Die Aufgabenstellung
Zuckerrüben werden heute mit modernen Sämaschinen direkt an Ort und Stelle der späteren Rüben gesät, so dass kein arbeitsintensives verziehen der Jungpflanzen auf dem Feld mehr erforderlich ist. Damit dies erfolgreich gelingt, muss das Saatgut eine hohe Qualität aufweisen, denn aus möglichst jedem Samenkorn soll genau eine einzelne, kräftige Pflanze entstehen. Um dies zu erreichen, wird das Saatgut mit aufwändigen Verfahren aufbereitet, bei denen am Ende nur ein Bruchteil der ursprünglich eingesetzten Samenkörner zu Saatgut wird. Zur Überwachung der Aufbereitung wird üblicherweise die Röntgendurchleuchtung (Radioskopie) eingesetzt. Damit können schlecht gefüllte oder schlecht entwickelte Samenkörner erkannt werden. Jedoch ist diese Prüfung sehr arbeitsintensiv, da für jede Stichprobe hunderte Samenkörner einzeln durchleuchtet und visuell bewertet werden müssen. Zudem erlaubt diese Methode keine objektive quantitative Bewertung der Samen.
Dagegen liefert die Computertomographie dreidimensionale Volumenbilder der Samen, die eine quantitative Vermessung der Samenbestandteile prinzipiell ermöglichen. Um diese Möglichkeit jedoch praktisch nutzen zu können, ist eine schnelle, automatisierte CT-Aufnahme und eine automatische Bildanalyse erforderlich, denn eine visuelle Bewertung oder gar Vermessung der Volumenbilder wäre viel zu arbeitsaufwändig.
Die Aufgabenstellung bestand nun darin, ein leistungsfähiges automatisiertes CT-Prüfsystem zu entwickeln, das eine quantitative Bewertung von Zuckerrübensamen durchführt, dabei möglichst einfach zu bedienen ist und somit die radioskopische Prüfung ersetzen kann.
Ausziehregal mit Probentabletts. © Fraunhofer IZFP
Die Lösung
Bei der Entwicklung des hier beschriebenen CT-Prüfsystems im Auftrag und in Kooperation mit Syngenta Seeds AB, Schweden, konnten wir auf unseren Erfahrungen aus vorhergehenden, ähnlichen Projekten aufbauen.
Die Probenvorbereitung wurde auf die denkbar einfachste Möglichkeit reduziert; die Samenkörner der Stichprobe werden einfach in kleine Runddosen gefüllt. Die Vereinzelung der Samen wird später virtuell von der Bildanalysesoftware an den CT-Aufnahmen durchgeführt. Bis zu sechzig solcher Probendosen werden auf ein spezielles Tablett mit passenden Mulden gestellt. Das CT-System kann bis zu fünf solcher Tabletts in einem Ausziehregal aufnehmen (s. Bild), so dass mit einem Analyselauf bis zu 300 Proben geprüft werden können, ohne dass ein weiterer Eingriff erforderlich ist. Nach etwa 16 Stunden ist die Analyse aller Proben abgeschlossen.
Alle für die CT-Aufnahmen erforderlichen Vorbereitungsschritte, wie Konditionierung der Röntgenröhre oder Kalibrierung der Röntgenkamera, werden vom System autonom durchgeführt und laufend überwacht. Nach dem Einstellen der Proben muss der Analyseprozess nur noch gestartet werden. Ein spezieller Aufzug im Inneren des Systems entnimmt für die Prüfung ein Probentablett aus dem Ausziehregal und bringt es nach oben in die Röntgenkammer.
Prinzip des Aufzugsystems für den Tablettwechsel. © Fraunhofer IZFP
Dort nimmt ein kartesischer Roboter eine Probe nach der anderen vom Tablett und stellt Sie für die CT-Aufnahme auf den Drehtisch des CT-Systems. Die CT-Aufnahme dauert nur wenige Minuten. Dabei werden mehrere hundert Röntgenaufnahmen gemacht, während sich die Probe dreht. Ein Hochleistungsrechner berechnet aus den hunderten Röntgenaufnahmen die sogenannte Rekonstruktion, das Volumenbild der Probe.
Während die nächste CT-Aufnahme gemacht wird, wird die Aufnahme der vorherigen Probe analysiert. Dabei werden für jedes einzelne Korn einer Probe rund zwanzig verschiedene Messwerte ermittelt. Die statistische Analyse der Messwerte liefert eine Aussage zur Qualität des Saatgutes und eine Endscheidung darüber ob das Saatgut noch weiter aufgearbeitet werden muss oder ob die geforderte Qualität erreicht ist.
CT-Aufnahme eines Zuckerrübensamens. © Fraunhofer IZFP
Gegenüber dem ursprünglichen Verfahren der radiographischen Prüfung bietet die Prüfung mittels CT einige Vorteile. Die Probenvorbereitung reduziert sich von einer manuellen Vereinzelung der Samenkörner auf das Abfüllen der Proben, der Arbeitsaufwand für die Prüfung ist drastisch reduziert und als Ergebnis werden nun objektive und quantitative Messwerte erhalten.
Wir suchen nun Partner mit Einsatzfeldern, bei denen die Computertomographie ähnliche Vorteile bringen kann.