CN106706682B - 一种用于作物穴盘苗ct扫描根系三维重构成像的育苗方法 - Google Patents

一种用于作物穴盘苗ct扫描根系三维重构成像的育苗方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，属于作物根系无损检测领域的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构的育苗方法，包括如下步骤：用于作物穴盘苗吸收CT造影剂的容器制备；适用于吸收CT造影剂的作物穴盘苗的培育；利用作物穴盘苗伸出漏水孔的外侧根系吸收CT造影剂。CT扫描作物穴盘苗的准备。本方法是在不破坏根系在育苗基质中空间分布的情况下，用作物穴盘苗的根系吸收CT造影剂，使根系的密度大于育苗基质的密度，CT扫描时根系与育苗基质的衰减值不同使得生成的断层图面中根与育苗基质灰度存在明显区别，通过对断层图片进行阈值分割将根系从育苗基质中分离出，生成完整性和清晰度较高的根系三维图像。

Description

一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法
技术领域
本发明属于作物根系无损检测领域，特别是一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构的育苗方法。
背景技术
根系的生长发育情况直接影响到作物的生长和产量，特别是在幼苗期，根系的生长情况直接关系到作物吸收土壤中营养物质和水分的能力，对作物的长势和抵抗病虫害起到关键作用。研究根系的特性可以为评价作物的生长情况、水肥供给以及制定种植农艺提供科学依据和技术指导。现在常用的评判作物根系生长特性的方法主要是采用水洗掉作物根系中的土壤，然后测量根系的质量、体积、直径和长度等物理参数，这种方法存在的问题是水冲洗根系后，破坏了根系在土壤中的分布，不能研究根系的空间生长和分布情况，以及根系与土壤颗粒之间的作用关系。
为了研究根系生长时的空间分布，Iyer-Pascuzzi和Clark等利用结冻胶作为作物根系生长媒介，结冻胶是透明的，可以向作物提供营养物质，可以透过结冻胶看到作物根系的生长，但是这种方法不是以土壤作为根系生长媒介。
随着计算机断层扫描(Computed Tomography，简称CT)技术的发展，有多种技术可以用于物体无损检测成像，其中核磁共振技术可以获得高分辨率的图像，但是Gregory和Perret等通过试验研究发现，土壤中的顺磁性离子(铁、锰、铜)限制了核磁共振技术在土壤无损检测技术中的应用。X射线断层扫描技术不会受土壤中顺磁性离子的影响，可以对土壤和根系进行无损检测。最早使用X射线CT检测土壤和根系的报道是Watanabe等(1992年)用医疗CT检测山药和大豆根系，可以获得体素尺寸为1-1.5mm的断层图片，早期的CT技术只能获得较粗的根系的图像，随着X射线CT技术的不断进步，已经可以得到分辨率达到500nm的高清图像，特别是Micro-CT技术的发展，可以获得清晰的土壤与根系断层图像。Richard J等通过研究表明植物暴露在X射线下不会影响生长，可以将Micro-CT技术应用于土壤中根系复杂结构的检测。Richard J等在用PVC材料制成的圆柱形桶中种植春麦，比较磷肥在三种不同的供给方式下春麦根系的生长情况，用Micro-CT对春麦根部土壤进行扫描，并将扫描获得的断层图片导入Volume Graphics StudioMax version 2.1软件中，利用软件中的区域增长工具调整图像阈值，将根系从断层图片中分割出生成三维图像，生成的图像中根系存在不连续情况，分析原因是团结的土壤颗粒与根系的衰减值重叠，断层图片中根系与土壤颗粒的灰度相同，在调整图像阈值进行分割时，将根系与土壤一起分离出去，造成根系与土壤颗粒衰减值重叠的原因是团结的土壤颗粒与根系的密度相同。Susan Zappala等认为植物的根与土壤的衰减值相似是因为土壤含水率造成的，土壤在含水饱和状态下，根、含水的土壤孔隙和土壤的衰减值叠加在一起，阻碍了图像中不同物质的分割，含水率较低的土壤CT扫描时增加了图像的信噪，使分割生成的三维图像中存在大量的离散点。StefanMairhofer等为了解决用Micro-CT扫描时根系与土壤衰减值叠加造成的不能将根系分割出来的问题，开发出一种称为RooTrak的软件，该软件可对断层图片中的根系进行追踪，将不同方向生长的根系提取出，并自动识别与土壤衰减系数相同部分的根，根据断层两端根系直径，补全不连续的根系。我国学者周学成等也曾用X射线CT技术对番茄根系进行扫描，通过阈值分割方法将根系从土壤中分割出，并三维重构，生成的图像中存在较多的噪点。由以上调查可以看出，在用X射线扫描土壤中根系时，存在的主要问题是根与土壤的衰减值重叠造成不能完整的将根系从土壤中分割出，致使根系三维图像不完整和清晰度不高。对于作物穴盘育苗，育苗基质一般是由草炭、珍珠岩和蛭石按一定比例混合制成，作物在育苗基质中获取生长所需的营养和水分，根系与基质相互交叉缠绕，对于一些幼苗根系较为细弱的农作物，例如番茄穴盘苗，大部分侧根直径小于1mm，毛细根系可达到0.1mm及以下，根系与基质中的草炭团结在一起，侧根与草炭在CT扫描时衰减值很接近，成像时很难将根系分割出。可以看出，在对根系与土壤构成的复合体进行CT扫描三维成像时，怎样准确的区分根与土壤，将根系分割出是目前CT技术需要解决的关键问题。
CT造影是医学上一种介入检测方法，CT造影剂的主要成分是碘试剂。将CT造影剂注入人体血管里，增大血液密度，使血管中的血液密度大于周围人体组织的密度，CT扫描成像时，可以将血管中的血液从人体组织中分割提取出来，该技术在医学中起到了重要作用。本专利所述内容是将CT造影剂(碘帕醇液体)应用于作物穴盘苗根系成像，提高根系三维重构成像质量。
发明内容
本发明专利的目的在于解决根系与生长媒介密度相同造成的CT扫描无法将根系完整分割提取并三维重构的技术问题，提供一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构的育苗方法，将医学中用CT技术对人体扫描血管成像常用的CT造影剂(碘帕醇液体)应用于作物穴盘苗根系三维重构成像，在不破坏作物穴盘苗苗钵结构的情况下，让根系吸收CT造影剂，使根系的密度大于育苗基质的密度，CT断层扫描时，由于根系与育苗基质的衰减值不同使得生成的断层图片中根与育苗基质灰度存在明显区别，可以通过阈值调整将根系分离出，生成完整清晰的根系三维图像。
一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，包括以下步骤：
步骤一，制备用于作物穴盘苗吸收CT造影剂的容器：吸收CT造影剂的容器由上部放置穴盘苗的凹槽和下部容纳液体的液杯组成，凹槽和液杯之间用根系入口连通，凹槽呈倒置四棱台形状，四棱台相对两个面的夹角为20°-25°，根系入口的直径为1-1.5cm；
步骤二，培育适用于吸收CT造影剂的作物穴盘苗：将发芽18-30天后的作物穴盘苗和育苗穴盘一起放置在吸水物体上，育苗穴盘底部的漏水孔与吸水物体接触，然后将吸水物体放置在装有水的容器中，水面在吸水物体上表面的下方，水面位置距离吸水物体上表面0.5-1cm；在日常光照和温度下，作物穴盘苗继续生长15-20天。
步骤三，利用作物穴盘苗伸出漏水孔的外侧根系吸收CT造影剂；
步骤四，CT扫描作物穴盘苗的准备：将根系浸泡在CT造影剂稀释液中的作物穴盘苗取出，去除茎叶和从育苗穴盘漏水孔长出的根系，用聚乙烯薄膜包裹住作物穴盘苗的苗钵，放置于CT机的样品容器中，开始扫描。
所述的吸收CT造影剂的容器是由不透明材料制成。
所述的吸水物体是由具有微小孔隙的材料制成，例如方砖或木块。
所述的利用作物穴盘苗漏水孔外侧根系吸收CT造影剂具体为：将CT造影剂和蒸馏水按3:1的体积比混合后制成稀释液注入吸收CT造影剂的容器上的液杯中，稀释液的液表面在根系入口的下方，稀释液的液面距离根系入口0.5-1cm，将作物穴盘苗放置在容器上部的凹槽内，并使得作物穴盘苗底部从育苗穴盘的漏水孔中生长出的根系通过吸收根系入口放入容器底部的液杯中，使根系与稀释液接触；将作物穴盘苗和吸收CT造影剂的容器放置在温度为20-25℃的环境中，避免阳光直接照射作物穴盘苗和吸收CT造影剂的容器，让作物穴盘苗继续生长1-4天。
本发明具体的有益效果是：在不破坏根系在育苗基质中空间分布的情况下，用作物穴盘苗的根系吸收CT造影剂，使根系的密度大于育苗基质的密度，CT扫描时根系与育苗基质的衰减值不同使得生成的断层图面中根与育苗基质灰度存在明显区别，通过对断层图片进行阈值分割将根系从育苗基质中分离出，生成完整性和清晰度较高的根系三维图像。
附图说明
图1是用于作物穴盘苗吸收CT造影剂的容器的结构示意图；
图2是作物穴盘苗根系放入吸收CT造影剂的容器中的结构示意图；
图3是作物穴盘苗和吸水物体放置于装有水的容器中的结构示意图；
图4是用本发明专利的育苗方法培育的番茄穴盘苗CT扫描处理得到的根系三维图像；
图5是用常规方法培育的番茄穴盘苗CT扫描处理得到的根系三维图像。
图中标记：1：吸收CT造影剂的容器；1-1：凹槽；1-2：液杯；1-3：根系入口；2：育苗穴盘；3：吸水物体；4：容器。
具体实施方式
下面结合附图，以番茄穴盘苗CT扫描根系三维重构成像育苗为例，对本发明的实施过程做进一步说明。
步骤一，制备用于番茄穴盘苗吸收CT造影剂的容器
如图1所示，吸收CT造影剂的容器1由上部放置穴盘苗的凹槽1-1和下部容纳液体的液杯1-2组成，凹槽1-1和液杯1-2之间用根系入口1-3连通，凹槽1-1呈倒置四棱台形状，四棱台相对两个面的夹角为20°-25°，根系入口1-3的直径为1-1.5cm。
步骤二，培育适用于吸收CT造影剂的番茄穴盘苗
将草炭：珍珠岩：蛭石按3:1:1体积混合制成育苗基质，育苗基质以1.2倍育苗穴盘穴孔体积装入育苗穴盘中，然后将番茄种子种入育苗基质中，种子种植深度为0.5cm，育苗穴盘选用128孔塑料软穴盘；在番茄种子发芽20-25天后将番茄穴盘苗和育苗穴盘2一起放置在吸水物体3上，如图3所示，育苗穴盘2底部的漏水孔与吸水物体3接触，然后将吸水物体3放置在装有水的容器4中，水面在吸水物体3上表面的下方，水面位置距离吸水物体3上表面0.5-1cm，使吸水物体始终保持湿润；在日常光照和温度下，番茄穴盘苗继续生长15-20天，因为吸水物体3始终保持湿润，番茄穴盘苗会有一部分根系从育苗穴盘2的漏水孔中长出与吸水物体接触。
步骤三，利用番茄穴盘苗伸出漏水孔的外侧根系吸收CT造影剂
将CT造影剂和蒸馏水按3:1的体积比混合后制成稀释液注入吸收CT造影剂的容器1上的液杯1-2中，稀释液的液表面在根系入口1-3的下方，稀释液的液面距离根系入口1-3的距离为0.5-1cm；对番茄穴盘苗洒水浇透，然后将番茄穴盘苗从育苗穴盘2中取出，将番茄穴盘苗放置在容器上部的凹槽内，再将番茄穴盘苗上育苗穴盘2的漏水孔中生长出的根系通过吸收CT造影剂的容器1的根系入口1-3放入容器底部的液杯1-2中，使根系与液体接触；将番茄穴盘苗和吸收CT造影剂的容器1放置在温度为20°-25℃的环境中，避免阳光直接照射番茄穴盘苗和吸收CT造影剂的容器1，让番茄穴盘苗继续生长1-4天。如图2所示。
步骤四，CT扫描番茄穴盘苗的准备
将根系浸泡在CT造影剂稀释液中的番茄穴盘苗取出，去除茎叶和从育苗穴盘2漏水孔长出的根系，为了降低CT扫描时CT机内部温度升高造成苗钵中水分的蒸发对成像质量的影响，用聚乙烯薄膜包裹住番茄穴盘苗的苗钵，放置于CT扫描设备的样品容器中，进行扫描。
CT扫描效果
试验在江苏大学农业装备工程学院实验室中进行，本实验实施过程中使用的计算机断层图像扫描设备为瑞士SCANCO Medical AG公司生产的SCANCO MEDICALμCT100，扫描时将番茄穴盘苗放入直径和高分别为100mm的样品容器中，CT机的扫描参数设置为：电压70kVp、电流50μA、整合时间200ms、分辨率45μm，扫描过滤器设置为AIR。用同样的CT机设置参数分别对用本专利育苗方法培育的番茄穴盘苗和常规方法培育的番茄穴盘苗进行扫描和处理，对根系完整清晰度对比。扫描完成后使用CT扫描设备本身的程序命令和IPL语言(image processing language)对断层图片进行处理，用框选工具和轮廓自动选取工具绘制封闭的轮廓线条，选取每张断层图片中苗钵的边界；然后根据苗钵断层图片中根系和基质灰阶的不同，调节高、低阈值，选定根系阈值范围，对断层图片进行二值化处理，将根系从苗钵中提取出来，生成根系三维图像；最后执行IPL语言中的测量体积命令，对根系三维图像进行体积测量，得到根系体积数值。CT扫描试验结束后，将CT扫描过的番茄苗钵放入水中进行清洗，洗去苗钵中的育苗基质，将根系放在阴凉通风的地方使根系表面上的水蒸发，然后将根系放入带有刻度的量筒中，向量筒中注入已知体积的水，读取量筒中液面的体积刻度，用读取的刻度值减去注入量筒中的液体体积，得到水洗根后测量的根系体积。用本发明专利培育的番茄穴盘苗经CT扫描处理和水洗苗钵量筒测量得到的根系体积分别为0.249cm3、0.2cm3，误差为24.5％；而采用常规方法培育的番茄穴盘苗经CT扫描处理和水洗苗钵量筒测量得到的根系体积分别为0.271cm3、0.21cm3，误差为29.01％；两种方法培育的番茄穴盘苗CT扫描处理得到的根系体积都大于水洗苗钵量筒测量得到的根系体积，但是本专利育苗方法培育的番茄穴盘苗CT扫描处理得到的根系体积误差小于用常规方法培育番茄穴盘苗CT扫描处理得到的根系体积误差。通过对比图4和图5可以看出，图4中根系较为完整和清晰，局部有未分离出的基质，图5中根系部分位置缺失，且有较多的基质未分离出去，不能清晰的看到根系分布。通过根系体积误差和图像比较可知，本发明专利培育的番茄穴盘苗经CT扫描处理获得的根系完整性和清晰度高于用常规方法育苗CT扫描处理获得的根系完整性和清晰度。
对于辣椒、黄瓜等作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法可以参照本专利中番茄穴盘苗的育苗方法。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制备用于作物穴盘苗吸收CT造影剂的容器；
步骤二：培育适用于吸收CT造影剂的作物穴盘苗：将发芽18-30天后的作物穴盘苗和育苗穴盘一起放置在吸水物体上，育苗穴盘底部的漏水孔与吸水物体接触，然后将吸水物体放置在装有水的容器中，水面在吸水物体上表面的下方，水面位置距离吸水物体上表面0.5-1cm；在日常光照和温度下，作物穴盘苗继续生长15-20天；
步骤三：将作物穴盘苗放置在所述吸收CT造影剂的容器里，利用作物穴盘苗伸出漏水孔的外侧根系吸收CT造影剂；
步骤四：CT扫描作物穴盘苗的准备：将根系浸泡在CT造影剂稀释液中的作物穴盘苗取出，去除茎叶和从育苗穴盘漏水孔长出的根系，用聚乙烯薄膜包裹住作物穴盘苗的苗钵，放置于CT机的样品容器中，开始扫描；
所述吸收CT造影剂的容器包括上部放置穴盘苗的凹槽和下部容纳液体的液杯；所述凹槽和所述液杯之间用根系入口连通；凹槽的形状、大小均与育苗穴盘的穴孔匹配、呈倒置四棱台形状。
2.根据权利要求1所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述四棱台相对两个面的夹角为20°-25°，所述根系入口的直径为1-1.5cm。
3.根据权利要求1所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述根系入口为凹槽底部的开口。
4.根据权利要求1所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述的吸收CT造影剂的容器是不透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述步骤三的具体实现方法：将CT造影剂和蒸馏水按3:1的体积比混合后制成稀释液注入吸收CT造影剂的容器上的液杯中，稀释液的液表面在根系入口的下方，稀释液的液面距离根系入口0.5-1cm，将作物穴盘苗放置在容器上部的凹槽内，并使得作物穴盘苗底部从育苗穴盘的漏水孔中生长出的根系通过吸收CT造影剂的容器的根系入口放入容器底部的液杯中，使根系与液体接触；将作物穴盘苗和吸收CT造影剂的容器放置在温度为20°-25℃的环境中，避免阳光直接照射作物穴盘苗和吸收CT造影剂的容器，让作物穴盘苗继续生长1-4天。
6.根据权利要求5所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述CT造影剂采用碘帕醇液体。
7.根据权利要求1所述的一种用于作物穴盘苗CT扫描根系三维重构成像的育苗方法，其特征在于，所述的吸水物体是由具有微小孔隙的材料制成。
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