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基于X射線的小麥三維精準模型的構建

2018-08-20 01:33:42惠延波馮蘭芳馬曉曉
中國糧油學報 2018年7期
關鍵詞:斷層掃描體素切片

周 穎 惠延波 馮蘭芳 閆 磊 馬曉曉

(河南工業(yè)大學,鄭州 450001 )

小麥作為我國最重要的糧食作物之一。其基本物理特性有外觀形狀、外形尺寸、密度(比重和容重)、千粒重、孔隙率、體積、表面積等,這些物理參數(shù)的獲取對評判小麥的等級,分析籽粒的發(fā)育情況,判斷儲糧的安全性都有重大的作用。糧粒在與母體植株脫離收獲后,其生命活動并未停止,即使處于休眠或干燥條件下,仍進行各種生理生化變化。如糧食的呼吸作用,呼吸氧氣氧化有機物質(zhì)并同時釋放能量的一個生理過程。糧粒的表面是糧食籽粒內(nèi)部與外界發(fā)生反應的屏障,表面積的大小可能會間接影響糧食發(fā)生生理生化反應的強弱。糧堆的孔隙度越大,糧情越容易受環(huán)境條件的影響,糧堆的溫度、濕度也容易隨外界環(huán)境的變化發(fā)生改變;糧堆的孔隙率越小,外界環(huán)境的變化對糧情產(chǎn)生的影響越小。

小麥作為顆粒體的一種,在農(nóng)業(yè)工程機械領域,如流體機械、植保機械、收獲機械、耕作與種植機械等會經(jīng)常接觸到大量的散體顆粒。對顆粒體的運動研究往往涉及顆粒碰撞,流固耦合等具體細節(jié),顆粒與農(nóng)業(yè)裝備的接觸關系和動態(tài)響應特性會直接關系到農(nóng)業(yè)裝備的工作效率和作業(yè)性能,常常需要構造模型進行離散元仿真。但由于小麥籽粒顆粒小,曲面復雜不規(guī)則,設計計算比較困難,很難準確有效的統(tǒng)計這些參數(shù)。目前體積測量常用的方法是將一定質(zhì)量的糧食放入到規(guī)定的液體中,液體增加的體積為糧食顆粒的凈體積,由于液體的密度和小麥的密度不同,得到的體積也會有差異。在構造離散元仿真模型時,通常用游標卡尺測量其長﹑短軸,再利用三維軟件畫出近似的球形或橢球形進行分析,仿真模型與實物相差較大,仿真效果也大打折扣,精準模型的構造意義重大。

圖像重構常用的方法有激光掃描、輪廓儀、顯微成像技術。激光掃描和輪廓儀雖然可以實現(xiàn)對樣件無損測量,但對于尺度小、形狀不規(guī)則的復雜樣件,往往需要多次掃描從而獲取多個點云,然后基于特征點進行手動拼接,但人工選擇特征點對精度影響很大。顯微成像技術如激光掃描共聚焦顯微鏡(CSLM)、聚離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)、原子粒顯微鏡(AFM)和核磁共振成像(MRI)等。這些成像技術對掃描的樣件尺寸小,通常是微米級,需要對樣件進行切片和化學處理,危害健康和環(huán)境,對樣件有破壞且不能給出整個內(nèi)部的三維的內(nèi)核各向異性信息。

X射線斷層掃描成像技術具有高的空間和時間分辨率、高穿透性、友好的成像環(huán)境和線性吸收等特點,在醫(yī)學、材料科學、化學、石油/地質(zhì)學、生物學、微電子產(chǎn)業(yè)、環(huán)境科學等方面都已有廣泛的應用。2003年,Nielsen等[1]利用X射線斷層掃描成像技術,研究了AL-W合金中W顆粒在壓縮載荷作用下的位移,并首次獲得了金屬材料塑性變形的位移梯度張量圖。2006年,Torrente等[2]利用X射線斷層掃描成像技術,實現(xiàn)了人體干細胞的三維可視化。2010年,Schneider等[3,4]人利用X射線成像對小鼠癌細胞進行成像實驗,以35 nm分辨率識別出細胞中的細胞核、核孔、溶酶體等亞細胞結構。2014年,Helliwell等[5]人利用X射線成像技術對土壤多孔結構的孔隙度、孔隙大小分布于連通性進行三維表征,并研究了多孔結構與微生物種群之間的關鍵關系。2016年,Sisodia等[6]人利用X射線層析成像技術評估在樹脂傳遞成型編織碳纖維復合材料的孔隙缺陷。2017年,王聲翔等[7-9]人利用X射線相位襯度成像,研究了35 μm花粉細胞的三維成像,并將花粉細胞的細胞壁、細胞核、線粒體等結構區(qū)分出來。

X射線三維顯微鏡是采用傳統(tǒng)CT技術與光學顯微技術結合,X射線斷層掃描是一種無創(chuàng)性和無損成像技術,可用于高分辨率的三維可視化和表征。當照射到物體上的X射線光子能量大于物體組成元素中電子結合能時,物體組成元素會吸收X射線光子中的能量,不同物質(zhì)不同元素對X射線的吸收不同。用X射線三維顯微測試系統(tǒng)將樣本旋轉得到一系列不同灰度的二維X切片,這一系列切片,覆蓋整個樣本,可以被渲染成一個三維的圖像,可以在不同的深度和不同方向作為一個整體或虛擬切片。然而,這項技術至今還沒在糧食科學中得到廣泛的應用,本論文主要利用X射線斷層掃描技術對小麥顆粒模型進行精準的構建,對小麥胚乳、胚芽、及果皮部分進行完整表征,準確將小麥胚乳、胚芽及果皮部分區(qū)分出來,統(tǒng)計并計算了小麥各部分體積含量和相對表面積,并對一些重要的品質(zhì)參數(shù)進行了測量。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料選用小麥為河南工業(yè)大學實驗田提供,品種為周麥26,含水率為12%。

1.2 實驗方法

本次掃描用的德國YXLON廠Y.CHEETAH型號微米X射線斷層CT,設置工作參數(shù),電壓70 kV,電流40 μA,分辨率7 μm。測試時首先將小麥籽粒用泡沫塊固定,在用雙面膠將固定好小麥籽粒的泡沫塊粘接在旋轉柱上,粘接牢固后放置旋轉臺,在旋轉臺上保持射線源和探測器不動;旋轉臺旋轉一個小角度,探測器采集一組數(shù)據(jù),直至旋轉臺轉360°,完成一次圓周的掃描,掃描時不需要人工協(xié)助機器完全自動化操作,掃描大概需要20 min,掃描完成獲得981張不同灰度的二維切片。

2 小麥籽粒的三維重建

從Y.CHEETAH X射線CT中采集從不同角度對小麥籽粒的投影成像圖,需要對其進行重建才能得到小麥籽粒的三維結構。本文對X射線斷層掃描產(chǎn)生的981張切片進行重構,部分切片如圖2所示,從切片圖中可以看出小麥籽粒不同的組織透射出來的灰度值不同,灰度值越大這一區(qū)域對X射線的吸收就越多,可以看出胚乳部分對X射線的吸收最多,灰度值大,而果皮的部分對X射線的吸收相對其他組織要少,灰度值小,亮度偏白些。圖2中直接獲取的切片噪聲也相對比較多。一般情況下斷層切片越多,圖像信息就會越多,工作量也會越大。三維重構一般要經(jīng)過圖1的流程,具體的步驟依照重構的樣件不同而考量適當?shù)脑鰷p。

圖1 圖像重構與可視化流程

圖2 小麥籽粒的二維切片圖

2.1 圖像濾波

圖像在獲取的過程中,由于人為、設備等各方面的原因,不可避免地帶有各種噪聲信號,而這些噪聲信號往往和輪廓邊界信息混在一起,故需要進行濾波處理[10]。本論文中對圖像噪聲的去除采用的是非局部均值濾波算法[11-12]。

離散噪聲圖像v=v(i)i∈I對一個像素i的估計值NLv(i),將被計算為圖像中所有像素的加權平均值。

該算法考慮了目標圖像與鄰近圖像的相關性,還考慮了與整幅圖像的像素的相關性。當前像素的估計值由圖像中與它具有相似鄰域結構的像素加權平均得到。充分利用了圖像中的冗余信息,在去噪的同時能夠最大程度地保持圖像的細節(jié)特征。通過非局部均值濾波后的切片如圖3所示,在濾除了大部分的噪聲的同時,圖像的輪廓,紋理等細節(jié)特征得到了很好的保持。

圖3 濾波處理后的二維切片圖像

2.2 圖像分割

圖像分割是三維重構過程中非常重要的一步,直接對X射線斷層掃描產(chǎn)生的切片重構,基于不同切片的灰度相差不大,不容易分辨其內(nèi)部結構。為了能夠進一步的對樣件的三維結構進行定量分析,需要對x射線圖像數(shù)據(jù)進行分割,將樣品信息和背景信息或樣品內(nèi)部的不同特征區(qū)域劃分出來。本實驗主要是將小麥可探測的組織胚乳、胚芽、果皮分割出來,展示小麥籽粒中三維組織結構的分布情況。主要是采用交互式閾值分割的方法,手動分割和灰度自動識別分割相結合的方式。

2.3 圖形渲染、三維重構與可視化

渲染主要是對不同的組織結構賦予不同的顏色,把不同的組織結構從整體中剝離出來,得到籽粒的三維可視化信息及樣品的局部細節(jié)信息,可以很直觀形象的對籽粒的三維形貌進行觀察研究。圖4為小麥籽粒分割渲染重建的圖,從圖中可以清晰的看到小麥籽粒的果毛。圖5將果皮部分透明化,可以看見藍色的組織為胚乳,綠色的組織結構為胚芽。

圖4 小麥籽粒的三維渲染圖

注:黃色果皮,藍色為胚乳,綠色為胚芽。
圖5 小麥籽粒不同組織的分割渲染圖

3 定量參數(shù)測量、計算

3.1 種皮、腹溝、果毛尺寸

小麥籽粒的981張切片經(jīng)過分割重建渲染完成后,對涉及的部位進行剖切測量可以獲取一些重要的品質(zhì)參數(shù),如種皮厚度、腹溝深度以及果毛距表皮的直線距離等。本文在測量小麥籽粒的種皮厚度和腹溝深度時,在小麥籽粒的水平方向取6個剖面,詳見圖6c。在每個面上選定一個部位進行測量,每個部位測量6次并取平均值計入表1。從表1測得的數(shù)據(jù)可以看出糧粒種皮厚度普遍在0.05~0.06 mm之間,厚度相對比較均勻;腹溝的深度多數(shù)在0.54~1.36 mm的范圍,測量的部位不同,深度變化相對較大。在測量小麥的果毛長度時,在豎直方向取6個截面,詳見圖7c,從左往右依次為切面240、260、280、300、320、340。測量方法同上,測得的數(shù)據(jù)記入表2。從表2測得數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)幾個部位果毛距種皮的直線距離在0.38~0.56 mm之間。

注:c圖從下往上依次為切片190、290、390、490、590和690。
圖6 小麥籽粒水平方向X射線視圖

圖7 小麥籽粒豎直方向X射線視圖

表1 小麥顆粒表皮、腹溝尺寸

表2 小麥果毛距表皮距離

3.2 體積與表面積

通過X射線斷層掃描成像技術對小麥籽粒的981張切片經(jīng)過分割重建渲染完成后,可以對其中的一些重要的結構參數(shù)進行定量的分析計算。重構切片的每個像素代表了體積圖像中的一個立方體體素,經(jīng)過閾值分割后的三維數(shù)據(jù)每個組織結構所占的體素數(shù)量都是已知的,目標體積可以通過公式獲取。

V=S×N

式中:S為每個體素體積;N為體素的數(shù)量。

計算結果如表3所示,從表3可以得知胚乳的體積為18.3 mm3,占小麥籽粒體積百分比最高達到85.15%;胚芽部分的體積為0.364 mm3,占總體積的1.69%;果皮部分的體積為2.83 mm3,占總體積的13.16%。

表面積的計算:首先求出樣品的表面體素,每個立方體體素有6個相鄰的體素,如果某個體素的相鄰體素有背景體素,這個體素與背景體素的交界面就是樣品的表面,通過對所有的交界面數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算,就可以得到樣品的表面積。從表3 可以看出果皮部分的表面積最大,達到171 mm2,而胚芽部分的表面積最小為6.39 mm2。

表3 小麥顆粒三維結構參數(shù)

4 結論

糧食顆粒屬于散粒體,且形狀屬于多維的不規(guī)則體,通過X射線斷層掃描技術對小麥籽粒成像實驗的研究,雖取得了一定的成果,完成了小麥籽粒模型的三維重構和定量參數(shù)的獲取。但這些參數(shù)與糧情的關系,有待后面實驗在進行驗證。同時也證實了X射線斷層掃描成像技術在糧食科學發(fā)展中的潛在應用價值,這將勢必會對糧食科學的發(fā)展起到巨大的推動作用。

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