Agradecemos aos três revisores anônimos por seus comentários e sugestões. Esta pesquisa foi financiada pelo Fundo Especial de Pesquisa BOF para JVdB (BOF Starting Grant BOF. STG.2018.0007.01), para a UGCT como Centro de Especialização (BOF. EXP.2017.0007) e como uma Instalação Principal (BOF. COR.2022.008), Os autores também agradecem à Fundação de Pesquisa de Flandres (G019521N e G009720N) e ao Fundo de Pesquisa Industrial UGent (IOF) pelo apoio financeiro à infraestrutura por meio de subvenção IOF. APP.2021.0005 (projeto FaCT F2021/IOF-Equip/021).

Análise de anéis de árvores de alto rendimento e estimativa de densidade

Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.

Etapas críticas dentro do protocolo As etapas críticas dentro do protocolo incluem o manuseio adequado da broca de incremento para obter núcleos de incremento de alta qualidade (etapa 1.1. e ver39) para evitar pedaços e pedaços. Em seguida, é essencial que os núcleos sejam deixados desmontados (mas ver26), tanto para inserção no suporte da amostra (Figura 5, ver21), quanto para extração adequada da resina<s...

A densidade da madeira é uma variável fácil de medir1 que reflete as propriedades anatômicas e químicas da madeira2. Nas estimativas de biomassa de biomassa aérea, a densidade da madeira é uma importante variável de pesagem 3,4,5, que é multiplicada pelas dimensões da árvore e um fator que representa o teor de carbono da madeira. A densidade da madeira está intimamente ligada às propriedades mecânicas da madeira6 e reflete a história de vida de uma árvore7.
A densidade da parede celular é medida em aproximadamente 1500 kg/m³ e é considerada bastante constante8, no entanto, variações de densidade da parede celular intra-anel também devem ser consideradas 8,9. As células lenhosas (em geral traqueídeos em coníferas, vasos, parênquima e fibras em madeiras duras) são orientadas/moldadas de diferentes maneiras e a espessura da parede celular e o tamanho do lúmen dessas células variam10. Portanto, a densidade da madeira varia entre as árvores, dentro de uma árvore (axial e transversal) e em intervalos curtos dentro de um anel de árvore11,12. Em muitos casos, a variação da densidade da madeira na escala do anel também delimita o limite do anel das árvores13. A densidade da madeira e, em última análise, as frações de tecido são geradas e, neste artigo, são amplamente colocadas em três categorias (ou seja, três escalas de resolução diferentes), dependendo do objetivo do estudo (Figura 1), conforme descrito abaixo.
Escala entre anéis: Ao medir pedaços de madeira, obtém-se um único valor para essa amostra. Isso pode ser feito por imersão em água ou geometricamente14. Desta forma, biomassa geral ou madeira Para incluir a variação medula-casca, esses pedaços de madeira podem ser divididos em blocos que são medidos manualmente para obter informações sobre a estratégia de história de vida15. Ao mudar para TC de raios-X de baixa resolução, como em scanners médicos17,18, os dados TRW em anéis médios a largos podem ser feitos de maneira eficiente em muitas amostras 18,19,20. Esta também é a escala que pode ser usada para avaliar a biomassa da medula à casca de árvores temperadas e tropicais 4,22, normalmente variando em resoluções de 50 μm a 200 μm.
Escala de anel: A madeira é um registrador de condições ambientais passadas. O parâmetro mais conhecido é a largura dos anéis das árvores (TRW), mas para reconstruções de temperatura global, os registros de densidade máxima do lenho tardio (MXD) são comprovadamente um proxy melhor para a temperatura22. MXD é uma variável fácil de medir23 e um proxy para a espessura da parede celular e o tamanho da célula nas últimas células de um anel de árvore, e estão na linha das árvores e nos locais boreais positivamente ligados à temperatura sazonal do ar24: quanto mais quentes e longos os verões, mais lignificação da parede celular ocorre, o que aumenta a densidade dessas últimas células. Medições tradicionais, como imersão e geometria, são menos precisas para determinar essa densidade no nível do anel. Um trabalho anterior desenvolveu um conjunto de ferramentas para o uso de filme de raios-X em amostras de corte fino25. Isso desencadeou uma revolução tanto na silvicultura quanto na paleoclimatologia posterior15,18, definindo a densidade máxima do lenho tardio (MXD), ou seja, o valor da densidade de pico geralmente no final de um anel, como um proxy para a temperatura do verão. O princípio básico é que as amostras são serradas (aproximadamente 1,2 mm a 7 mm13) para ficarem perfeitamente paralelas à direção axial, e a amostra é colocada em um filme sensível exposto a uma fonte de raios-X. Em seguida, esses filmes de radiografia são lidos através de uma fonte de luz que detecta a intensidade e salva os perfis e os parâmetros anuais dos anéis das árvores. Essas ferramentas, no entanto, exigem uma quantidade significativa de preparação de amostras e trabalho manual. Recentemente, isso foi desenvolvido para TC de raios-X de forma mais padronizada ou com base em núcleos montados26. A resolução aqui varia entre 10 μm e 20 μm. O TRW também é medido nesta escala, especialmente quando se trata de anéis menores.
Escala anatômica: Nesta escala (resolução < 4 μm), os níveis médios de densidade tornam-se menos relevantes à medida que as principais características anatômicas são visualizadas e sua largura e proporções podem ser medidas. Normalmente, isso é feito por meio de microsseções ou varreduras ópticas de alta resolução ou tomografias μ-CT. Quando a ultraestrutura das paredes celulares precisa ser visualizada, a microscopia eletrônica de varredura é o método mais comumente utilizado27. Na escala anatômica, as frações individuais do tecido tornam-se visíveis para que os parâmetros fisiológicos possam ser derivados das imagens. Com base nos parâmetros anatômicos individuais e na densidade da parede celular da madeira, a densidade anatômica pode ser derivada para comparação com estimadores convencionais da densidade da madeira24.
Devido a técnicas aprimoradas de seccionamento e software de imagem29,30, a dendroanatomia30 foi desenvolvida para ter um registro mais preciso da madeira, tanto para ter uma estimativa mais próxima do MXD em coníferas quanto para medir várias variáveis anatômicas de árvores de folha larga. Nessa escala, os parâmetros anatômicos reais são medidos e relacionados aos parâmetros ambientais31 . Com μCT esse nível também pode ser obtido32,33.
Como a madeira é inerentemente higroscópica e anisotrópica, a densidade da madeira precisa ser cuidadosamente definida e as condições de medição precisam ser especificadas, seja como seca no forno, condicionada (normalmente com 12% de teor de umidade) ou verde (como derrubada na floresta)34. Para grandes amostras e fins técnicos, a densidade da madeira é definida como o peso dividido pelo seu volume em determinadas condições. No entanto, o valor da densidade da madeira é fortemente dependente da escala em que é medida, por exemplo, da medula à casca, a densidade da madeira pode dobrar e, em uma escala de anel (em coníferas), a transição da madeira precoce para a madeira tardia também resulta em um aumento significativo na densidade da madeira, com um pico no limite do anel.
Aqui, um protocolo de tomografia computadorizada de raios-X de núcleos de incremento é apresentado para medir as características nas 3 escalas mencionadas acima (Figura 1). Desenvolvimentos recentes em TC de raios-X podem cobrir a maioria dessas escalas, devido a uma configuração flexível. Os objetivos da pesquisa determinarão o eventual protocolo de varredura.
Um fator limitante crucial (que está inerentemente ligado à natureza escalonada da densidade da madeira e da madeira em geral) é a resolução e o tempo necessários para a digitalização. Exemplos demonstram como: (i) obter perfis de densidade de madeira em escala de árvore entre anéis para estimativas de biomassa em Terminalia superba da Bacia do Congo, (ii) obter registros de densidade de cedro Clanwilliam (Widdringtonia cedarbergensis) com base em varredura helicoidal em um sistema HECTOR35, e (iii) medir parâmetros de vasos em carvalho séssil, no sistema Nanowood. Ambos os scanners fazem parte do conjunto de scanners do UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg"> Figura 1: Árvore de decisão metodológica geral para tomografia computadorizada de raios-X. As linhas indicam as etapas a serem seguidas, desde o objetivo da pesquisa até o formato final dos dados. As caixas brancas são as etapas relevantes para essa cadeia de ferramentas. Caixas acinzentadas são etapas que podem ser executadas com outros softwares ou pacotes R, como dplr47 e Treeclim48 para análise de anéis de árvores, e ROXAS44 , bem como ImageJ42 ou outros aplicativos (comerciais) para derivar parâmetros anatômicos da madeira com base nas imagens de TC. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Pesquisa X-CT em madeira Configuração de um scanner: Um scanner de tomografia computadorizada de raios-X padrão consiste em um tubo de raios-X, um detector de raios-X, um estágio de rotação e um conjunto de motores para mover o estágio de rotação e, na maioria dos casos, também o detector, para frente e para trás (Figura 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg"> Figura 2. O sistema de digitalização HEITOR. O sistema35, mostrando a distância do detector de origem (SDD) e a distância do objeto de origem (SOD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A maioria dos sistemas baseados em laboratório tem uma geometria de feixe cônico, o que significa que os raios X produzidos são distribuídos a partir da janela de saída do tubo em forma de feixe cônico, o que implica que, alterando a distância entre o objeto e o tubo (SOD = Source-Object-Distance) e o detector e o tubo (SDD = Source-Detector-Distance), a ampliação é controlada (veja a discussão sobre resolução). Devido ao poder de penetração dos raios X, eles passam pelo objeto, e a intensidade do feixe de atenuação é uma função da energia do feixe de raios X, da composição química do objeto (o número atômico dos elementos presentes) e da densidade do material. Dado um espectro de energia constante e uma composição constante do material da madeira, a atenuação do feixe de raios X é altamente dependente da densidade do material, o que explica seu uso para densitometria. A atenuação (ou transmissão) pode ser expressa pela lei de Beer-Lambert:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;">
com I0 o feixe de raios-X de entrada exponencialmente que decai para um feixe de raios-X transmitido Id ao se propagar através do material a uma distância d. O coeficiente de atenuação linear μ depende de uma série de interações com o material do objeto. As projeções são, portanto, gravações do feixe transmitido.
Praticamente, o objeto é montado no estágio de rotação, um SOD e SDD adequados são selecionados, uma certa potência também é selecionada (relacionada ao tamanho, densidade e composição do objeto) e o objeto é girado 360° e durante essa rotação várias projeções são feitas. Essas projeções são então usadas para reconstruir a estrutura interior do objeto. Existem vários algoritmos de reconstrução disponíveis, dos quais os mais utilizados ainda são baseados no arcabouço analítico desenvolvido décadas atrás, contando com a transformação de Radon e o teorema da fatia de Fourier. Para mais detalhes, o leitor é encaminhado para literatura especializada36.
Enigma da resolução, volume de dados e tamanho da amostra: A resolução é fundamental na tomografia computadorizada de raios-X. Em sistemas com geometria inversa ou geometria de feixe paralelo, como linhas de luz síncrotron, outras considerações desempenham um papel. Este protocolo discute apenas a tomografia computadorizada de raios-X padrão baseada em laboratório com geometria de feixe cônico. Aqui, o conceito de ampliação, tamanho do pixel do detector e tamanho do ponto são essenciais. A ampliação é definida como a proporção de SDD/SOD. Em seguida, o tamanho do pixel do detector obviamente também afeta a resolução: quanto menor o tamanho do pixel, maior a resolução, mas na maioria dos casos o campo de visão (FoV) também está diretamente relacionado ao tamanho do pixel e ao tamanho do detector (tamanho do pixel menor, FoV menor para o mesmo número de pixels). Além disso, o tamanho do ponto do feixe de raios-X também é importante: quanto maior o tamanho do ponto, menor a resolução, o que significa que menos detalhes podem ser vistos.
É importante abordar que se pode obter uma resolução superior à possível de acordo com os limites acima mencionados, portanto, é melhor usar o termo tamanho do voxel (um voxel é um pixel de volume) em vez de resolução. Além disso, existem outros fatores em jogo, como a nitidez do detector, que limitam ainda mais a verdadeira resolução na qual um objeto é digitalizado. Somente uma calibração verdadeira do sistema, usando metas estabelecidas, fornece a resposta verdadeira.
Na maioria dos casos, no entanto, o tamanho do voxel no qual um objeto pode ser verificado é limitado principalmente pelo tamanho do objeto. Isso significa que quanto maior o objeto, menor será o tamanho do voxel. Se o objeto não couber no FoV do detector para um determinado tamanho de voxel, o tamanho do voxel pode ser reduzido, por exemplo, limitando a ampliação.
É importante considerar o tempo de varredura e o volume de dados ao decidir o tamanho de voxel desejado. Em geral, quanto menor o tamanho do voxel, maior o detalhe que se deseja ver, menor a amostra ou menos amostras que podem ser digitalizadas de uma só vez, mais tempo é necessário e maiores os volumes de dados serão coletados. Imagine o seguinte exemplo teórico: pode-se escanear uma amostra medindo 10 cm x 10 cm x 10 cm a 50 μm de uma só vez com um determinado sistema de TC de raios-X e gostaria de escanear esse mesmo volume a 10 μm, o volume que cabe dentro do FoV seria de apenas 2 cm x 2 cm x 2 cm, assumindo que isso é fisicamente possível. Isso significa que são necessárias 125 varreduras (5³ = resolução 5 vezes maior, escala para a potência de 3 devido à natureza volumétrica da técnica de imagem) para cobrir todo o volume, e que o volume de dados aumentaria da mesma forma. Claro, isso é apenas um experimento mental, e é preciso considerar muito mais do que apenas resolução. Para obter mais informações, o leitor é encaminhado para uma visão geral das possibilidades de digitalização37.
Flexibilidade dos instrumentos para escaneamento de objetos de madeira: Na última década, muitas empresas forneceram sistemas de TC de raios-X com um conjunto semelhante ao HECTOR35. Uma visão geral de vários sistemas de TC, especialmente avaliados por sua resolução temporal, é dada em38.
Ao todo, a flexibilidade e a facilidade de uso dos sistemas de TC de raios-X melhoraram consideravelmente. Muitos sistemas permitem a digitalização de uma gama diversificada de objetos, o que também é o caso dos sistemas da UGCT. O protocolo abaixo é demonstrado para o sistema HECTOR, que é adequado para análise de anéis de árvores. O protocolo, no entanto, é válido para qualquer outro sistema disponível se a resolução e o formato dos dados permitirem.
Esses sistemas permitem a digitalização de uma variedade de objetos. Algumas fotos de diferentes objetos de madeira digitalizados com o sistema HECTOR são fornecidas na Figura 3. É essa flexibilidade que compreende as três escalas que apresentamos na Figura 1, variando de uma resolução grosseira a uma resolução muito fina.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg"> Figura 3. Exemplos de configuração de digitalização. (A) Um tronco, (B) um violoncelo49, (C) porta-amostras (tipo 1) com três núcleos para varredura em lote e (D) porta-amostras tipo 2 com núcleos de incremento para varredura helicoidal montados no estágio de rotação do HECTOR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</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

Um conjunto de ferramentas de tomografia computadorizada (TC) de raios-X é apresentado para obter a largura dos anéis das árvores (TRW), a densidade máxima do lenho tardio (MXD), outros parâmetros de densidade e dados quantitativos de anatomia da madeira (QWA) sem a necessidade de tratamento de superfície trabalhoso ou qualquer preparação física de amostras. O foco aqui está nos núcleos de incremento e nos procedimentos de varredura em resoluções que variam de 60 μm a 4 μm. São definidas três escalas nas quais a madeira deve ser observada: (i) escala entre anéis, (ii) escala de anel, ou seja, análise de anéis de árvores e escala de densitometria, bem como (iii) escala anatômica, esta última se aproximando da qualidade convencional de seção delgada. Suportes de amostra personalizados para cada uma dessas escalas permitem a varredura de alto rendimento de vários núcleos de incremento. Uma série de rotinas de software foi desenvolvida especificamente para tratar com eficiência imagens tridimensionais de TC de raios-X dos testemunhos das árvores para TRW e densitometria. Este trabalho explica brevemente os princípios básicos da TC, que são necessários para uma compreensão adequada do protocolo. O protocolo é apresentado para algumas espécies conhecidas que são comumente usadas em dendrocronologia. A combinação de estimativas de densidade aproximada, dados TRW e MXD, bem como dados quantitativos de anatomia, nos permite ampliar e aprofundar as análises atuais para reconstruções climáticas ou resposta de árvores, bem como desenvolver ainda mais o campo da dendroecologia / climatologia e arqueologia.

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 em destaque: Avanços na cadeia de ferramentas de TC de raios-X para análise de testemunhos de árvores

Análise de testemunhos de árvores com tomografia computadorizada de raios X

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.

Se o objetivo é a estimativa de biomassa ou incremento de crescimento de árvores de muitas amostras, ou seja, escala entre anéis (Figura 1), então o suporte de amostra 1 (Figura 5) é usado para escanear amostras para obter perfis de densidade (ver etapa 5.4.3) e estimativas de crescimento de árvores, por exemplo, para árvores de crescimento rápido com grande TRW, o que permite uma resolução mais grosseira. A Figura 12 most...

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Aqui, mostramos como processar núcleos de árvores com um conjunto de ferramentas de tomografia computadorizada de raios-X. Exceto para extração química para alguns fins, nenhum tratamento físico adicional de laboratório é necessário. O conjunto de ferramentas pode ser usado para estimativas de biomassa, para obter dados MXD/largura dos anéis de árvores, bem como para obter dados quantitativos de anatomia da madeira.

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

O escopo da minha pesquisa é estudar o crescimento da madeira e sua resposta ao clima. As perguntas que estou tentando responder são: como podemos reconstruir o clima do passado e qual é a resposta das árvores às mudanças climáticas atuais? Portanto, os desafios experimentais atuais que enfrentamos são, entre outros, os grandes volumes de dados que obtemos com a tomografia computadorizada de raios-x.Portanto, precisamos encontrar um equilíbrio adequado entre o número de amostras que queremos verificar e a resolução necessária. As técnicas de tomografia computadorizada de raios-X nos permitiram escanear três núcleos a uma taxa sem precedentes. Temos perfis de densidade de regiões tropicais e temperadas.Portanto, as principais vantagens que temos com nossa técnica é que podemos fazer muitas varreduras e análises de alto rendimento, mas também que todas as indicações e manipulações que fazemos são rastreáveis ao longo de toda a cadeia de ferramentas, incluindo as indicações dos anéis das árvores. Essa ferramenta nos permitirá atualizar as cronologias atuais para a densidade máxima posterior e também medir as propriedades da madeira no curso das árvores de todo o mundo, especialmente em regiões onde há poucos dados disponíveis.

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Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

727 visualizações.  University of Liège. O escopo da minha pesquisa é estudar o crescimento da madeira e sua resposta ao clima. As perguntas que estou tentando responder são: como podemos reconstruir o clima do passado e qual é a resposta das árvores às mudanças climáticas atuais? Portanto, os desafios experimentais atuais que enfrentamos são, entre outros, os grandes volumes de dados que obtemos com a tomografia computadorizada de raios-x.Portanto, precisamos encontrar um equilíbrio adequado entre o número de amost...

Vídeo: Autor em destaque: Avanços na cadeia de ferramentas de TC de raios-X para análise de testemunhos de árvores

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.

Ambiente

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.

Amostragem de núcleo de árvore para tomografia computadorizada de raios-X

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.