JP3086868B2 - 生育状態解析装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴イメージ
ング（以下、ＭＲＩという）装置を用いて、植物体、種
子、組織、カルスなどの植物試料の生育状態を、静態的
または動態的に解析するための装置および方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、植物の種子は、塩水を用いた比重
選によって播種の適、不適が判定されてきたが、これだ
けでは発芽性その他の評価は困難である。そこで発芽性
や栽培条件の評価等の解析を行うために、これらを栽培
ないし培養してその生育状態を観察することが行われて
いる。この場合出芽の良否は、例えば水稲の場合、発
芽、伸長後に土水面から突出した芽の数を播種量と比較
して判定されてきたが、下部に伸長する根の形成過程お
よび芽が土壌を突き破って出芽するまでの経時的変化を
非破壊で追跡することは困難であった。また、出芽時間
は、気温や水温、ならびに圃場の土壌等の環境条件の影
響を受けるため、精度の高い診断が困難であった。

【０００３】一方、種子を含む生物試料、ならびにその
生育状況をＭＲＩ装置を用いて非破壊で観察することが
提案されている（例えば特開平８−２４０６５１号、特
開平９−５３１７号）。しかしこの方法は種子等の生物
試料をＭＲＩ装置に搬入してＭＲ画像を得たり、あるい
はＭＲＩ装置内において生育させてＭＲ画像を得ている
が、いずれも試料を気相に置いてＭＲ画像を得ている。

【０００４】このような気相での観察は、播種による土
壌中での出芽、特に水稲の場合の湛水土壌中での出芽と
は条件が異なるため、出芽性の解析には利用できない。
上記の場合、気相での生育に代えて土壌中あるいは水中
での生育を行ってそのまま観察しようとすると、土壌中
の磁性体や自由水がＭＲ画像に影響を与え、鮮明な画像
を得ることが困難である。特に、湛水土壌のように多量
の自由水が存在すると、影響が現われる。湛水していな
い一般の土壌においても、土壌中に含まれる砂鉄等の磁
性体により影響を受けやすい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、土壌
中特に湛水土壌中において植物を生育させた状態で自由
水の影響を少なくして鮮明なＭＲ画像およびスペクトル
を得ることができ、これにより発芽、伸長等の生育状態
を解析することができる生育状態解析装置および方法を
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は次の生育状態解
析装置および方法である。 （１） 空心部に静磁場および傾斜磁場を形成する磁場
形成装置と、内部に非浸透性の非磁性体粒子からなる人
工土壌を充填して植物試料を生育させる試料セルと、試
料セルを前記空心部に配置する試料ホルダと、前記試料
セルにＲＦパルスを発信し、磁気共鳴信号を受信するよ
うに空心部に配置されるＲＦ発受信装置とを備えている
ことを特徴とする生育状態解析装置。 （２） ＲＦ発受信器を空心部に配置した状態で、試料
セルを搭載した試料ホルダを空心部の測定位置に搬送す
る試料搬送装置を有する上記（１）記載の装置。 （３） 試料ホルダは複数の試料セルを搭載できるよう
にされた上記（１）または（２）記載の装置。 （４） 内部に非浸透性の非磁性体粒子からなる人工土
壌を充填して植物試料を生育させた試料セルを試料ホル
ダに搭載して磁場形成装置の空心部に配置し、磁場形成
装置により静磁場および傾斜磁場を形成し、ＲＦ発受信
装置から試料セルにＲＦパルスを発信して、磁気共鳴信
号を受信し、これによりＭＲ画像およびスペクトルを得
て、試料の生育状態を解析することを特徴とする生育状
態解析方法。 （５） ＲＦ発受信装置を空心部に配置した状態で、試
料搬送装置により試料ホルダを空心部に搬送して解析を
行うようにした上記（４）記載の方法。 （６） 試料ホルダに複数の試料セルを搭載して解析を
行うようにした上記（４）または（５）記載の方法。

【０００７】本発明の生育状態解析装置および方法は、
一般に入手可能なＭＲＩ装置に、人工土壌を充填して植
物試料を生育させた試料セルを、試料ホルダに搭載して
空心部に配置し、ＭＲＩ画像およびスペクトルを得て生
育状態を解析するように構成される。この場合、ＲＦ発
受信器を空心部に配置した状態で、試料セルを搭載した
試料ホルダを搬入、搬出できるように搬送手段を設ける
ことにより、測定条件を一定にして解析を行うことがで
きる。

【０００８】磁場形成装置およびＲＦ発受信装置等はＭ
ＲＩ装置を構成するものであり、市販品を使用すること
ができる。静磁場形成装置としては超伝導磁石が好まし
く、空心円筒形に形成されたものを横形に配置して使用
するのが好ましい。傾斜磁場形成装置はＸ、Ｙ、Ｚの三
次元方向に傾斜磁場を形成するように構成される。ＲＦ
発受信装置はＲＦコイルを有し、発信装置と受信装置が
一体化したものでよく、分離したものでもよい。ＲＦ発
受信装置は空心円筒状に形成し、その内部に試料セルを
配置して測定を行うように構成するのが好ましい。

【０００９】試料セルには内部に非浸透性の非磁性体粒
子からなる人工土壌を充填して植物試料を生育させるよ
うに、容器状に形成される。試料セルは蓋を有するのが
好ましいが、蓋は生育条件に応じて通気性または非通気
性とすることができる。植物試料としては植物体、種
子、組織、カルスなど、生育の対象となるものであれば
よい。

【００１０】試料セルに充填する人工土壌としては、
水、培養液等の液体が内部に浸透しない非浸透性の非磁
性体粒子からなるものが使用でき、非吸水性のものが好
ましい。このような非磁性体粒子としては、ジルコニア
等のセラミックス、ガラス、プラスチックスなどの非磁
性体粒子のうち、内部に隙間が存在せず、非浸透性のも
のを用いる。形状は球形またはこれに近いものが好まし
いが、他の形状でもよい。粒径としては０．１〜１０ｍ
ｍ、好ましくは１〜５ｍｍのものが好ましい。これらは
充填したときの間隙が少なくなるように、粒径の異なる
ものが混在しているのが好ましい。

【００１１】試料ホルダは上記の試料セルを搭載して磁
場形成装置の空心部の測定位置に配置するように可搬式
に形成される。試料ホルダは複数の試料セルを搭載でき
るように、複数の試料セル受けを形成するのが好まし
い。ＲＦ発受信装置が空心円筒状に形成される場合は、
その空心部に試料ホルダが配置されるように構成され
る。

【００１２】ＲＦ発受信装置は通常クレードルに搭載し
て磁場形成装置の空心部に導入されるが、測定試料ごと
にクレードルを挿入、排出すると、その都度ＲＦ発信装
置の位置が微妙に変わるため、試料交換の都度チューニ
ングとシミングをやり直す必要がある。このためＲＦ発
受信装置と試料搬送装置をクレードルに搭載して磁場形
成装置の空心部に固定し、試料搬送装置により、試料セ
ルを搭載した試料ホルダを測定位置に搬送するように構
成するのが好ましく、これによりチューニングとシミン
グのやり直しを省略することができる。

【００１３】試料搬送装置としては、ＲＦ発受信装置の
空心部から磁場形成装置の空心部を通して外部に伸びる
ガイド筒を設け、このガイド筒内を試料セルを搭載した
試料ホルダを搬入、搬出するように構成するのが好まし
いが、他の構成でもよい。

【００１４】ＲＦ発受信装置および試料搬送装置はクレ
ードルに固定して磁場形成装置の空心部に搬入し、固定
できるようにすることができるが、試料の細部を観察す
る場合は、ＲＦ信号による衝撃波がＭＲ画像に影響しな
いように、クレードルに鉛のような重量物を設置して空
心部内に保持するのが好ましい。

【００１５】

【作用】上記のような装置による生育状態解析方法は、
内部に非浸透性の非磁性体粒子からなる人工土壌を充填
して植物試料を生育させた試料セルを試料ホルダに搭載
して磁場形成装置の空心部に配置し、磁場形成装置によ
り静磁場および傾斜磁場を形成し、ＲＦ発受信装置から
試料セルにＲＦパルスを発信して、磁気共鳴信号を受信
し、これによりＭＲ画像およびスペクトルを得て、試料
の生育状態を解析する。

【００１６】ＲＦパルスとしては、スピンエコーパルス
シーケンスまたはグラジエントエコーパルスシーケンス
が好ましいが、他のパルスシーケンスでもよい。

【００１７】スピンエコーパルスシーケンスはＭＲ画像
を得るために最も一般的に行われているパルスシーケン
スで、水素等の原子核に最初に９０°のフリップ角のパ
ルス、続いて１８０°パルスを与えて、ＲＦ（高周波）
コイルの中に誘導される高周波の電気信号（Ｓｐｉｎ
ｅｃｈｏ）を得る。この信号のフーリエ変換により共鳴
周波数に対応するスペクトルが得られ、このスペクトル
を積算することによりＭＲ画像が形成される。スピンエ
コー法では２つのパラメーター、繰り返し時間およびエ
コー時間がコントラストを決定する。最初の励起パルス
は９０°パルスで、繰り返し時間は数百ｍｓｅｃ〜数秒
である。

【００１８】グラジエントエコー（ｇｒａｄｉｅｎｔ
ｅｃｈｏ、あるいはｆｉｅｌｄ ｅｃｈｏ）パルスシー
ケンスは高速撮像に適したパルスシーケンスで、水素等
の原子核に最初に小さいフリップ角（１５〜４５°）の
励起パルスを与えて、続いて傾斜磁場（勾配磁場）を正
負に反転させてスピンの位相を揃ったエコーを生じさ
せ、ＭＲ画像を得る方法である。フリップ角が小さいの
で縦緩和が戻るまでの時間が短く、エコー時間、繰り返
し時間はスピンエコー法よりきわめて短い数十ｍｓｅｃ
程度で画像データを取得するので、著しく短い時間での
ＭＲ撮像が可能となる。主要なシーケンスとしてはＦＬ
ＡＳＨ（Ｆａｓｔ Ｌｏｗ ＡｎｇｌｅＳｈｏｔ）など
がある。

【００１９】上記のようなＲＦパルスをＲＦ発受信装置
から発信し、発信停止後ＭＲ信号を受信する際、試料セ
ル内が水で充満していると、多量の自由水がＭＲ画像に
影響を与え、鮮明なＭＲ画像およびスペクトルを得るこ
とができない。試料セル内に土壌が充填されている場合
でも、水が土壌内に浸透するため同様の現像が生じる。

【００２０】これに対して本発明のように試料セル内に
非浸透性の非磁性体からなる人工土壌を充填すると、水
が投入された場合でも人工土壌の粒子の内部に水が浸透
しないので、試料セル内に保持される自由水の量は少な
くなり、このため、ＭＲ画像への自由水の影響は少なく
なり、鮮明な画像およびスペクトルを得ることができ
る。

【００２１】このように試料セル内に人工土壌を充填し
た状態で試料を生育させ、その状態のＭＲ画像を得るこ
とができるので、土壌中における出芽、伸長等の生育状
態を解析することができる。このとき人工土壌とともに
水を充満させても鮮明な画像を得ることができるので、
水稲の種子などについて、湛水土壌中での生育状態につ
いても正確に解析することができる。

【００２２】ＲＦ発受信装置を空心部に配置した状態
で、試料搬送装置により試料ホルダを空心部に搬送して
解析を行うようにすると、チューニングおよびシミング
を１回だけ行えばよく、その後は単に試料交換をするだ
けでＭＲ画像を得ることができる。

【００２３】また試料ホルダに複数の試料セルを搭載し
て解析を行うようにすると、異なる試料について同時に
ＭＲ画像およびスペクトルを得て比較解析することが可
能になる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、試料セルの内部に非浸
透性の非磁性体粒子からなる人工土壌を充填して植物試
料を生育させた状態でＭＲ画像およびスペクトルを得る
ようにしたので、土壌中特に湛水土壌中において植物を
生育させた状態で、自由水の影響を少なくして鮮明なＭ
Ｒ画像およびスペクトルを得ることができ、これにより
発芽、伸長等の生育状態を解析することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は実施例の生育状態解析装置
を示す分解斜視図、図２はその垂直断面図、図３は試料
セルの垂直断面図である。

【００２６】図１において、１は生育状態解析装置で、
円筒状の磁場形成装置２内に形成された空心部３に、Ｒ
Ｆ発受信装置４およびこれに固定された試料搬送装置５
を搭載したクレードル６が搬入、搬出可能とされてお
り、試料搬送装置５には試料セル７を搭載した試料ホル
ダ８が搬入、搬出可能とされている。

【００２７】磁場形成装置２は超伝導マグネットからな
る横型空心円筒状の静磁場コイル２ａの内周部に同心円
状の傾斜磁場コイル２ｂが一体化されて支持台９上に支
持され、中央部にクレードル６の外径に対応した内径を
有する空心部３が形成されている。

【００２８】ＲＦ発受信装置４は空心部１１を有する短
い円筒状に形成され、その内部にトリマーコンデンサ、
チップコンデンサ等のコンデンサおよびＲＦコイルを内
蔵しており、その一端からチューニング棒１２が磁場形
成装置２外に突出している。磁場形成装置２およびＲＦ
発受信装置４はＭＲＩ装置を構成し、コンピュータによ
り制御されてＭＲ画像およびスペクトルを形成するよう
に構成されているが、詳細な図示は省略されている。

【００２９】クレードル６は傾斜磁場コイル２ｂの内径
にほぼ相当する外径を有する円筒を軸方向に分割した部
分円筒状に形成され、その内周側に突出する取付部材１
３に、止具１４によりＲＦ発受信装置４が固定されてい
る。クレードル６の外周部には、フッ素樹脂（テフロ
ン）等の低摩擦性材料からなる滑材１５が貼付けられて
いる。またクレードル６の一端部にはロックピン１６が
設けられていて、クレードル６を傾斜コイル２ｂに固定
して位置決めするようにされている。他端部には支持部
材１７が内周側に突出し、先端に緩衝材１８が取付けら
れている。

【００３０】試料搬送装置５は、長尺円筒からなるガイ
ド筒２１の一端部側の外周部から１対のスペーサ２２が
突出しており、その先端に設けられた緩衝材２３がＲＦ
発受信装置４の円周部に密着するとともに、ガイド筒２
１の他端部側が緩衝材１８を介して支持部材１７に支持
されることによりガイド筒２１がＲＦ発受信装置４の空
心部１１に固着されるようになっている。ガイド筒２１
の空心部２４には試料ホルダ８がスライドするようにさ
れており、これを案内するための丸棒状のガイドレール
２５がガイド筒２１の底部に設けられている。

【００３１】試料ホルダ８はガイド筒２１の内径にほぼ
等しい外径を有する円柱を軸方向にほぼ半切した形状の
ブロックからなり、円弧状の底部にガイドレール２５に
係合するガイド溝２６を有し、平面状の上部から底部側
に試料セル７を搭載するための円形穴からなる試料セル
受け２７が複数個形成されている。試料ホルダ８の一端
側には操作棒２８が取付けられている。２９はその反対
側に相当する位置のガイド筒２１に設けられたストッパ
である。

【００３２】試料セル７は試料セル受け２７に挿着され
る大きさの小型試験管状に形成されたセル本体３１およ
び蓋３２からなり、内部に非浸透性の非磁性体からなる
人工土壌３３が充填されており、植物種子等の試料３４
を生育できるように構成されている。試料セル７内に
は、生育に応じて水３５が入れられ、また蓋３２を通気
性または非通気性にして試料３４の生育が行われる。

【００３３】上記の装置による生育状態解析方法は、ま
ず図１に示すように、ＲＦ発受信装置４および試料搬送
装置５をクレードル６に固定した状態からクレードル６
を矢印ａの方向に移動させて、磁場形成装置２の空心部
３に導入する。このとき、滑材１５の低摩擦性を利用し
て傾斜磁場コイル２ｂ上をスライドさせ、ロックピン１
６により所定位置にクレードル６を固定して位置決めす
る。

【００３４】次いで図３のように非浸透性の非磁性体か
らなる人工土壌３３を充填して試料３４を埋設し、水３
５を入れ生育させた試料セル７を、図１のように、試料
ホルダ８の試料セル受け２７に保持した状態から、矢印
ａの方向に移動させて、試料搬送装置５の空心部２４に
導入する。そしてガイドレール２５にガイド溝２６を係
合させて操作棒２８を押すことにより試料ホルダ７を空
心部２４内を移動させ、ストッパ２９に当たる位置で停
止することにより、試料セル７をＲＦ発受信装置４の空
心部１１内に位置決めする。

【００３５】この状態で磁場形成装置２の静磁場コイル
２ａで静磁場を形成し、傾斜磁場コイル２ｂで傾斜磁場
を形成し、傾斜磁場コイル２ｂのシミングを行う。そし
てチューニング棒１２によりチューニングを行い、磁場
を均一化する。その後ＲＦ発受信装置４によりＲＦパル
スを発信し、ＭＲ信号を受信してＭＲ画像として再構成
することにより、試料の生育状態のＭＲ画像およびスペ
クトルを得、生育状態の解析を行う。

【００３６】上記のようなＲＦパルスをＲＦ発受信装置
から発信し、発信停止後ＭＲ信号を受信する際、一般的
な方法では試料セル内の多量の自由水がＭＲ画像に影響
を与え、鮮明なＭＲ画像およびスペクトルを得ることが
できないが、上記のように試料セル７内に非浸透性の非
磁性体からなる人工土壌３３を充填すると、水３５が投
入された場合でも人工土壌３３の粒子の内部に水が浸透
しないので、試料セル７内に保持される自由水の量は少
なくなり、このためＭＲ画像への自由水の影響は少なく
なり、鮮明な画像およびスペクトルを得ることができ
る。

【００３７】このように試料セル７内に人工土壌３３を
充填した状態で試料３４を生育させ、その状態のＭＲ画
像およびスペクトルを得ることができるので、土壌中に
おける出芽、伸長等の生育状態を解析することができ
る。このとき人工土壌３３とともに水３５を充満させて
も正確な画像を得ることができるので、水稲の種子など
について、湛水土壌中での生育状態についても正確に解
析することができ、出芽性の診断その他の解析を行うこ
とができる。

【００３８】上記の装置ではＲＦ発受信装置４を空心部
に配置した状態で、試料搬送装置５により試料ホルダ８
を空心部１１に搬送して解析を行うので、チューニング
およびシミングを１回だけ行えばよく、その後は単に試
料交換するだけで、続けてＭＲ画像を得ることができ
る。また試料ホルダ８に複数の試料セル７を搭載して解
析を行えるので、異なる試料について同時にＭＲ画像お
よびスペクトルを得て比較解析することが可能になる。

【００３９】次に試験例について説明する。人工土壌と
して粒径０．５ｍｍのジルコニアを試料セルに充填して
水を張り、イネ種子（品種：コシヒカリ）を図３に示す
ように入れて出芽試験を行い、５日後の生育状態を解析
した（実施例１）。

【００４０】比較例として、土壌（黒ボク）を充填した
場合（比較例１）、ならびに水のみを張った場合（比較
例２）について、各試料セルを並べてスピンエコー法に
より解析を行い得たＭＲ画像およびスペクトルを図４に
示す。

【００４１】図４は右から実施例１，比較例１，２の順
番で並べたＭＲ画像、および縦軸が２．３ｃｍのスライ
ス面のプロトンスペクトル強度を示し、Ａは実施例１の
スペクトルで発芽種子のプロトンのスペクトルが鮮明に
現われているのがわかる。これに対しＢ、Ｃはそれぞれ
比較例１、２のスペクトルで、それぞれ土壌または水が
影響して種子のスペクトルが鮮明に得られないことがわ
かる。

【００４２】以上の通り上記の装置は、試料セルの内部
に非浸透性の非磁性体粒子からなる人工土壌を充填して
植物試料を生育させた状態でＭＲ画像およびスペクトル
を得るようにしたので、土壌中特に湛水土壌中において
植物を生育させた状態で、自由水の影響を少なくして鮮
明なＭＲ画像およびスペクトルを得ることができ、これ
により発芽、伸長等の生育状態を解析することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の生育状態解析装置の分解斜視図であ
る。

【図２】図１の垂直断面図である。

【図３】試料セルの垂直断面図である。

【図４】試験例の結果を示すＭＲ画像およびスペクトル
図である。

【符号の説明】

１ 生育状態解析装置 ２ 磁場形成装置 ２ａ 静磁場コイル ２ｂ 傾斜磁場コイル ３、１１、２４ 空心部 ４ ＲＦ発受信装置 ５ 試料搬送装置 ６ クレードル ７ 試料セル ８ 試料ホルダ ９ 支持台 １２ チューニング棒 １３ 取付部材 １４ 止具 １５ 滑材 １６ ロックピン １７ 支持部材 １８、２３ 緩衝材 ２１ ガイド筒 ２２ スペーサ ２５ ガイドレール ２６ ガイド溝 ２７ 試料セル受け ２８ 操作棒 ２９ ストッパ ３１ セル本体 ３２ 蓋 ３３ 人工土壌 ３４ 試料 ３５ 水

フロントページの続き (72)発明者 小柳 敦史 茨城県つくば市吾妻２−１−２−713− 101 (56)参考文献 特開 平９−5317（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 24/00 - 24/12 G01R 33/20 - 33/64 A61B 5/055

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空心部に静磁場および傾斜磁場を形成す
   る磁場形成装置と、 内部に非浸透性の非磁性体粒子からなる人工土壌を充填
   して植物試料を生育させる試料セルと、 試料セルを前記空心部に配置する試料ホルダと、 前記試料セルにＲＦパルスを発信し、磁気共鳴信号を受
   信するように空心部に配置されるＲＦ発受信装置とを備
   えていることを特徴とする生育状態解析装置。
2. 【請求項２】 ＲＦ発受信器を空心部に配置した状態
   で、試料セルを搭載した試料ホルダを空心部の測定位置
   に搬送する試料搬送装置を有する請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 試料ホルダは複数の試料セルを搭載でき
   るようにされた請求項１または２記載の装置。
4. 【請求項４】 内部に非浸透性の非磁性体粒子からなる
   人工土壌を充填して植物試料を生育させた試料セルを試
   料ホルダに搭載して磁場形成装置の空心部に配置し、 磁場形成装置により静磁場および傾斜磁場を形成し、 ＲＦ発受信装置から試料セルにＲＦパルスを発信して、
   磁気共鳴信号を受信し、 これによりＭＲ画像およびスペクトルを得て、試料の生
   育状態を解析することを特徴とする生育状態解析方法。
5. 【請求項５】 ＲＦ発受信装置を空心部に配置した状態
   で、試料搬送装置により試料ホルダを空心部に搬送して
   解析を行うようにした請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 試料ホルダに複数の試料セルを搭載して
   解析を行うようにした請求項４または５記載の方法。