CN111024737A - 一种基于Micro-CT的水稻垩白三维测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Micro‑CT的水稻垩白三维测定方法，包括以下步骤：S1、利用Micro‑CT技术对稻米样本进行扫描，获取稻米的断层扫描数据；S2、对获取的数据进行处理分析，重建三维图像，进而计算得到水稻垩白度；所述步骤S2中的处理分析过程包括以下步骤：利用Mimics Innovation Suite Research 19.0软件进行数据处理，对三维图像进行重建；图像重建后分别获得全米和垩白体积，计算得到稻米垩白度。基于Micro‑CT的水稻垩白三维测定方法能够准确反映垩白的性状、位置和体积，能够实现活体水稻垩白三维测定，得到更准确的稻米垩白度测量值。
Description
技术领域
本发明涉及水稻品质测量技术邻域，具体涉及一种基于MicroCT的水稻垩白三维测定方法。
背景技术
水稻是世界上主要粮食之一，全世界一半以上、中国三分之二以上的人口以水稻为主食，因此，对稻米产量和品质的研究受到全世界的关注。稻米垩白度是制约稻米生产的主要因素，因为它是决定稻米品质(外观、加工、碾磨、储藏、食用和烹调品质)和销售价格的关键指标之一。水稻垩白是胚乳充实不良引起的空隙导致的光的散射，在外观上为稻米胚乳的不透明部分，与相对透明的部分相比呈白色。根据垩白在内核中的位置，垩白性状可分为腹白、心白和背白三种类型。目前研究报道了许多控制水稻垩白的因素，但其调控水稻垩白的分子机制尚不是非常清楚，制约研究进展的瓶颈之一是缺乏准确和高通量的水稻垩白定量方法以支持高效的水稻垩白表型突变体的体内筛选。
描述水稻垩白的定量指标主要包括垩白粒率和垩白度。传统的稻米垩白度评价方法主要包括去颖皮获得糙米、碾磨获得精米、肉眼观察等步骤，然后计算垩白粒率。垩白度由白垩部分投影面积占整个精米投影面积的百分率来表示。一般情况下，传统白垩白度测量方法的操作过程通常采用国际标准(如ISO 7301：2011)或地方标准(如GB/T 1354-2018)进行规范化，这些标准在商检和基础研究中都发挥了重要作用。迄今为止，基于肉眼观察和人工区域化的方法仍广泛应用于水稻垩白定量。然而，传统方法的一致性和客观性较差。这种耗时、非客观的方法难以满足水稻垩白度高效、准确测定和垩白相关表型鉴定的迫切需要。此外，如果稻米中心的垩白体积小，肉眼很难观察到，这也会导致测定的垩白粒率的低于实际值。
图像处理方法在稻米外观品质测定方面起到了重要的作用，但是垩白本身是一个不规则的三维结构，目前的图像处理方法测量垩白度都是从稻米表面进行观察和分析，很难准确显示完整的垩白内部结构。此外，目前的图像处理方法对于水稻垩白的测量同样需要进行去颖皮和碾磨胶粒的过程，这些过程往往伴随着胚的破坏，使其生物活性完全丧失。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，提出了一种方法，能够基于Micro-CT对水稻垩白进行三维测定，进而实现在水稻活体中的测定。
根据本发明实施例的方法，包括以下步骤：
S1、利用Micro-CT技术对稻米样本进行扫描，获取稻米的断层扫描数据；
S2、对获取的数据进行处理分析，重建三维图像，进而计算得到稻米垩白度。
根据本发明实施例的方法，至少具有如下有益效果：基于Micro-CT的水稻垩白三维测定方法能够准确反映垩白的性状、位置和体积，水稻垩白在稻米中为立体结构，因此定量测定水稻垩白的体积而不是投影面积对研究和实践都更有意义；而且，测量过程中无需对稻米进行处理，能够保持稻米的生物活性，实现活体水稻垩白三维测定。
根据本发明的一些实施例，所述稻米样本包括去壳米粒或未去壳稻谷中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述Micro-CT技术为通过Micro-CT装置实现；所述Micro-CT装置包含一个焦点小于5μm的锥束X射线源和具有10MP与12位CCD的摄像机。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S1中的扫描过程参数设定为电压(45～55)kV和电流(110～160)μA。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S2中的处理分析过程包括以下步骤：
S01、利用Mimics Innovation Suite Research 19.0软件进行数据处理，对三维图像进行重建；
S02、图像重建后分别获得米粒体积和垩白体积，计算得到稻米垩白度。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S01中的数据处理具体包括以下步骤：
通过分割工具对米粒和垩白进行分离，具体包括：利用“Threshhold”对垩白和非垩白区域进行标注，利用“Region Growing”对标注区域进行加强处理，利用“MorphologyOperation”中的“Erode”将不同区域分开；
通过“Calculate 3D”对分割开的垩白区域进行三维图像重建。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的试验操作原理图；
图2为本发明实施例1中选取的四种(腹白、心白、全白和背白)样本的CT扫描图像；a为四种样本照片图；b的左侧为腹白样本断层扫描图，中间为腹白样本全米的3D图，右侧为腹白样本垩白的3D图；c的左侧为心白样本断层扫描图，中间为心白样本全米的3D图，右侧为心白样本垩白的3D图；d的左侧为全白样本断层扫描图，中间为全白样本全米的3D图，右侧为全白样本垩白的3D图；e的左侧为背白样本断层扫描图，中间为背白样本全米的3D图，右侧为背白样本垩白的3D图。
图3为本发明实施例2中活体水稻Micro-CT测定及其扫描后生物活性实验对照图；左侧为发芽实验对照图；右侧为生长实验对照图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明的检测过程原理：如图1所示，使用Micro-CT装置通过X-射线衍射实现水稻的断层扫描，通过对断层扫描二维图像处理得到三维图像重构，使用的稻米样本可为米粒或未去壳稻谷。
本发明实施例1为：一种基于Micro-CT的水稻垩白三维测定方法，包括以下步骤：
从不同的栽培品种中收集了4种类型的水稻垩白，即腹白、心白、全白和背白(样本照片如图2a所示)，用于基于体积的三维垩白定量实验。具体操作步骤如下：
1、将稻米样本固定和装载到SkyScan 1172CT机(Bruker，比利时)上，CT机包括一个焦点小于5μm的锥束X射线源、密封盖、失真矫正、风冷以及具有10MP(像素)和12位电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的摄像机，由光纤耦合Gd2O2S闪烁器。
2、将样本放置在样本室，根据样本多少选择扫描分辨率，稻米数量与分辨率的对应关系如下表1所示：
表1.稻米数量与分辨率关系
相应的分辨率与X射线功率设置关系如下表2所示：
表2.分辨率与扫描参数设置关系
本实施例中使用的稻米样本数量为1，使用2.5μm分辨率，扫描参数设置为电压50kV和电流140μA。
3、扫描结果导出为DCM格式文件，将这些文件被导入到Mimics Innovation SuiteResearch19.0软件(Materialise，比利时)进行处理，通过分割工具对米粒和垩白进行分离，通过“Calculate3D”对全米粒、垩白和非垩白部分进行三维图像重建；从“3DProperties”中读取各部分体积，计算稻米垩白度(＝垩白体积/全米粒体积*100％)。
稻米样本的在Micro-CT系统中进行计算机断层扫描，获取一系列截面层的二维图像如图2中的b、c、d和e所示，图中，呈现较暗的部分为垩白。通过上述步骤进行的不同垩白度类型稻米样品的三维垩白度定量研究结果如下表3所示：
表3.不同垩白度类型稻米样品的三维垩白度定量研究
表3计算得到四种类型稻米垩白度的数据，能够通过Micro-CT技术能够精确获得稻米的颗粒体积和垩白体积，水稻垩白在稻米中呈现出立体结构，因此定量测定水稻垩白的体积而不是投影面积对研究和实践都更有意义，计算出的稻米垩白度数据更为准确。
本发明实施例2为：活体水稻Micro-CT测定及其扫描后生物活性实验，包括以下步骤：
将水稻固定和装载到SkyScan 1172CT机(Bruker，比利时)上，CT机包括一个焦点小于5μm的锥束X射线源、密封盖、失真矫正、风冷以及具有10MP(像素)和12位电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)的摄像机，由光纤耦合Gd2O2S闪烁器。根据样本大小和扫描分辨率进行扫描，结果导出为DCM格式文件，将这些文件被导入到Mimics InnovationSuite Research 19.0软件(Materialise，比利时)进行处理。通过分割工具对水稻和垩白进行分离，通过计算三维工具对三维图像进行重建，得到稻谷体积和垩白体积，计算可得水稻垩白度。具体的参数设置和过程同实施例1，其中，本实施例中使用的稻米样本数量为5，使用5μm分辨率，扫描参数设置为电压50kV和电流140μA。
通过水稻种子发芽和生长测试，结果证明Micro-CT扫描后水稻能正常发芽和生长；如图3所示，左侧为扫描与未扫描样本的发芽对照图，右侧为扫描与未扫描样本的生长对照图，Micro-CT扫描后稻米与未扫描的稻米发芽与生长情况相近，说明Micro-CT扫描不影响稻谷的活性；结果证明本发明方法不仅能够检测活体稻米的垩白度而且不影响稻米的生物活性。
现有的图像处理方法测量大米垩白度都是在停留在二维测量的层次，同时，由于水稻垩白位于胚乳，为了很好地揭示白垩质，现有的处理方法需要经过去除颖皮和碾磨获得精米的过程，无法对活体稻米进行定量，这些过程往往伴随着胚的破坏，使稻米的生物活性完全丧失；本发明的方法能够从三维层面测定活体稻米的垩白度，测量的准确度高，且能够保证测量后稻米的生物活性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于Micro-CT的水稻垩白三维测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用Micro-CT技术对稻米样本进行扫描，获取稻米的断层扫描数据；
S2、对获取的数据进行处理分析，重建三维图像，进而计算得到稻米垩白度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稻米样本包括糙米或未去壳稻米中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述Micro-CT技术为通过Micro-CT装置实现；所述Micro-CT装置包含一个焦点小于5μm的锥束X射线源和具有10MP与12位CCD的摄像机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中的扫描过程参数设定为电压(45～55)kV和电流(110～160)μA。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中的处理分析过程包括以下步骤：
S01、利用Mimics Innovation Suite Research 19.0软件进行数据处理，对三维图像进行重建；
S02、图像重建后分别获得颗粒体积和垩白体积，计算得到稻米垩白度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S01中的数据处理具体包括以下步骤：
通过分割工具对米粒和垩白进行分离，具体包括：利用“Threshhold”对垩白和非垩白区域进行标注，利用“Region Growing”对标注区域进行加强处理，利用“MorphologyOperation”中的“Erode”将不同区域分开；
通过“Calculate 3D”对分割开的垩白区域进行三维图像重建。
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| CN111693551A (zh) * | 2020-07-18 | 2020-09-22 | 华中农业大学 | 一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置及方法 |
| CN111693551B (zh) * | 2020-07-18 | 2021-06-22 | 华中农业大学 | 一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置及方法 |
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