專利名稱：一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核磁共振成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
根系是作物從土壤等生長(zhǎng)介質(zhì)中獲取水分和養(yǎng)分的主要器官，根系對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有著至關(guān)重要的影響。由于生長(zhǎng)介質(zhì)中各種養(yǎng)分和水分的不均勻分布，根系三維構(gòu)型直接影響到作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收與利用能力。已有研究表明，根系三維構(gòu)型對(duì)于一些移動(dòng)性差的養(yǎng)分如磷等的吸收具有重要的影響。因此研究根系的三維構(gòu)型具有重要的意義。
然而，由于根系生長(zhǎng)在土壤中，而土壤是非透明介質(zhì)，肉眼無法直接觀測(cè)，使得對(duì)根系的研究比較困難。傳統(tǒng)的根系研究方法大都需要對(duì)根系離土取樣，不可避免的對(duì)根系造成了損傷和破壞，且操作過程比較繁瑣，對(duì)同一株根系無法重復(fù)多次試驗(yàn)。比如使用挖掘法研究根系，一般先判斷作物的根系的大致生長(zhǎng)范圍后，然后對(duì)其直接進(jìn)行挖掘，而后實(shí)施沖洗和根系參數(shù)測(cè)量。地下根室法是根系研究的另一種方法，可以在不破壞根系的情況下對(duì)根系的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行連續(xù)的觀察。但是地下根室法的成本非常高，對(duì)作物根系特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且由于觀測(cè)角度有限，難以全面獲取根系構(gòu)型特征。因此，無法滿足現(xiàn)代根系生物學(xué)的研究需求。X射線計(jì)算機(jī)層析成像和核磁共振成像等技術(shù)的發(fā)展，為作物根系的研究提供了新的思路和方法。核磁共振技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)作物根系的原位無損檢測(cè)，能對(duì)同一株作物根系進(jìn)行反復(fù)多次的測(cè)量研究，完全滿足根系生物學(xué)研究的需要，同時(shí)，與X射線計(jì)算機(jī)層析成像相比，核磁共振成像在成像速度、二維圖像最小分辨率等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。由于核磁共振設(shè)備大都是針對(duì)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的，所以利用核磁共振成像技術(shù)研究作物根系時(shí)，缺乏專門的適用于作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置。當(dāng)作物根系樣本直徑較小或者根系生長(zhǎng)介質(zhì)含水率較低時(shí)，根系核磁共振成像困難，獲得的作物根系斷層序列圖像效果不理想，數(shù)據(jù)損失較多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，解決了作物根系樣本直徑較小或者根系生長(zhǎng)介質(zhì)含水率較低時(shí)，根系核磁共振成像困難的問題。一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，包括外筒；嵌套在所述外筒中用于培養(yǎng)待測(cè)作物的內(nèi)筒，內(nèi)筒側(cè)壁和外筒之間形成用于盛水的環(huán)形空間區(qū)域；
用于封閉所述環(huán)形空間區(qū)域的頂部開口的環(huán)形密封蓋，該環(huán)形密封蓋上設(shè)有注水孔。本發(fā)明通過設(shè)置外筒和與其嵌套的內(nèi)筒，形成環(huán)形空間區(qū)域，并用環(huán)形密封蓋封閉。使用時(shí)在內(nèi)筒中培養(yǎng)作物，而后將內(nèi)筒嵌套在外筒中，并用環(huán)形密封蓋封閉環(huán)形空間區(qū)域，通過注水孔向環(huán)形空間內(nèi)注入水，內(nèi)外筒之間形成環(huán)形水袋。由于核磁共振成像是一種在特殊磁場(chǎng)條件下，以射頻脈沖激發(fā)測(cè)試對(duì)象內(nèi)具有自旋特征的氫原子核，從而引起其氫原子核的共振并吸收能量，在停止射頻脈沖后，氫原子核按照特定的頻率釋放出所吸收的能量(即核磁共振信號(hào))，該信號(hào)被接收器收錄，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理就獲得了核磁共振圖像，由此可知，氫原子核的含量與核磁共振成像清晰度之間有密切的關(guān)系，故環(huán)形水袋的形成可以提高根系核磁共振成像信號(hào)的強(qiáng)度，從而獲得清晰的根系成像信號(hào)。作為優(yōu)選，所述外筒和內(nèi)筒為同軸布置的圓筒，在所述內(nèi)筒的底部設(shè)有根系通氣孔。 同軸布置的外筒和內(nèi)筒形成的環(huán)形空間區(qū)域厚度相同，注入水后，環(huán)形水袋對(duì)根系的作用均一一致，有利于根系全方位的清晰成像。另外，設(shè)置的根系通氣孔可以使作物的根系健康生長(zhǎng)，在進(jìn)行核磁共振成像時(shí)，需要將根系通氣孔密封，防止環(huán)形水袋中的水被吸入到內(nèi)筒中。由于作物根系的類型、組成成分以及分布范圍等均存在差異，故應(yīng)根據(jù)具體的作物來決定內(nèi)筒和外筒的直徑以及環(huán)形空間區(qū)域的厚度，所述作物為玉米時(shí)，所述環(huán)形空間區(qū)域的厚度為0. 5 1cm。作為優(yōu)選，所述內(nèi)筒和外筒的材料為聚乙烯塑料。當(dāng)然也可以采用其他塑料制品，但應(yīng)避免鐵、銅等順磁性物質(zhì)的存在影響核磁共振成像的清晰度。為了將內(nèi)筒與外筒之間固定，所述內(nèi)筒通過支架卡定在外筒中，所述根系通氣孔位于所述內(nèi)筒的底面，將根系通氣孔設(shè)置在內(nèi)筒的底面，有利于培養(yǎng)過程中根系的透氣和多余水分的排出。根系生長(zhǎng)介質(zhì)含水率較低時(shí)，不利于根系的核磁共振成像，為了盡量避免水分的蒸發(fā)，所述內(nèi)筒的頂口帶有內(nèi)筒密封蓋，該內(nèi)筒密封蓋帶有用于避讓待測(cè)作物的生長(zhǎng)孔。作為優(yōu)選，所述生長(zhǎng)孔位于內(nèi)筒密封蓋的中部。作物的根系可以盡可能均衡的自然生長(zhǎng)。所述外筒上固定有用于對(duì)待測(cè)作物樣本進(jìn)行定位的位置標(biāo)定柱。位置標(biāo)定柱可以對(duì)被測(cè)樣本進(jìn)行定位，使得每次核磁共振成像測(cè)試時(shí)，被測(cè)試樣本在磁共振線圈中均處于同一測(cè)試角度和位置，便于對(duì)多次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，從而研究根系的生長(zhǎng)變化過程。本發(fā)明還提供了一種利用所述用于作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置進(jìn)行作物根系核磁共振試驗(yàn)的方法，包括在內(nèi)筒中裝入生長(zhǎng)介質(zhì)；將作物種植在生長(zhǎng)介質(zhì)中進(jìn)行培養(yǎng)；培養(yǎng)結(jié)束后，將內(nèi)筒植入外筒中，用密封蓋密封；從注水孔向所述的環(huán)形空間內(nèi)注水，進(jìn)行根系核磁共振成像。所述生長(zhǎng)介質(zhì)是為作物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的普通土壤，包含氮、磷、鉀等肥料，以及少量的鈣、硼等微量元素。
所述作物為玉米。顯然的，所述作物不僅限于玉米，也可以水稻、小麥等其他作物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為(I)本發(fā)明通過內(nèi)外筒之間的環(huán)形水袋作用，增強(qiáng)了作物根系的成像信號(hào)，獲取到了清晰的根系成像信號(hào)，很好的解決了核磁共振研究作物根系樣本直徑較小或者根系生長(zhǎng)介質(zhì)含水率較低時(shí)，根系斷層序列核磁共振成像效果不理想的問題。(2)由于采用內(nèi)筒、外筒之間相結(jié)合和配套使用的工作方式，本發(fā)明把作物根系的培養(yǎng)過程和測(cè)量過程融為一體，作物根系在內(nèi)筒中培養(yǎng)，而后內(nèi)筒植入到外筒中進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后內(nèi)外筒分離，內(nèi)筒中的作物可以繼續(xù)培養(yǎng)，并不影響作物正常的生長(zhǎng)和發(fā)育，可以重復(fù)多次的對(duì)同一株作物根系進(jìn)行長(zhǎng)期的核磁共振試驗(yàn)。


圖I為本發(fā)明作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例玉米根系核磁共振圖像；其中，I、外筒；2、內(nèi)筒；3、注水孔；4、生長(zhǎng)孔；5、環(huán)形密封蓋；6、內(nèi)筒密封蓋；7、支架；8、位置標(biāo)定柱；9、根系通氣孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡釋。實(shí)施例I 一種核磁共振研究作物根系的測(cè)量裝置如圖I所示，本發(fā)明核磁共振研究作物根系的測(cè)量裝置，包括外筒I ;嵌套在所述外筒I中用于培養(yǎng)待測(cè)作物的內(nèi)筒2，內(nèi)筒2側(cè)壁和外筒I之間形成用于盛水的環(huán)形空間區(qū)域；用于封閉所述環(huán)形空間區(qū)域的環(huán)形密封蓋5，該環(huán)形密封蓋5上設(shè)有注水孔3。其中，內(nèi)筒2通過支架7懸置在外筒I中，且與外筒I同軸布置，內(nèi)筒2的頂口帶有內(nèi)筒密封蓋6，該內(nèi)筒密封蓋6帶有用于避讓待測(cè)作物的生長(zhǎng)孔4。內(nèi)筒2的底面設(shè)置有根系通氣孔9。外筒I上固定有用于對(duì)待測(cè)作物樣本進(jìn)行定位的位置標(biāo)定柱8。實(shí)施例2玉米根系的核磁共振試驗(yàn)玉米根系的核磁共振試驗(yàn)中使用實(shí)施例I中的測(cè)量裝置，具體試驗(yàn)步驟如下(I)取普通壤土裝入到測(cè)量裝置的內(nèi)筒2中，蓋好內(nèi)筒密封蓋6。(2)通過內(nèi)筒密封蓋6的生長(zhǎng)孔4，將已發(fā)芽的玉米種子植入到普通壤土中，向普通壤土加入玉米生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)液(含氮、磷、鉀以及少量的微量元素)，而后將內(nèi)筒2放置到作物培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。(3)待玉米生長(zhǎng)至兩到三周后，把內(nèi)筒2從作物培養(yǎng)箱中取出，密封住根系通氣孔9，將內(nèi)筒2放入到外筒I內(nèi)的支架7上，用環(huán)形密封蓋5將內(nèi)筒2與外筒I之間的環(huán)形空間區(qū)域封閉。(4)通過環(huán)形密封蓋5上面的注水孔3，將蒸餾水注入到內(nèi)、外筒之間的環(huán)形空間區(qū)域。
(5)將整個(gè)測(cè)量裝置放入到西門子I. 5T核磁共振成像儀中成像，采用T2加權(quán)成像方式對(duì)根系進(jìn)行核磁共振成像，測(cè)試參數(shù)設(shè)置為重復(fù)時(shí)間(TR)4400ms，回波時(shí)間(TE) 28ms ;層厚 / 層距(Thk/sp) 2mm/1. 5mm ;視野(FOV) 20cmX20cm ;采集次數(shù)(NAQ) 2 次。由圖3可見，本發(fā)明獲取了清晰的玉米根系核磁共振圖像。 上述具體實(shí)施方式
僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，包括 外筒⑴； 嵌套在所述外筒(I)中用于培養(yǎng)待測(cè)作物的內(nèi)筒(2)，內(nèi)筒(2)側(cè)壁和外筒(I)之間形成用于盛水的環(huán)形空間區(qū)域； 用于封閉所述環(huán)形空間區(qū)域的頂部開口的環(huán)形密封蓋(5)，該環(huán)形密封蓋(5)上設(shè)有注水孔⑶。
2.如權(quán)利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述外筒(I)和內(nèi)筒⑵為同軸布置的圓筒，在所述內(nèi)筒⑵的底部設(shè)有根系通氣孔(9)。
3.如權(quán)利要求2所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述內(nèi)筒通過支架(7)卡定在外筒(I)中，所述根系通氣孔(9)位于所述內(nèi)筒(2)的底面。
4.如權(quán)利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述內(nèi)筒(2)的頂口帶有內(nèi)筒密封蓋￠)，該內(nèi)筒密封蓋(6)帶有用于避讓待測(cè)作物樣本的生長(zhǎng)孔(4)。
5.如權(quán)利要求4所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述生長(zhǎng)孔(4)位于內(nèi)筒密封蓋(6)的中部。
6.如權(quán)利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述外筒(I)上固定有用于對(duì)待測(cè)作物樣本進(jìn)行定位的位置標(biāo)定柱(8)。
7.如權(quán)利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置，其特征在于，所述作物為玉米時(shí)，所述環(huán)形空間區(qū)域的厚度為O. 5 1cm。
8.一種利用如權(quán)利要求I 7任一項(xiàng)所述的作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置進(jìn)行作物根系核磁共振研究的方法，其特征在于，包括 在內(nèi)筒中裝入生長(zhǎng)介質(zhì)； 將作物種植在生長(zhǎng)介質(zhì)中進(jìn)行培養(yǎng)； 培養(yǎng)結(jié)束后，將內(nèi)筒植入到外筒中，用密封蓋密封； 從注水孔向所述的環(huán)形空間內(nèi)注水，進(jìn)行根系核磁共振成像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種作物根系核磁共振研究的測(cè)量裝置及方法，所述測(cè)量裝置，包括外筒；嵌套在所述外筒中用于培養(yǎng)待測(cè)作物的內(nèi)筒，內(nèi)筒側(cè)壁和外筒之間形成用于盛水的環(huán)形空間區(qū)域；用于封閉所述環(huán)形空間區(qū)域的是環(huán)形密封蓋，該環(huán)形密封蓋上設(shè)有注水孔。本發(fā)明很好的解決了核磁共振研究作物根系樣本直徑較小或者根系生長(zhǎng)介質(zhì)含水率較低時(shí)，根系斷層序列核磁共振成像效果不理想的問題，且不影響作物正常的生長(zhǎng)和發(fā)育，可以重復(fù)多次的對(duì)同一株作物根系進(jìn)行長(zhǎng)期的核磁共振試驗(yàn)。
文檔編號(hào)G01B15/04GK102967617SQ20121048659
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者何勇, 張建鋒, 王南飛, 劉飛, 龔向陽 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)