第5章 CT、MRI、THz 等表型分析技术

CT、MRI、THz等表型分析技术HUAZHONGAGRICULTURALUNIVERSITY1目录CONTENTS第一节CT表型分析技术第二节磁共振成像技术第三节超声波处理加工第四节太赫兹技术第五节思考与讨论2一、CT表型分析技术CT技术原理

CT技术的应用及发展计算机体层成像（computedtomography，CT）是一种获取透射物体投影数据并根据计算机重建得到物体特定层面上的二维灰度图像，最后将二维图像继续重建为三维图像的无损成像技术，一般以X射线为放射源。基本原理是利用X射线束对物体进行扫描。X射线在穿透物体时，由于不同成分对X射线的吸收程度不同，探测器接收到的射线强度会有所变化。这些变化的射线信号被转换为电信号，并通过模拟/数字转换器转换为数字信号，然后输入计算机进行处理。图5-1工业CT3一、CT表型分析技术CT技术原理

CT技术的应用及发展Radon变换:

CT技术的重要理论基石。二维空间中的一条直线l可以表示为：

Radon变换可得：Radon变换构建了物体空间（x，y）与Radon空间之间R（ρ，θ）之间的联系。在二维成像中，CT扫描投影就是物体空间到Radon空间的过程;在获得投影数据后（圆轨迹CT），通过Radon逆变换可以将数据重构还原为物体图像;4一、CT表型分析技术CT技术原理CT技术的应用及发展51.CT在医学诊断领域应用：如检查颅脑疾病、胸部疾病、脊柱疾病、肿瘤诊断等。2.CT在工业上的应用：相比医用CT，工业CT拥有更高的射线源能量，穿透能力强。主要用于零部件缺陷检测、尺寸测量及装配结构分析、密度分布表征等。图5-2医用CT肺部扫描断层图5-3工业CT零部件缺陷检测一、CT表型分析技术CT技术原理CT技术的应用及发展6CT在农业生产中的应用：1.农畜产品品质评估：检测如果蔬的水分、糖酸度、机械损伤、碰伤、内部腐败、变质、虫害，以及肉类等畜产品的外物污染、残留骨头等。2.作物表型信息获取：CT提取大量的2D、3D表型性状，如体积、表面积等，与传统人工手动测量比较，该方法能够显著提高测量的效率和准确性，极大地促进了功能基因组学的发展。图5-4榴莲三维成像图图5-5小麦三维成像图二、磁共振成像7磁共振现象最早于20世纪40年代由美国斯坦福大学的F.Bloch教授和哈佛大学的E.M.Purcell教授等用不同的方法观察到。基本原理是：物体置于特殊磁场中，用无线电脉冲激发物体内某一原子核，使原子核发生能级分裂，当物质吸收到外来电磁辐射时，一些具有磁性的原子核在外磁场的作用下吸收一定波长的无线电波而发生共振吸收，从低能态跃迁至高能态，产生磁共振现象，其吸收峰频率对吸收峰强度作图即为磁共振波谱图。图5-6西门子磁共振仪二、磁共振成像8磁共振磷谱：磷原子的化学位移和与它相邻的氢原子分裂时偶合常数值会随着化学环境的变化而不同，且在图谱中只对磷原子有信号响应，产生的信号强度与数量成正相关。因此该方法可对样品定性定量分析，能准确迅速地检测含磷化合物。磁共振磷谱：广泛应用于测定植物、土壤等复杂样品中存在的多种形态的磷；图5-7磁共振成像活体检测系统图5-8磁共振成像构建的蓖麻根系三维模型二、磁共振成像9磁共振磷谱检测植物纤维的木质素：木质素是植物纤维的三大组分之一，其含量仅次于纤维素，约占植物纤维的1/3。木质素对植物生长具有重要作用，能够与植物纤维中的糖类生成木质素－复合体。磁共振磷谱不仅弥补了传统木质素研究方法对木质素结构有破坏性且费时等缺点，而且可以清晰地分辨出木质素中的脂肪羟基、羧基和酚羟基等特征官能团。二、磁共振成像10磁共振氢谱鉴定中药材：1.研究员采用磁共振波谱仪测定了正品黄连样品及黄连伪品的乙醇提取物的磁共振氢谱，发现黄连伪品没有出现天麻的特征共振峰，但所有的正品黄连均出现这一信号。用磁共振氢谱法鉴别中药植物的真伪，具有快速、准确、重现性好、信息多等特点。2.磁共振氢谱对19种前胡的乙醚提取物进行了快速的测试和解析，以鉴别真伪品，根据所含特征化学成分香豆素母核的化学位移，鉴定出19种前胡中只有白花前胡和紫花前胡为药品所示的正品前胡。三、超声波处理与加工11超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。超声波在自然界中广泛存在，它易于进入海水、地层、人体及很多固体和液体，几乎能穿透任何材料。在农业上也有很多的应用。三、超声波处理与加工12超声波处理与加工设备的主要组成：超声波发生器、超声波换能器、超声波聚能器及超声波发生器和换能器之间的匹配电路。超声波发生器产生一定高频电能提供给超声波换能器，由超声波换能器将电能量转化机械能，然后通过超声波聚能器将机械能放大，将声能作用在待处理的物质上。超声波处理与加工的基本原理主要是利用液体动力学的空化现象。三、超声波处理与加工13超声空化是当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象。空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度极快且强大冲击力的微射流。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压；三、超声波处理与加工14超声波处理应用：1.处理种子萌发率，研究发现在温和的超声波处理条件下可以得到较高的种子萌发率，而延长超声波处理的时间超过其承受的最大值后，种子胚的死亡率就会升高，种子的萌发力自然就会下降。2.超声处理悬浊液，用超声波处理悬浮液后进样，可使进样顺利并使悬浮液稳定时间长；十二烷基硫酸钠增敏可以提高悬浮液直接进样火焰原子吸收光谱法测定的灵敏度。该方法快速、简单、准确，适用于各种土壤样品中铅的测定。三、太赫兹技术15太赫兹波（terahertz）在电磁波谱中位于微波和红外线之间，其频率位于0.1～10THz。与红外光谱相比，太赫兹波的频率更低。许多生物大分子内的基团振动转动和构象改变、生物分子与周围分子和介质弱相互作用的振动频率大多处于太赫兹范围内（1011～1013Hz），因此太赫兹成为研究生物大分子指纹特征和弱相互作用的有效手段之一。四、太赫兹技术16太赫兹技术分类（terahertz）：按照检测方式的不同，太赫兹技术可以分为太赫兹光谱技术和太赫兹波成像技术两大类。1.太赫兹光谱技术能够用来研究生物大分子间的弱作用力，可在分子层面上为疾病的诊疗提供良好的信息反馈，而实时动态观察多种生物大分子，可进一步深层次地揭示细胞在疾病过程中的病理生理反应。2.太赫兹波成像利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。THz成像技术可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。。太赫兹波成像树叶水分检测四、太赫兹技术17太赫兹技术应用1.对小麦的陈化检验以正常小麦、虫蚀小麦、发霉小麦和发芽小麦4种小麦作为实验样品，采集4种小麦太赫兹吸收光谱，结合化学计量学方法进行分类识别。实验结果验证利用太赫兹技术可以对问题小麦进行准确的区分鉴别。2.对食品的抗生素、农药含