 &#181;m), the average density levels become less relevant as the main anatomical features are visualized and their width and proportions can be measured. Typically, this is done through making microsections or high-resolution optical scans or &#181;-CT scans. When the ultrastructure of the cell walls needs to be visualized, scanning electron microscopy is the most commonly used method27. At the anatomical scale, the individual tissue fractions become visible so that physiological parameters can be derived from the images. Based on the individual anatomical parameters and the cell wall density of wood, anatomical density can be derived for comparison with conventional estimators of wood density24.
Due to improved sectioning techniques and image software29,30, dendro-anatomy30 has been developed to have a more accurate record of the wood, both to have a closer estimate of the MXD in conifers and to measure several anatomical variables from broadleaf trees. On this scale, actual anatomical parameters are measured and related to environmental parameters31 . With &#181;CT this level can be obtained as well32,33.
As wood is inherently hygroscopic and anisotropic, wood density needs to be carefully defined and the measurement conditions need to be specified, either as oven-dry, conditioned (typically at 12% moisture content) or green (as felled in the forest)34. For large samples and technical purposes, wood density is defined as the weight divided by its volume at given conditions. However, the value of wood density is strongly dependent on the scale at which it is measured, for instance from pith-to-bark wood density can double, and on a ring scale (in conifers) the transition of earlywood to latewood results in a significant rise in wood density as well, with a peak at the ring boundary.
Here, an X-ray CT scanning protocol of increment cores is presented in order to measure features at the aforenoted 3 scales (Figure 1). Recent developments in X-ray CT can cover most of these scales, due to a flexible set-up. The research goals will determine the eventual protocol for scanning.
A crucial limiting factor (which is inherently connected to the scaled nature of wood density and wood in general) is the resolution and time necessary for scanning. Examples demonstrate how to: (i) obtain inter-ring tree scale wood density profiles for biomass estimations in Terminalia superba from the Congo Basin, (ii) obtain density records from Clanwilliam cedar (Widdringtonia cedarbergensis) based on helical scanning on a HECTOR system35, and (iii) measure vessel parameters on sessile oak, on the Nanowood system.&#160;Both scanners are part of the suite of scanners at the UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg" /> 
Figure 1: General methodological decision tree for X-ray CT scanning. The rows indicate the steps to take, starting from the research goal all the way to the final data format. White boxes are the steps that are relevant for this toolchain. Greyed-out boxes are steps that can be performed with other software or R packages, such as dplr47 and Treeclim48 for tree-ring analysis, and ROXAS44 as well as ImageJ42 or other (commercial) applications for deriving wood anatomical parameters based on the CT images. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
X-CT research on wood 
Set-up of a scanner: A standard X-ray CT scanner consists of an X-ray tube, an X-ray detector, a rotation stage, and a set of motors to move the rotation stage, and in most cases also the detector, back and forth (Figure 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg" /> 
Figure 2. The HECTOR scanning system. The system35, showing the source detector distance (SDD) and the source object distance (SOD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
Most lab-based systems have a cone-beam geometry, which means that the produced X-rays are distributed from the tube&#39;s exit window in a cone-beam shape, implying that by changing the distance between the object and the tube (SOD = Source-Object-Distance) and the detector and the tube (SDD = Source-Detector-Distance), the magnification is controlled (see the discussion on resolution). Due to the penetrating power of X-rays, they pass through the object, and the intensity of the attenuation beam is a function of the energy of the X-ray beam, the chemical composition of the object (the atomic number of the elements present) and the density of the material. Given a constant energy spectrum&#160;and a constant material composition of wood, the attenuation of the X-ray beam is highly dependent on the density of the material, which explains its use for densitometry. The attenuation (or transmission) can be expressed by the Beer-Lambert law:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;" />
with I0 the incoming X-ray beam exponentially which decays to a transmitted X-ray beam Id when propagating through the material over a distance d. The linear attenuation coefficient &#181; depends on a series of interactions with the material of the object. The projections are thus recordings of the transmitted beam.
Practically, the object is mounted on the rotation stage, a proper SOD and SDD are selected, a certain power is selected as well (related to object size, density, and composition) and the object is rotated 360&#176; and during that rotation multiple projections are taken. These projections are then used to reconstruct the interior structure of the object. There are several reconstruction algorithms available, of which the most used ones are still based on the analytical framework developed decades ago, relying on the Radon transformation and the Fourier slice theorem. For more details, the reader is referred to specialized literature36.
Conundrum of resolution, data volume and sample size: Resolution is key in X-ray CT scanning. In systems with inverse geometry, or parallel beam geometry such as synchrotron beamlines, other considerations play a role. This protocol only discusses standard lab-based X-ray CT scanning with cone-beam geometry. Here, the concept of magnification, detector pixel size and spot size are essential. Magnification is defined as the ratio of SDD/SOD. Next, the pixel size of the detector obviously also impacts the resolution: the smaller the pixel size, the higher the resolution, but in most cases the field of view (FoV) is also directly related to pixel size and size of the detector (smaller pixel size, smaller FoV for the same number of pixels). Further, the spot size of the X-ray beam is also important: the larger the spot size, the lower the resolution, which means that less details can be seen.
It is important to address that one could obtain a resolution that is higher than what is possible according to the abovementioned limits, therefore it is better to use the term voxel size (a voxel is a volume pixel) instead of resolution. Moreover, there are other factors at play, such as detector sharpness, which further limit the true resolution at which an object is scanned. Only a true calibration of the system, using established targets, supplies the truthful answer.
In most cases, however, the voxel size at which an object can be scanned is mostly limited by the size of the object. This means that the larger the object, the lower the voxel size will be. If the object does not fit within the FoV of the detector for a certain voxel size, then the voxel size can be reduced, e.g., by limiting the magnification.
Scan time and data volume are important to consider when deciding the desired voxel size. In general, the smaller the voxel size means the higher the detail one wants to see, the smaller the sample or the fewer samples that can be scanned at once, more time is required and larger the data volumes will be collected. Imagine the following theoretical example: one can scan a sample measuring 10 cm x 10 cm x 10 cm at 50 &#181;m at once with a certain X-ray CT system and would like to scan that same volume at 10 &#181;m, the volume that fits within the FoV would only be 2 cm x 2 cm x 2 cm, assuming that this is physically possible. This means that 125 scans are needed (5&#179; = 5 times higher resolution, scales to the power of 3 due to the volumetric nature of the imaging technique) to cover the entire volume, and that the data volume would increase likewise. Of course, this is only a thought experiment, and one needs to consider much more than only resolution. For more information, the reader is referred to an overview of the scanning possibilities37.
Flexibility of instruments for scanning of wooden objects: In the last decade, many companies have delivered X-ray CT systems with a similar assembly as HECTOR35. An overview of several CT systems, especially assessed for their temporal resolution, is given in38.
In all, the flexibility and user-friendliness of X-ray CT systems has improved considerably. Many systems allow scanning of a diverse range of objects, which is also the case with the systems at UGCT. The protocol below is demonstrated for the HECTOR system, which is suitable for tree-ring analysis. The protocol however is valid for any other available system if resolution and data format allows for it.
These systems allow the scanning of a variety of objects. A few pictures of different wooden objects scanned with the HECTOR system are given in Figure 3. It is this flexibility that comprises the three scales we present in Figure 1, ranging from a coarse resolution to a very fine resolution.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg" /> 
Figure 3.&#160;Scanning set-up examples. (A) A log, (B) a cello49, (C) sample holders (type 1) with tree cores for batch scanning and (D) sample holder type 2 with increment cores for helical scanning mounted on the rotation stage of HECTOR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>

Autor im Rampenlicht: Fortschritte in der Röntgen-CT-Werkzeugkette für die Baumkernanalyse

Baumkernanalyse mit Röntgen-Computertomographie

The scope of my research is to study wood growth and its response to climate. The questions I'm trying to answer is, how can we reconstruct the climate of the past and what is the tree response to current climate change? So the current experimental challenges that we face are among others, the large data volumes that we obtain with x-ray CT scanning.So we need to find a proper balance between the number of samples that we want to scan and the required resolution. The X-ray CT techniques has allowed us to scan three core at an unprecedented rate. We have density profiles both from tropical and temperate regions.So the main advantages that we have with our technique is that we can do a lot of high throughput scanning and analysis, but also that all the indications and manipulations that we do are traceable along the entire tool chain, including the tree ring indications. This tool will allow us to update current to maximum later density chronologies, and also measure wood properties on tree course from all over the world, especially in regions where there's little data available.

Wenn das Ziel die Schätzung der Biomasse oder das Inkrement des Baumwachstums vieler Proben ist, d. h. die Inter-Ring-Skala (Abbildung 1), dann wird der Probenhalter 1 (Abbildung 5) verwendet, um Proben zu scannen, um Dichteprofile (siehe Schritt 5.4.3) und Schätzungen des Baumwachstums zu erhalten, z. B. für schnell wachsende Bäume mit großem TRW, was eine gröbere Auflösung ermöglicht. Abbildung 12 zeigt ein Beispiel für d...

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Hier zeigen wir, wie Baumkerne mit einer Röntgen-Computertomographie-Toolchain bearbeitet werden können. Mit Ausnahme der chemischen Extraktion für einige Zwecke ist keine weitere physikalische Laborbehandlung erforderlich. Die Toolchain kann für Biomasseschätzungen, zur Gewinnung von MXD/Jahrringbreitendaten sowie zur Gewinnung quantitativer Holzanatomiedaten verwendet werden.

An X-ray computed tomography (CT) toolchain is presented to obtain tree-ring width (TRW), maximum latewood density (MXD), other density parameters, and ...

Der Schwerpunkt meiner Forschung besteht darin, das Holzwachstum und seine Reaktion auf das Klima zu untersuchen. Die Frage, die ich zu beantworten versuche, ist, wie wir das Klima der Vergangenheit rekonstruieren können und wie die Reaktion der Bäume auf den aktuellen Klimawandel aussieht. Die aktuellen experimentellen Herausforderungen, vor denen wir stehen, sind unter anderem die großen Datenmengen, die wir mit Röntgen-CT-Scans gewinnen.Wir müssen also ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Anzahl der Proben, die wir scannen wollen, und der erforderlichen Auflösung finden. Die Röntgen-CT-Techniken haben es uns ermöglicht, drei Kerne in einer noch nie dagewesenen Geschwindigkeit zu scannen. Wir haben Dichteprofile sowohl aus tropischen als auch aus gemäßigten Regionen.Der Hauptvorteil, den wir mit unserer Technik haben, besteht also darin, dass wir viele Scans und Analysen mit hohem Durchsatz durchführen können, aber auch, dass alle Indikationen und Manipulationen, die wir vornehmen, entlang der gesamten Werkzeugkette rückverfolgbar sind, einschließlich der Baumringanzeigen. Dieses Tool wird es uns ermöglichen, die aktuelle bis zur maximalen späteren Dichtechronologie zu aktualisieren und auch Holzeigenschaften in Baumschichten aus der ganzen Welt zu messen, insbesondere in Regionen, in denen nur wenige Daten verfügbar sind.

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Research

JoVE Journal

Environment

Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

727 Aufrufe.  University of Liège. Der Schwerpunkt meiner Forschung besteht darin, das Holzwachstum und seine Reaktion auf das Klima zu untersuchen. Die Frage, die ich zu beantworten versuche, ist, wie wir das Klima der Vergangenheit rekonstruieren können und wie die Reaktion der Bäume auf den aktuellen Klimawandel aussieht. Die aktuellen experimentellen Herausforderungen, vor denen wir stehen, sind unter anderem die großen Datenmengen, die wir mit Röntgen-CT-Scans gewinnen.Wir müssen also ein ausgewogenes Verhält...

Serie: Autor im Rampenlicht: Fortschritte in der Röntgen-CT-Werkzeugkette für die Baumkernanalyse

An X-ray computed tomography (CT) toolchain is presented to obtain tree-ring width (TRW), maximum latewood density (MXD), other density parameters, and quantitative wood anatomy (QWA) data without the need for labor-intensive surface treatment or any physical sample preparation. The focus here is on increment cores and scanning procedures at resolutions ranging from 60 &#181;m down to 4 &#181;m. Three scales are defined at which wood should be looked at: (i) inter-ring scale, (ii) ring scale, i.e., tree-ring analysis and densitometry scale, as well as (iii) anatomical scale, the latter approaching the conventional thin-section quality. Custom-designed sample holders for each of these scales enable high-throughput scanning of multiple increment cores. A series of software routines were specifically developed to efficiently treat three-dimensional X-ray CT images of the tree cores for TRW and densitometry. This work briefly explains the basic principles of CT, which are needed for a proper understanding of the protocol. The protocol is presented for some known species that are commonly used in dendrochronology. The combination of rough density estimates, TRW and MXD data, as well as quantitative anatomy data, allows us to broaden and deepen current analyses for climate reconstructions or tree response, as well as further develop the field of dendroecology/climatology and archeology.

Here we show how to process tree cores with an X-ray computed tomography toolchain. Except for chemical extraction for some purposes, no further physical lab treatment is needed. The toolchain can be used for biomass estimations, for obtaining MXD/tree-ring width data as well as for obtaining quantitative wood anatomy data.

Forschung

Umwelt

Tree Core Sampling for X-ray Computed Tomography

To begin, core a tree using a Pressler borer. Put the tree cores, unglued, into six-millimeter paper straws and mark the straws using a pencil. Fill the round-bottom flask with solvent and place the straw onto a stainless steel support in the Soxhlet apparatus with a cooler on a laboratory heater.After siphoning, dry the cores for 24 hours in an oven at 103.5 degrees Celsius under exhaust ventilation. The next day, perform a hot-water Soxhlet extraction for 24 hours. Place the samples in the steel sample holders and dry them again for 24 hours.Then place the cores from the steel sample holder back in the straws.

Baumkernprobenahme für die Röntgen-Computertomographie

Optimizing Scanning Techniques for Biomass Estimation, Tree Growth, and Anatomical Analysis at Different Scales

To begin core scanning, depending on the research purpose, select the proper sample holder type, load the tree cores in paper straws into the sample holder, and record the position of each core in the downloadable spreadsheet template. Perform X-ray micro CT scanning following proper settings and scanning protocol. To obtain density values, install CoreProcessor, RingIndicator, and CoreComparison toolboxes using the given link.Next for pre-processing the core volumes with the CoreProcessor, select the folder with the reconstructed 16-bit cross-sectional TIFF slices in the spreadsheet file. Select a couple of slices for inspection. Then select dark and white references as indicated in the spreadsheet file for wood density calculations.In a new popup window, following the information from the spreadsheet file, select every core separately by drawing a circle or ellipse around it. Then click on Mass core extraction to extract all the cores in a given cylinder. In the CoreProcessor toolbox, click on Manual TG correction then select the extracted folder and ensure proper orientation of the transversal and radial plane of every core volume.To visualize grain direction from the bottom right plot, observe the presented slice and draw a line indicating grain direction. Double click to automatically rotate the core. Then crop the core volume to get only wood and no other material.Open the RingIndicator toolbox and select a multi-page TIFF file. Then under a Volume tab, inspect the graphical user interface in the transverse and radial plane. For structural correction on the transverse and radial plane, click on the image to insert green bars starting with the pith and ending with the most recent ring.Once a green bar is placed on one plane, it automatically generates on other planes. Click Densitometry, then Densitometry plot to calculate the density profile. Create and plot a density profile by selecting Overlay plotting, and then Plot density profile.Once the density profile is visualized, indicate all tree rings. Move the nodes at the end of the bar to change the angle. Then change the bar position using the middle node and adjust the size of the nodes.Press Data, then Export. Press Rings followed by Export rings to ensure ring and fiber indications are written in the proper txt files. Change the felling date to the year when the cores were taken from the living trees, or choose an appropriate date.In Overlay plotting, select Plot rings to display the years. Also choose the plane to plot rings or the density profile. After indicating two cores, open the CoreComparison toolbox for comparing the ring width series.Select the txt files to compare. Then a screen displaying ring widths and cross dating and statistical parameters, such as glysophikite and spearman correlation between individual series will open. Open a ring indicator instance to adjust the green bars and export them again.Then maximize the core comparison screen and press the Refresh button to reevaluate the metrics. Next, select Plotting and exporting, then Ring width to visualize the tree ring width or TRW data. Click Clotting and exporting, then export RW data to export TRW data in a spreadsheet or Tucson format.Finally, select the Other plotting, then Export cluster data for obtaining mean density, MXD, MND, and quartile data per tree ring. This study demonstrates three levels of biomass estimation or tree growth increment at the inter ring, ring, and anatomical scale. Radial and axial wood density trends in Terminalia superba demonstrated an increasing density trend from pith to bark and a higher wood density in the upper stem.An example of chronology development with minimum density and maximum latewood density from Widdringtonia cedarbergensis is shown. A high resolution oak core scan demonstrated that earlywood and latewood vessels are segmented.