專利名稱：一種作物根系核磁共振研究的測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬于核磁共振成像技術領域，涉及一種作物根系核磁共振研究的測量裝置及方法。
背景技術：
根系是作物從土壤等生長介質中獲取水分和養分的主要器官，根系對作物的生長發育有著至關重要的影響。由于生長介質中各種養分和水分的不均勻分布，根系三維構型直接影響到作物對養分和水分的吸收與利用能力。已有研究表明，根系三維構型對于一些移動性差的養分如磷等的吸收具有重要的影響。因此研究根系的三維構型具有重要的意義。
然而，由于根系生長在土壤中，而土壤是非透明介質，肉眼無法直接觀測，使得對根系的研究比較困難。傳統的根系研究方法大都需要對根系離土取樣，不可避免的對根系造成了損傷和破壞，且操作過程比較繁瑣，對同一株根系無法重復多次試驗。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范圍后，然后對其直接進行挖掘，而后實施沖洗和根系參數測量。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根系的生長狀況進行連續的觀察。但是地下根室法的成本非常高，對作物根系特征進行統計時比較費時費力，而且由于觀測角度有限，難以全面獲取根系構型特征。因此，無法滿足現代根系生物學的研究需求。X射線計算機層析成像和核磁共振成像等技術的發展，為作物根系的研究提供了新的思路和方法。核磁共振技術是一種先進的非接觸式測量技術，可以實現作物根系的原位無損檢測，能對同一株作物根系進行反復多次的測量研究，完全滿足根系生物學研究的需要，同時，與X射線計算機層析成像相比，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勢。由于核磁共振設備大都是針對醫學研究領域的，所以利用核磁共振成像技術研究作物根系時，缺乏專門的適用于作物根系核磁共振研究的測量裝置。當作物根系樣本直徑較小或者根系生長介質含水率較低時，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，數據損失較多。
發明內容
本發明提供了一種作物根系核磁共振研究的測量裝置，解決了作物根系樣本直徑較小或者根系生長介質含水率較低時，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量裝置，包括外筒；嵌套在所述外筒中用于培養待測作物的內筒，內筒側壁和外筒之間形成用于盛水的環形空間區域；
用于封閉所述環形空間區域的頂部開口的環形密封蓋，該環形密封蓋上設有注水孔。本發明通過設置外筒和與其嵌套的內筒，形成環形空間區域，并用環形密封蓋封閉。使用時在內筒中培養作物，而后將內筒嵌套在外筒中，并用環形密封蓋封閉環形空間區域，通過注水孔向環形空間內注入水，內外筒之間形成環形水袋。由于核磁共振成像是一種在特殊磁場條件下，以射頻脈沖激發測試對象內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)，該信號被接收器收錄，經計算機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系，故環形水袋的形成可以提高根系核磁共振成像信號的強度，從而獲得清晰的根系成像信號。作為優選，所述外筒和內筒為同軸布置的圓筒，在所述內筒的底部設有根系通氣孔。 同軸布置的外筒和內筒形成的環形空間區域厚度相同，注入水后，環形水袋對根系的作用均一一致，有利于根系全方位的清晰成像。另外，設置的根系通氣孔可以使作物的根系健康生長，在進行核磁共振成像時，需要將根系通氣孔密封，防止環形水袋中的水被吸入到內筒中。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，故應根據具體的作物來決定內筒和外筒的直徑以及環形空間區域的厚度，所述作物為玉米時，所述環形空間區域的厚度為0. 5 1cm。作為優選，所述內筒和外筒的材料為聚乙烯塑料。當然也可以采用其他塑料制品，但應避免鐵、銅等順磁性物質的存在影響核磁共振成像的清晰度。為了將內筒與外筒之間固定，所述內筒通過支架卡定在外筒中，所述根系通氣孔位于所述內筒的底面，將根系通氣孔設置在內筒的底面，有利于培養過程中根系的透氣和多余水分的排出。根系生長介質含水率較低時，不利于根系的核磁共振成像，為了盡量避免水分的蒸發，所述內筒的頂口帶有內筒密封蓋，該內筒密封蓋帶有用于避讓待測作物的生長孔。作為優選，所述生長孔位于內筒密封蓋的中部。作物的根系可以盡可能均衡的自然生長。所述外筒上固定有用于對待測作物樣本進行定位的位置標定柱。位置標定柱可以對被測樣本進行定位，使得每次核磁共振成像測試時，被測試樣本在磁共振線圈中均處于同一測試角度和位置，便于對多次試驗結果進行比較，從而研究根系的生長變化過程。本發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量裝置進行作物根系核磁共振試驗的方法，包括在內筒中裝入生長介質；將作物種植在生長介質中進行培養；培養結束后，將內筒植入外筒中，用密封蓋密封；從注水孔向所述的環形空間內注水，進行根系核磁共振成像。所述生長介質是為作物生長提供營養物質的普通土壤，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。與現有技術相比，本發明的有益效果為(I)本發明通過內外筒之間的環形水袋作用，增強了作物根系的成像信號，獲取到了清晰的根系成像信號，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介質含水率較低時，根系斷層序列核磁共振成像效果不理想的問題。(2)由于采用內筒、外筒之間相結合和配套使用的工作方式，本發明把作物根系的培養過程和測量過程融為一體，作物根系在內筒中培養，而后內筒植入到外筒中進行核磁共振試驗，試驗結束后內外筒分離，內筒中的作物可以繼續培養，并不影響作物正常的生長和發育，可以重復多次的對同一株作物根系進行長期的核磁共振試驗。
圖I為本發明作物根系核磁共振研究的測量裝置的結構示意圖；圖2為圖I中內筒的結構示意圖；圖3為本發明一個實施例玉米根系核磁共振圖像；其中，I、外筒；2、內筒；3、注水孔；4、生長孔；5、環形密封蓋；6、內筒密封蓋；7、支架；8、位置標定柱；9、根系通氣孔。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步闡釋。實施例I 一種核磁共振研究作物根系的測量裝置如圖I所示，本發明核磁共振研究作物根系的測量裝置，包括外筒I ;嵌套在所述外筒I中用于培養待測作物的內筒2，內筒2側壁和外筒I之間形成用于盛水的環形空間區域；用于封閉所述環形空間區域的環形密封蓋5，該環形密封蓋5上設有注水孔3。其中，內筒2通過支架7懸置在外筒I中，且與外筒I同軸布置，內筒2的頂口帶有內筒密封蓋6，該內筒密封蓋6帶有用于避讓待測作物的生長孔4。內筒2的底面設置有根系通氣孔9。外筒I上固定有用于對待測作物樣本進行定位的位置標定柱8。實施例2玉米根系的核磁共振試驗玉米根系的核磁共振試驗中使用實施例I中的測量裝置，具體試驗步驟如下(I)取普通壤土裝入到測量裝置的內筒2中，蓋好內筒密封蓋6。(2)通過內筒密封蓋6的生長孔4，將已發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所需的營養液(含氮、磷、鉀以及少量的微量元素)，而后將內筒2放置到作物培養箱中進行培養。(3)待玉米生長至兩到三周后，把內筒2從作物培養箱中取出，密封住根系通氣孔9，將內筒2放入到外筒I內的支架7上，用環形密封蓋5將內筒2與外筒I之間的環形空間區域封閉。(4)通過環形密封蓋5上面的注水孔3，將蒸餾水注入到內、外筒之間的環形空間區域。
(5)將整個測量裝置放入到西門子I. 5T核磁共振成像儀中成像，采用T2加權成像方式對根系進行核磁共振成像，測試參數設置為重復時間(TR)4400ms，回波時間(TE) 28ms ;層厚 / 層距(Thk/sp) 2mm/1. 5mm ;視野(FOV) 20cmX20cm ;采集次數(NAQ) 2 次。由圖3可見，本發明獲取了清晰的玉米根系核磁共振圖像。 上述具體實施方式
僅為本發明的具體實施例，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，包括 外筒⑴； 嵌套在所述外筒(I)中用于培養待測作物的內筒(2)，內筒(2)側壁和外筒(I)之間形成用于盛水的環形空間區域； 用于封閉所述環形空間區域的頂部開口的環形密封蓋(5)，該環形密封蓋(5)上設有注水孔⑶。
2.如權利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述外筒(I)和內筒⑵為同軸布置的圓筒，在所述內筒⑵的底部設有根系通氣孔(9)。
3.如權利要求2所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述內筒通過支架(7)卡定在外筒(I)中，所述根系通氣孔(9)位于所述內筒(2)的底面。
4.如權利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述內筒(2)的頂口帶有內筒密封蓋￠)，該內筒密封蓋(6)帶有用于避讓待測作物樣本的生長孔(4)。
5.如權利要求4所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述生長孔(4)位于內筒密封蓋(6)的中部。
6.如權利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述外筒(I)上固定有用于對待測作物樣本進行定位的位置標定柱(8)。
7.如權利要求I所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置，其特征在于，所述作物為玉米時，所述環形空間區域的厚度為O. 5 1cm。
8.一種利用如權利要求I 7任一項所述的作物根系核磁共振研究的測量裝置進行作物根系核磁共振研究的方法，其特征在于，包括 在內筒中裝入生長介質； 將作物種植在生長介質中進行培養； 培養結束后，將內筒植入到外筒中，用密封蓋密封； 從注水孔向所述的環形空間內注水，進行根系核磁共振成像。
全文摘要
本發明公開了一種作物根系核磁共振研究的測量裝置及方法，所述測量裝置，包括外筒；嵌套在所述外筒中用于培養待測作物的內筒，內筒側壁和外筒之間形成用于盛水的環形空間區域；用于封閉所述環形空間區域的是環形密封蓋，該環形密封蓋上設有注水孔。本發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介質含水率較低時，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和發育，可以重復多次的對同一株作物根系進行長期的核磁共振試驗。
文檔編號G01B15/04GK102967617SQ20121048659
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者何勇, 張建鋒, 王南飛, 劉飛, 龔向陽 申請人:浙江大學