本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置及方法。

背景技術(shù)：

根系是作物從生長(zhǎng)介質(zhì)中獲取各種養(yǎng)分和水分的重要器官，由于作物生長(zhǎng)介質(zhì)中各種養(yǎng)分和水分的分布通常是非常均勻的，作物對(duì)各種養(yǎng)分和水分的吸收取決于根系的空間分布情況，如玉米、油菜等作物，其根部空間狀況能有效反映其水分養(yǎng)分信息。而作物根系大都生長(zhǎng)在土壤里，土壤又是非透明介質(zhì)，這對(duì)作物根系的研究造成了困難。傳統(tǒng)的根系研究方法包括挖掘法、土鉆法、根室法、微根管法和同位素法等，大多具有破壞性，會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)一定的影響。

核磁共振成像通過(guò)對(duì)靜磁場(chǎng)中的物體施加某種特定頻率的射頻脈沖，使物體中的氫質(zhì)子受到激勵(lì)而發(fā)生磁共振現(xiàn)象。停止脈沖后，質(zhì)子在弛豫過(guò)程中產(chǎn)生mr信號(hào)。通過(guò)對(duì)mr信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、空間編碼和圖像重建等處理，可以對(duì)物體的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建。研究發(fā)現(xiàn)，水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取作物根系水分子分布的信息，從而精確繪制土壤中作物根系結(jié)構(gòu)。因此，利用核磁共振成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物根系的快速無(wú)損三維重建，對(duì)作物根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收利用提供有效參考。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種利用核磁共振成像技術(shù)對(duì)作物根系進(jìn)行快速無(wú)損三維重建裝置及方法，以彌補(bǔ)已有技術(shù)的不足。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：傳統(tǒng)的根系研究方法不僅具有破壞性，而且操作繁雜、效率低，難以對(duì)作物根部進(jìn)行大規(guī)模的連續(xù)檢測(cè)。經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間地分析研究認(rèn)為核磁共振成像技術(shù)能很好地解決上述問(wèn)題，因而有必要設(shè)計(jì)出一種基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置及方法。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置，包括核磁共振成像裝置；

所述的核磁共振成像裝置包括裝置主體，所述裝置主體內(nèi)設(shè)有垂直升降的升降臺(tái)以及與所述升降臺(tái)同步移動(dòng)的射頻線圈和信號(hào)接收器；

安裝與所述裝置主體的底部和頂部分別連接的輸入傳送帶和輸出傳動(dòng)帶；

并設(shè)有一機(jī)械臂，用于將作物樣品放置在所述輸入傳送帶上和抓取輸出傳動(dòng)帶上的作物樣品；

還包括一計(jì)算機(jī)，接受所述信號(hào)接收器輸出的數(shù)據(jù)，并生成作物根部三維重建圖像。

其中，所述裝置主體內(nèi)設(shè)有主磁體，為整個(gè)核磁共振成像裝置提供外磁場(chǎng)。

作為優(yōu)選的，所述裝置主體包含補(bǔ)償線圈，用以平衡因主磁體磁場(chǎng)不均所帶來(lái)的誤差。

作為優(yōu)選的，所述裝置主體包含梯度線圈，用于產(chǎn)生均勻的梯度磁場(chǎng)。

作為優(yōu)選的，所述的射頻線圈與一射頻發(fā)射器相連，用于能量激發(fā)，使原子核由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。

作為優(yōu)選的，所述的計(jì)算機(jī)還用于標(biāo)記作物樣品的擺放位置，并控制所述的機(jī)械臂抓取。

本發(fā)明中，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程全自動(dòng)化，包括樣品的抓取、傳送帶的運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)檢測(cè)信息的可視化反饋等，均由計(jì)算機(jī)程序控制。另外，可利用計(jì)算機(jī)編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)，成像數(shù)據(jù)自動(dòng)存入計(jì)算機(jī)并進(jìn)行在線的數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)所述的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置，本發(fā)明的作物根系快速無(wú)損三維重建方法，包括：

1)以培養(yǎng)室中的作物苗為樣品，利用機(jī)械臂將作物樣品放置到輸入傳送帶上；

2)利用輸入傳送帶輸送作物樣品進(jìn)入核磁共振成像裝置的裝置主體內(nèi)；

3)作物樣品隨升降臺(tái)逐漸升高，射頻線圈隨樣品一起向上移動(dòng)，并向其發(fā)射脈沖信號(hào)，信號(hào)接收器獲取數(shù)據(jù)；

4)計(jì)算機(jī)與信號(hào)接收器相連，實(shí)時(shí)接受檢測(cè)數(shù)據(jù)并生成作物根部三維重建圖像；

5)在裝置主體的頂部，由輸出傳動(dòng)帶將作物樣品輸出，并由機(jī)械臂抓取放回培養(yǎng)室內(nèi)。

作為優(yōu)選的，所述作物樣品中培養(yǎng)土體積含水率控制在23-27％，以增強(qiáng)核磁共振成像技術(shù)的信號(hào)強(qiáng)度。

本發(fā)明采用全自動(dòng)化操作，效率高，可以快速實(shí)現(xiàn)作物根部的大規(guī)模連續(xù)檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置圖；

圖2為裝置主體工作示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

如圖1所示，本發(fā)明中的基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置包括：裝置主體1，射頻發(fā)射器2，計(jì)算機(jī)3，作物樣品4，輸出傳送帶5，機(jī)械臂6。其中，裝置主體1包括主磁體11，補(bǔ)償線圈12，信號(hào)接收器13，射頻線圈14，升降臺(tái)15，梯度線圈16和輸入傳送帶17。

機(jī)械臂6將作品樣品4抓取到輸入傳送帶17上，經(jīng)輸入傳送帶17將樣品送入裝置主體1內(nèi)。如圖2所示，裝置主體1由主磁體11、補(bǔ)償線圈12、射頻線圈14、信號(hào)接收器13、升降臺(tái)15和梯度線圈16構(gòu)成。其中，主磁體11為整個(gè)裝置提供外磁場(chǎng)，補(bǔ)償線圈12用以平衡因主磁體磁場(chǎng)不均所帶來(lái)的誤差，梯度線圈16能夠產(chǎn)生均勻的梯度磁場(chǎng)，射頻線圈14用于能量激發(fā)，使原子核由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。當(dāng)樣品進(jìn)入核磁共振成像的裝置主體1后，作物樣品4位于升降臺(tái)上并隨之逐漸升高，射頻發(fā)射器2隨樣品一起向上移動(dòng)，并向其發(fā)射脈沖信號(hào)，信號(hào)接收器在相對(duì)一側(cè)獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)3與信號(hào)接收器13相連，實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)程序處理后可即時(shí)生成作物根部三維重建圖像，根據(jù)前一樣品4檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，計(jì)算機(jī)3可自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出傳送帶5和輸入傳送帶17的速度，適時(shí)將另一樣品送入裝置主體1，作物樣品4最終由機(jī)械臂6轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)室內(nèi)。

上述基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置具體檢測(cè)方法包括以下步驟：

1)以統(tǒng)一培育的樣品中的作物苗為樣本，利用機(jī)械臂將樣品放置到傳送帶上；

2)利用輸入傳動(dòng)帶使作物樣品進(jìn)入核磁共振成像的裝置主體內(nèi)，根據(jù)前一樣品檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，可自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入傳送帶的速度；

3)當(dāng)樣品進(jìn)入裝置主體后，樣品位于升降臺(tái)上并隨之逐漸升高，射頻線圈隨樣品一起向上移動(dòng)，并向其發(fā)射脈沖信號(hào)，信號(hào)接收器獲取數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)與信號(hào)接收器相連，實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)程序處理后可即時(shí)生成作物根部狀況圖像；

5)計(jì)算機(jī)通過(guò)控制傳送帶速度，將另一樣品送入裝置主體，樣品最終由機(jī)械臂轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)室內(nèi)。

6)重復(fù)步驟1)～步驟5)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物根系的快速無(wú)損三維重建。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)一種基于核磁共振成像技術(shù)的作物根系快速無(wú)損三維重建裝置，包括核磁共振成像裝置；所述的核磁共振成像裝置包括裝置主體，所述裝置主體內(nèi)設(shè)有垂直升降的升降臺(tái)以及與所述升降臺(tái)同步移動(dòng)的射頻線圈和信號(hào)接收器；安裝與所述裝置主體的底部和頂部分別連接的輸入傳送帶和輸出傳動(dòng)帶；并設(shè)有一機(jī)械臂，用于將作物樣品放置在所述輸入傳送帶上和抓取輸出傳動(dòng)帶上的作物樣品；還包括一計(jì)算機(jī)，接受所述信號(hào)接收器輸出的數(shù)據(jù)，并生成作物根部三維重建圖像。本發(fā)明還公開(kāi)利用上述裝置實(shí)現(xiàn)的作物根系快速無(wú)損三維重建方法。本發(fā)明采用全自動(dòng)化操作，效率高，可以快速實(shí)現(xiàn)作物根部的大規(guī)模連續(xù)檢測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：何勇;朱紅艷;李異凡;鄭啟帥;林智賢;楊逸豪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.06
技術(shù)公布日：2017.09.05