WinRHIZO – система для комплексного анализа морфологии корневой системы, Regent Instruments

Описание системы

Система WinRHIZO была разработана Канадской компанией Regent Instruments специально для целей документации и всестороннего анализа изображений корневой системы растений. Данная система позволяет анализировать морфологию (длина, площадь, объем и т.д.), топологию, архитектуру и цветовые параметры, тщательно отмытых от частиц грунта, растительных корней.

Основными компонентами системы являются:

1. Специально разработанное для целей всестороннего анализа корней, профессиональное программное обеспечение с интуитивно понятным интерфейсом;
2. Сканирующий модуль, для документации изображений корней.

Для заказа доступны самые разнообразные варианты сканирующих систем и программного обеспечения. Все эти варианты могут комбинироваться различными способами, благодаря чему система WinRHIZO может быть легко оптимизирована под конкретные задачи и конкретный объем доступного финансирования.

Внимание! Если вы планируете проводить in situ анализа корней, рекомендуем обратить внимание на другую систему из нашего портфеля продуктов - WinRHIZO Tron.

Вы можете получить и всесторонне проанализировать цифровое изображение корневой системы всего одним нажатием кнопки мыши

1. Позиционирование корневой системы. По желанию, вы можете расположить корни непосредственно на рабочей поверхности сканера или воспользоваться специальными прозрачными водонепроницаемыми поддонами, производства Regent Instruments. Правильно расположить корни на сканирующей поверхности вам поможет специальная система позиционирования, производства Regent Instruments (см. информацию ниже). Благодаря использованию данной системы вы легко и быстро, а главное – правильно, разместите любые корни на рабочей поверхности сканирующего модуля. Для точного анализа вовсе не обязательно, чтобы корни были равномерно распределены и не переплетались. Программное обеспечение Regent Instruments позволяет качественно анализировать даже переплетенные и неравномерно распределенные образцы.
2. Получение цифрового изображения образца. Для оцифровки образца, просто, нажмите на иконку сканера, в меню программного обеспечения, и подождите несколько секунд, пока не завершится процесс сканирования, и изображение образца не возникнет в рабочем окне программы. Вам не потребуется дополнительных программ для сканирования образца, т.к. программное обеспечение WinRHIZO обеспечивает непосредственный контроль сканера и/или цифровой камеры. Для сканирования образца дополнительных программ не потребуется. Программное обеспечение WinRHIZO обладает TWAIN-совместимостью, т.е. совместимо с множеством самых разнообразных моделей сканеров и цифровых камер. Кроме того, программное обеспечение WinRHIZO способно анализировать изображения, сохраненные в форматах tiff или jpeg.
3. Анализ цифрового изображения корней. По прошествии всего нескольких секунд, следующих за моментом регистрации изображения образца, программное обеспечение выдает результат всестороннего анализа образца. Изображение корневой системы, в рабочем окне программы, окрашивается различными цветами. Цвет, используемый программным обеспечением для обрисовки корневого остова, наглядно показывает – к какому размерному классу, в зависимости от деаметра, была отнесена та или иная часть изучаемого корня. Некоторые виды анализа производятся программным обеспечением WinRHIZO полностью автоматически, на основании предустановленного пользователем алгоритма. Другие виды анализа (например, такие как: подсчет количества клубеньков, анализ цвета и топологии и т.д.) требуют, для своего завершения, некоторого участия оператора. Длина и диаметр корней измеряются двумя разными методами: по уникальному запатентованному методу компании Regent Instruments и по статистическому методу Теннанта. С помощью первого метода (метода компании Regent Instruments) измерения производятся непрерывно, в каждой точке, на протяжении всей длины корешка. Участки перекрытия корней вычленяются и детально рассматриваются отдельно, благодаря чему достигается беспрецедентная точность результатов даже на скрученных образцах. Некоторые измерения, произведенные системой, могут быть откорректированы пользователем в ручном режиме.
4. Сохранение полученных данных. Завершающей стадией анализа является запись полученных данных на сохранение в экспериментальном файле. Программное обеспечение WinRHIZO «знает» когда данные полностью готовы для записи и делает процедуру сохранения автоматически. Данные хранятся в экспериментальном файле в текстовом формате – ASCII. Этот формат данных легко читается самыми разными программами, в том числе – программой Excel. Изображения и первичные данные их анализа могут быть сохранены принудительно, для последующей валидации и повторного анализа. Полученные системой изображения могут быть, при необходимости, импортированы в любые другие программы для просмотра и обработки изображений.

Оцифровка изображений

Система WinRHIZO, в автоматическом режиме, способна анализировать только отмытую корневую систему. Если вы планируете проводить in situ анализа корней, рекомендуем обратить внимание на систему WinRHIZO Tron. Чтобы вы могли получить самую точную информацию о свойствах корневой системы, рекомендуется как можно тщательнее отмыть образец от минеральных частиц грунта и органических остатков.

Для анализа с помощью программного обеспечения WinRHIZO, корневая система (или ее фотографическое изображение) должна быть оцифрованы с помощью сканера или камеры.

В стандартном варианте, система WinRHIZO комплектуется настольным оптическим (планшетным) сканером для оцифровки изображений. Оптические сканеры хорошо подходят для оцифровки макроскопических объектов, таких как корни или листья. В случае необходимости, для оцифровки образцов, вы можете использовать и обычный офисный сканер. Однако, для наилучшего результата, настоятельно рекомендуется использовать специальные оптические сканеры производства компании Regent Instruments.

Сканеры производства компании Regent Instruments идут в комплекте с:

1. Удобными аксессуарами, позволяющими существенно упростить и ускорить процесс позиционирования образцов на рабочей поверхности сканера, а также и сам процесс сканирования;
2. Специальной осветительной системой, позволяющей избежать появления теней и полутонов из-за неравномерного освещения;
3. Руководством пользователя, во всех подробностях объясняющим – как правильно производить оцифровку различных биологических объектов (корни, листья, семена и т.д.), чтобы они могли быть наилучшим образом проанализированы с помощью нашего программного обеспечения. Просим вас отметить, что сканирование объектов для научного анализа это - отнюдь не то же самое, что сканирование офисных документов или фотографий. В этом деле есть множество нюансов, существенно влияющих на точность получаемых результатов. Кроме того, руководство пользователя, также предоставляет все необходимые ключи для правильного использования приобретаемого сканера (например, в руководстве детально разбираются вопросы о соотношении скорости сканирования и качества получаемых изображений и т.д.).

Внимание! Сканеры производства компании Regent Instruments проходят всестороннюю калибровку, благодаря чему измерения, проводимые с использованием данных сканеров, становятся очень точными.

Сканеры компании Regent Instruments могут быть использованы также и для офисных целей (сканирование документов, фотографий и т.д.).

Для заказа доступны два типа сканеров, различающихся по размеру рабочей поверхности (поверхности сканирования):

1. STD Scanner - Сканер с областью сканирования стандартного размера (22 × 30 см);
2. LA Scanner - Сканер с расширенной областью сканирования (30 × 42 см).

Необходимость высококачественного профессионального сканирования биообъектов для последующего анализа

Если изображение изучаемого объекта получено некачественно, для его автоматической обработки потребуется чересчур сложный и громоздкий алгоритм или утомительные манипуляции в ручном режиме. Оцифровка объемных объектов, таких как корни, на оптическом сканере, без должного внимания к правильному освещению образца, может привести к возникновению различных артефактов. Данные артефакты могут существенно усложнить работу уже на самом первом этапе – этапе обнаружения корней. Как следствие, для точной обрисовки всех участков корневой системы, могут понадобиться длительные манипуляции в ручном режиме. И даже в этом случае, ошибка не исключена. Еще хуже обстоит дело, если вы хотите анализировать цветовые параметры образца. Аберрации цветности, возникающие из-за неравномерного освещения объемного образца, просто не позволят вам провести анализ с должным уровнем достоверности.

Для чего нужна система позиционирования, производства компании Regent Instruments

Наша система позиционирования ускоряет и облегчает процедуру правильного расположения биологических объектов (корней) на рабочей поверхности сканирующего модуля, тем самым существенно повышая продуктивности вашей работы. Наша система позиционирования состоит из пластиковых блоков, которые могут быть инсталлированы на сканирующую поверхность одним движением руки, и также быстро удалены, в случае необходимости. В зависимости от используемой модели, на рабочей поверхности сканера можно расположить от 12 до 24 блоков различной площади. Блоки формируют равномерное полупрозрачное покрытие на рабочей поверхности сканера, с отверстием – областью сканирования - нужного размера. В образованном таким образом отверстии можно легко расположить специальный поддон для образцов, выполненный из прозрачного материала. Для заказа, по каталогу компании Regent Instruments, доступны прямоугольные прозрачные поддоны различной площади. Поддоны всех возможных размеров, по умолчанию, поставляются в комплекте с системой позиционирования.

Поддоны позволяют производить сканирование образцов, погруженных в жидкость. Погруженные в жидкость корни расправить гораздо легче, чем сухие.

Как система позиционирования образцов повышает продуктивность?

1. Вам не нужно беспокоиться о том, как и где, расположить образец на рабочей поверхности сканера. Все что вам нужно это – один раз определить схему позиционирования в специальном пункте пользовательского меню. В пользовательском меню программы WinRHIZO прописаны все возможные варианты позиционирования в виде наглядных схем. Вам просто нужно выбрать тот вариант, который вам подходит. После этого, вы просто располагаете ваш образец (или образцы), на поддоне или без него, в выделенной рабочей ячейке и производите запись изображения. Один раз заданная схема действует на протяжении всего эксперимента, сколько бы образцов вы не сканировали, если только вы сами не измените настроек.
2. Поскольку программа точно «знает» размеры образца и его место расположения на рабочей поверхности сканера, вам не нужно каждый раз тратить время на традиционную стадию предварительного просмотра (Preview step). По указанию программы, сканер выделяет и сканирует с нужным разрешением только избранное поле, не тратя время на прочие участки. Таким образом, при каждом сканировании вы экономите, в среднем, до 20 секунд. Это очень значительно, если вам нужно отсканировать сотни и тысячи образцов.
3. Пока предыдущий образец проходит процедуру сканирования и/или анализа, вы (или второй оператор) можете спокойно подготовить следующий образец, в другом поддоне, вдали от сканера. Это существенно оптимизирует процесс работы.

4 версии программного обеспечения WinRHIZO: «Basic», «Reg», «Pro» и «Arabidopsis»

WinRHIZO Basic – наиболее дешевая и простая версия программы. Данная версия программы позволяет производить только самые общие измерения: средний диаметр корней, суммарная длина корневой системы, суммарная площадь корневой системы, суммарный объем и общее количество корневых кончиков.

WinRHIZO Regular - имеет все те же функции, что и версия программы WinRHIZO Basic, и, кроме того, позволяет производить общий анализ морфологии корневой системы. Анализ морфологии корневой системы изображается в виде функциональной зависимости от калибра/класса корней, согласно предварительно заданной пользователем классификации. Калибровка, или классификация, корней производится в зависимости от их диаметра. Количество калибров/классов, и спектр диаметральных размеров входящих в тот или иной класс, задается пользователем. Программа автоматически строит диаграммы распределения, на которых отображается зависимость длины, площади и объема корней от диаметра (от принадлежности к тому или иному размерному классу/калибру). Данные диаграммы распределения отображаются в верхней части рабочего окна программы. При необходимости, данные диаграммы могут быть выведены на печать отдельно.

WinRHIZO Pro - имеет все те же функции, что и версия программы WinRHIZO Regular, и, кроме того, позволяет производить: анализ связей между узлами корневой системы, анализ топологии, архитектуры корня и цветовой анализ. При цветовом анализе, параметры морфологии корня выражаются в виде функциональной зависимости от принадлежности к тому или иному цветовому классу. Количество и ширина классов определяются пользователем. Кроме того, программа позволяет учитывать площадь образца, окрашенную в тот или иной цвет.

WinRHIZO Arabidopsis - имеет все те же функции, что и версия программы WinRHIZO Pro, и, кроме того, данная версия программы умеет распознавать и раздельно анализировать различные объекты, такие как: проростки, листья, корни и т.д. Данная версия программы может распознавать и раздельно анализировать несколько корневых систем одновременно.

Для заказа доступны различные «ключи» и «патчи», благодаря которым вы, в любой момент, можете расширить вашу версию программного обеспечения.

В нижеследующих таблицах перечислены и описаны свойства каждой версии программы WinRHIZO.

Анализ связей между узлами корневой системы (Link analysis) подразумевает изучение морфологии и общей связности (Link analysis) каждого сегмента корневой системы. Подобный анализ может быть выполнен как на всей корневой системе, в целом, так и на отдельном ее участке.

Топологический анализ подразумевает обобщенный анализ связности фрагментов корневой системы.

Примечание: для точного анализа топологии требуется интактная (т.е. не поврежденная) корневая система. Не имеет смысла проводить данный анализ, если связность корневой системы была нарушена какими-то манипуляциями или изображение корневой системы не очень отчетливое. Не рекомендуется проводить анализ связности на плотных корневых системах. Если вы не можете визуально отследить каждый конкретный сегмент корневой системы на полученном изображении, не стоит надеяться, что программа сможет сделать это лучше. Измерения, произведенные на подобных изображениях, нельзя будет назвать точными, скорее всего анализ будет выполнен с ошибками.

Цветовой анализ образцов на программном обеспечении WinRHIZO версий Pro и Arabidopsis

Анализ цветности позволяет вам произвести детальный учет площадей, окрашенных в тот или иной специфический цвет (или группу цветов). Кроме того, данная функция позволяет описать морфологию образца в виде функциональной зависимости от цвета. Перед началом анализа, в соответствующем пункте меню программы WinRHIZO, оператор определяет цвета объектов, подлежащие дальнейшему анализу, а также цвет фона. Процесс выбора происходит в интерактивном режиме. Для выбора, пользователю просто нужно кликнуть кнопкой мыши на участок интересующей расцветки, и, после, таким же образом задать цвет фона (кликнуть на фоновый участок). В процессе анализа, программное обеспечение WinRHIZO подразделяет цвета, присутствующие на данном изображении, на различные классы. После этого, программное обеспечение производит анализ морфологии образца и выражает результаты в виде функциональной зависимости от цвета. Подобный цветовой анализ может применяться по-разному. Ниже приведено несколько примеров подобного применения:

Учет площади листовой поверхности, пораженной заболеванием или насекомыми	Подсчет проростков

Классификация семян	Анализ морфологии корней (длина, площадь и т.д.) в виде функции цвета

Анализ площади занимаемой микроризой. Для проведения данного анализа требуется изображение с камеры, подключенной к бинокулярной лупе или микроскопу. Образцы должны быть тщательным образом подготовлены.	Анализ корней на различном фоне (применяется при анализе корней in situ)

Внимание! Для нормальной работы функции анализа цветности, требуется явное отличие цвета анализируемого объекта от цвета фона. Если вы не до конца уверены – подойдет ли программное обеспечение WinRHIZO под ваши нужды, просим предварительно обсудить детали вашего эксперимента с нашими специалистами. Мы всегда рады ответить на ваши вопросы, а также выслушать ваши предложения и пожелания.

Версия программного обеспечения - WinRHIZO Arabidopsis

Версия программного обеспечения WinRHIZO Arabidopsis имеет все те же функции, что и версия программы WinRHIZO Pro, плюс:

1. Данная версия программного обеспечения умеет распознавать и раздельно анализировать различные не соприкасающиеся объекты, такие как: проростки, корневые системы и т.д. С помощью данной версии программного обеспечения, вы можете произвести детальный анализ каждого конкретного объекта, представленного на изображении, по отдельности. Кроме того, в случае надобности, вы можете произвести анализ всей совокупности объектов, представленных на изображении и/или его определенной части.
2. Данная версия программного обеспечения умеет точно проводить прямоугольную рамку, ограничивающую каждый конкретный объект анализа, и измерять ее двухмерные характеристики (ширину, длину и т.д.). Это может быть применено для: (а) анализа высоты и ширины растения, если изображение получено сбоку; (b) анализа длины и ширины листа (или любого другого объекта), если изображение получено сверху.
3. Данная версия программного обеспечения умеет автоматически определять площадь, занимаемую конкретным объектом (из всей совокупности объектов, представленных на изображении). Стоит, однако, учесть, что перекрывающиеся участки не анализируются, а соприкасающиеся листья анализируются как один объект (если только пользователь не произведет редактирования в ручном режиме).
4. Данная версия программного обеспечения позволяет раздельно анализировать длину и площадь гипокотиля (листа) и корня. Для этого, вам нужно кликнуть на участок их сочленения и запустить функцию «анализ развития». Анализ площади обладает меньшей точностью, по сравнению с анализом длины. Расхождение в точности составляет примерно 20%.

Величины, анализируемые для каждого конкретного объекта, в пределах изображения:

1. Количество кончиков, участков ветвления (вилок), пересечений;
2. Анализ связей (глобальный усредненный анализ связей, общая и индивидуальная длина связи, диаметр, занимаемая площадь, объем, цветность, количество кончиков в пределах данного узла);
3. Топология и анализ развития для каждого отдельного объекта в пределах изображения;
4. Аксис, количество латералей, общее количество связей и длина связей;
5. Количество нодулей (узелков), в пределах данного объекта;
6. Подсчет количества проростков;
7. Площадь, занимаемая каждым конкретным цветовым классом или группой цветов.

Величины (на данный момент), анализируемые только для всей совокупности объектов, в пределах изображения:

1. Фрактальный анализ;
2. Гистограммы распределения основных параметров анализа корневой системы (длина, площадь, объем, количество кончиков), в виде функциональной зависимости от диаметра;
3. Морфология корней (длина, площадь, объем, количество кончиков), выраженная в виде функциональной зависимости от цвета.

Не соприкасающиеся объекты распознаются автоматически и анализируются индивидуально. Автоматически анализируются такие параметры объектов как: площадь, длина, ширина, цвет. Для правильного автоматического анализа, анализируемые объекты должны контрастно выделяться на окружающем их фоне.

Соприкасающиеся объекты и слишком плотные корневые системы (см. ниже) не могут быть надежно проанализированы в индивидуальном порядке. Для таких объектов только общие/усредненные данные могут быть получены. В некоторых случаях (как в случае с соприкасающимися листьями), может помочь вмешательство оператора (редактирование в ручном режиме). В некоторых случаях, при анализе соприкасающихся корневых систем, вы можете, в ручном режиме, провести границы, чтобы разделить их. Однако, данные, получаемые вами, в данном случае, будут носить лишь оценочный характер, т.к. не исключено попадание в область анализа корневых волосков смежных корневых систем. В некоторых случаях, при анализе очень плотных корневых систем, бывает практически не возможно выделить центральный корешок и дифференцировать его от латеральных корней (или это возможно, но очень затратно по времени). Кроме того, функция раздельного анализа может срабатывать отнюдь не на всех ростовых субстратах / не на любом фоне (анализируемые объекты должны контрастировать с субстратом/фоном). Также, данная функция срабатывает отнюдь не на всех изображениях. Качество анализируемого изображения играет ключевое значение. Мы настоятельно рекомендуем использовать имиджинговые системы (сканеры и камеры), производства нашей компании. Наши имиджинговые системы выдают изображения наилучшего качества и, кроме того, они наилучшим образом совместимы с предлагаемым программным обеспечением.

Прочие особенности

Все версии программного обеспечения WinRHIZO, начиная с Regular и выше, позволяют включать в анализ и исключать из анализа избранные участки изображения любой формы, по указаниям пользователя.

Кроме того, программное обеспечение WinRHIZO позволяет:

1. Редактировать изображения, с помощью специальной функции «Image edition». Благодаря данной функции вы легко сможете убрать/заритушировать некоторые артефакты и дефекты изображения. Данная функция, в том числе, позволяет закрашивать участки изображение любым цветом, присутствующем на изображении или специально определенном пользователем.
2. Производить анализы в диалоговом (при непосредственном участии оператора) и пакетном (без непосредственного участия оператора) режимах. Просим вас отметить, что не все анализы могут производиться в пакетном режиме.
3. Анализировать только заранее определенные участки на изображениях, не тратя времени на все остальные части изображения. В меню программного обеспечения WinRHIZO есть множество инструментов, облегчающих работу для пользователя. Так, версии программного обеспечения «Regular» и «Pro» позволяют, с помощью одной простой команды, создать определенное количество, расположенных по вертикали и равноудалённых, участков анализа в пределах изображения. Размер участков, их количество и расстояние между ними определяются оператором.
4. Позволяет сохранить и/или распечатать изображения, как в изначальном виде, так и с нанесенными на них аналитическими маркерами.
5. Всякий мусор, присутствующий на изображении и могущий помешать анализу, может быть визуально отфильтрован с помощью встроенных функций программного обеспечения WinRHIZO. Так, например, вы можете вычленить и удалить из анализа мусор на основании его морфологических свойств (площадь, форма и т.д.). Такую функцию поддерживают все версии программного обеспечения. Версии программного обеспечения «Pro» и «Arabidopsis», кроме того, позволяют отфильтровать мусор на основании его цветовых характеристик.
6. Программное обеспечение WinRHIZO снабжено качественной системой подсказок и детальным, удобным в использовании техническим описанием. Техническое описание создано ведущими экспертами компании Regent Instruments, а не каким-то третьим лицом, работающим по контракту. В данном техническом описании детально разбираются все основные моменты, связанные с построением эксперимента, работой оборудования и программного обеспечения, а также многие возможные трудности.

Внимание! Все оборудование Regent Instruments, по умолчанию, поставляется с детализованным руководством пользователя. Руководство пользователя поставляется в бумажном виде. При необходимости, подобную информацию можно найти, в электронном виде, в разделе «техническое описание» программного обеспечения WinRHIZO. Для удобства понимания, руководство пользователя содержит большое количество качественных и очень наглядных цветных рисунков.

Участки округлой формы могут быть использованы, в том числе, для анализа корней в чашках Петри.	Участки неправильной формы позволяют, в том числе, раздельно анализировать близко расположенные друг к другу корешки.