玉米茎节维管束三维建模方法与流程

本发明实施例涉及植物学领域，更具体地，涉及一种玉米茎节维管束三维建模方法。

背景技术：

连接玉米“源”-“库”的茎秆维管束系统是植株水分运输的关键输导组织，维管束主要分为韧皮部和木质部，前者包括筛管和伴胞，主要负责溶解状态的同化物运输；后者以导管为主，负责运输水分和无机盐类，在植物适应干旱缺水环境中发挥着重要作用。对环境潜在适应能力高的作物茎秆形态结构往往具有较强的可塑性，使其能够在干旱胁迫条件下通过自身形态结构的改变而增加对水分、物质的运输能力，从而降低对自身生长发育的影响。目前，针对植物茎秆形态结构的表型鉴定研究主要分成两方面：一方面是研究植物茎秆维管束组织结构即解剖结构特征——维管束的纵切面、横切面的显微解剖结构，一般由能测量的指标描述，如维管束面积、导管直径等；另一方面是研究茎秆维管束几何构型与植物水分运输的关系，几何空间构型是指维管束在植物组织中的三维空间分布，具体包括维管束的空间分布特征和各维管束之间的连接关系。玉米茎节是茎秆的重要组成部分，对玉米组织结构内物质的长距离运输和机械支撑发挥重要作用。探究玉米茎节维管束组织的几何信息和结构信息，建立玉米茎节维管束的三维模型，对玉米水分利用效率评价、力学分析以及抗性品种筛选具有重要意义。

目前，基于可视化人体计划(visiblehumanproject,vhp)建立的技术和方法体系，促进了植物体内部形态特征和结构概貌的三维可视化研究，从而实现多方位、多尺度地探究植物内部组织的形态、大小和空间分布关系。例如，中国农业大学的吴海文于2011年基于序列组织切片图像对小麦根系维管束的结构、分布与功能进行初步探究；国家农业信息技术研究中心于2013年基于序列切片图像，重建黄瓜茎、玉米根、茎以及果穗维管束的三维结构形态，并实现维管束面积、体积等属性的定量分析。基于序列切片图像的植物维管束三维建模方法一般包括以下几个步骤：(一)利用植物相应部位样本制作石蜡切片；(二)对石蜡切片进行图像采集，获取植物组织序列显微图像；(三)对序列显微图像进行图像重构和图像分割进而实现样本的三维建模。

但是，上述基于序切片图像的三维建模方法中，前期石蜡切片制作过程比较繁琐，后期图像重构时需要对多个序列切片图像进行配准，导致整个三维建模过程工作量大效率低，且由于每个序列切片图像的特征不同，对应的图像分割算法也不同，导致最终建立的三维模型精度低。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的玉米茎节维管束三维建模方法。

一种玉米茎节维管束三维建模方法，所述方法包括：

s1，对玉米茎节样本进行碘染色处理得到染色后的玉米茎节样本；

s2，基于所述染色后的玉米茎节样本，利用micro-ct扫描得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

其中，在步骤s1之前还包括：

s0，对所述玉米茎节样本进行前处理。

其中，步骤s0具体包括：

取新鲜玉米茎节，切割成厚0.5-2.0cm的样本块，在faa固定液中固定3天以上，再经梯度脱水和co2临界点干燥即得到所述玉米茎节样本。

其中，步骤s1具体包括：

将所述玉米茎节样本放入装有固态碘的离心管内，再将所述离心管存放在在密封、避光以及室温环境中。

其中，步骤s1进一步包括：

将所述离心管存放在在密封、避光以及室温环境中4-5小时。

其中，步骤s2具体包括：

s11，对所述染色后的玉米茎节样本进行micro-ct扫描，得到所述玉米茎节样本的截面灰度图像；

s12，基于所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行三维重构，得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

其中，步骤s11具体包括：

对所述染色后的玉米茎节样本进行180°旋转micro-ct扫描，得到所述染色后的玉米茎节样本的序列断层扫描图像；

将所述序列断层扫描图像转换为8位未压缩bmp格式的截面灰度图像。

其中，对所述染色后的玉米茎节样本进行180°旋转micro-ct扫描的步长为0.2°至0.6°。

其中，步骤s12具体包括：

对所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行三维重构的同时，对所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行阈值分割，得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

其中，所述阈值分割的范围为25-255。

本发明实施例提供的一种玉米茎节维管束三维建模方法，通过对玉米茎节样本进行碘染色提高其中维管束的x射线吸收率，便于后续进行micro-ct扫描获得断层扫描图像，进而实现玉米茎节维管束三维建模，通过micro-ct扫描建立玉米茎节维管束三维模型，无需破坏玉米茎节的外形结构制作石蜡切片，工作量小，且获取的断层扫描图像特征一致，可以使用统一的图像重构算法，获得的三维模型精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种玉米茎节维管束三维建模方法的流程图；

图2为本发明实施例中未经碘染色的农大178十三叶期玉米茎节样本micro-ct扫描获得的三视图；

图3为本发明实施例中经碘染色的农大178十三叶期玉米茎节样本micro-ct扫描获得的三视图；

图4为本发明实施例中建立的农大178十三叶期玉米茎节样本维管束的三维模型。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术报道了利用微计算机断层扫描技术(microcomputedtomography，micro-ct)与同步加速器相结合的方法，实现了对蕨类植物、红杉木质部的三维重构与水分运输功能研究。micro-ct是一种非破坏性的三维成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构。micro-ct利用了的原理是当x射线透过样本时，样本的各个部位对x射线的吸收率不同。x射线源发射x射线，穿透样本，最终在x射线检测器上成像。对样本进行180°以上的不同角度成像。通过计算机软件，将每个角度的图像进行重构，还原成在电脑中可分析的三维图像。micro-ct与普通临床ct最大的差别在于分辨率极高，可以达到微米(μm)级别。micro-ct常用于医学、药学、生物、考古、材料、电子、地质学等领域的研究。

茎节部位维管束的排列方式明显不同于节间，研究表明节内有很错综复杂的横向维管束，组织结构对x射线的吸收率低，与背景差别不大，图像信噪比和对比度低，均增加了茎节维管束三维提取与可视化的难度。目前为止，未见基于micro-ct的玉米茎节维管束三维重构与可视化的相关报道。因此，亟待提出一种基于micro-ct的玉米茎节维管束三维建模方法。

图1为本发明实施例提供的一种玉米茎节维管束三维建模方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：s1，对玉米茎节样本进行碘染色处理得到染色后的玉米茎节样本；s2，基于所述染色后的玉米茎节样本，利用micro-ct扫描得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

在步骤s1中，对所述玉米茎节样本进行碘染色，使得所述玉米茎节样本中维管束结构被染色，解决了茎节复杂结构对x射线吸收率低的问题，大大提高了所述玉米茎节样本断层扫描图像的对比度。

在步骤s2中，采用micro-ct设备对所述碘染色后的玉米茎节样本进行扫面，并基于扫描获得的所述序列断层扫描图像进行三维重构获得所述玉米茎节样本的三维图像。采用micro-ct扫描和三维建模的方法，不需要破坏玉米茎节样本的外形结构，避免了制作石蜡切片样本的繁琐，效率高。

本发明实施例提供的一种玉米茎节维管束三维建模方法，通过对玉米茎节样本进行碘染色提高其中维管束的x射线吸收率，便于后续进行micro-ct扫描获得序列断层扫描图像，进而实现玉米茎节维管束三维建模，通过micro-ct扫描建立玉米茎节维管束三维模型，无需破坏玉米茎节的外形结构制作石蜡切片，工作量小，且获取的断层扫描图像特征一致，可以使用统一的图像重构算法，获得的三维模型精度高。

在上述实施例中，在步骤s1之前还包括：

s0，制备所述玉米茎节样本。

在上述实施例中，步骤s0具体包括：

取新鲜玉米茎节，切割成厚0.5-2.0cm的样本块，在faa固定液中固定3天以上，再经梯度脱水和co2临界点干燥，即得到所述玉米茎节样本。

具体地，取农大178号玉米茎秆，按照以下步骤制备micro-ct扫描样品：

(1)制备体积大小适中的玉米茎节样本：农大178茎秆新鲜材料获取后，蒸馏水冲洗干净，用手术刀沿茎节出切下，用手术刀切割成厚度1.0cm的样本块，切割时用力要均匀，尽量沿一个方向进行切割，保证样本材料的完整性，避免材料出现破裂现象；

(2)faa样本固定：以无水乙醇：甲醛：冰醋酸＝95:5:5的比例配置faa固定液，将切割的新鲜样本块用纱布包好，系好标签，放入faa固定液中固定，固定时间3天；

(3)样本脱水：样本固定完成后，从固定液中取出，用蒸馏水冲洗干净，经一系列梯度浓度的酒精梯度脱水，具体流程为：30％酒精，20min→30％酒精，10min→50％酒精，20min→50％酒精，10min→75％酒精，20min→75％酒精，10min→85％酒精，20min→85％酒精，10min→95％酒精，20min→95％酒精，10min→100％酒精，10min→100％酒精保存；

(4)co2临界点干燥：梯度脱水完成后，将100％酒精中的样品转移至临界点干燥仪(leicaemcpd300)的样品池中，转移过程中要保证样品始终处于100％酒精的环境中，避免接触空气；

设定临界点干燥仪程序为：co2进入速度为中速，设置双层滤片，co2充入后延迟120s进入循环，交换速率为6，总共进行12个循环，中等速度加热，完成干燥，即可；所得样本放入超净离心管中密封保存。

在上述实施例中，步骤s1具体包括：

将所述玉米茎节样本放入装有固态碘的离心管内，再将所述离心管存放在在密封、避光以及室温环境中，且存放时间为4-5小时。

具体地，在每个离心管内按1/3体积比加入固态碘，然后将所述玉米茎节样本放入离心管内，加盖密封后，横向缓慢旋转离心管，使固态碘完全包埋样本材料。并在避光、室温条件下存放4-5h，以对所述玉米茎节样本进行碘染色。染色时间不宜过长，时间过长会使染色过深，茎节基本组织和维管束颜色趋于一致，不利于后期图像处理。染色时间控制在4-5h内，既可以保证碘分子充分渗入玉米茎节组织，又可以防止染色过深。

在上述实施例中，步骤s2具体包括：

s11，对所述染色后的玉米茎节样本进行micro-ct扫描，得到所述玉米茎节样本的截面灰度图像；

s12，基于所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行三维重构，得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

具体地，将所述染色后的玉米茎节样本用蜡固定在样品台，即可放入micro-ct设备(brukerskyscan1172)中扫描。扫描得到的序列断层扫描图像经micro-ct设备中的nrecon软件处理后得到所述玉米茎节样本的截面灰度图像。在micro-ct设备中基于所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行三维重构，得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

在上述实施例中，步骤s11具体包括：

对所述染色后的玉米茎节样本进行180°旋转micro-ct扫描，得到所述染色后的玉米茎节样本的序列断层扫描图像；

将所述序列断层扫描图像转换为8位(8-bit)未压缩bmp格式的截面灰度图像。

具体地，设定micro-ct设备的扫描电压40kv，电流250ua、2k模式、旋转180°、x射线源到检测器的距离为345.59mm，x射线源到样品的距离为259.85mm。在micro-ct设备的nrecon软件中，通过设置以下参数将所述断层扫描图像转换为8位(8-bit)未压缩bmp格式的截面灰度图像：动态图像范围-100-13000(inhu)，对准补偿(postalignment)-1.0-1.0，光束硬化校正(beam-hardeningcorrection)40-60，环状伪影减少(ring-artifactsreduction)5-15。

在上述实施例中，对所述染色后的玉米茎节样本进行180°旋转micro-ct扫描的步长为0.2°至0.6°。

优选地，micro-ct扫描的步长可以设置为0.4°。

如图2所示，为未经碘染色的农大178十三叶期玉米茎节样本micro-ct扫描获得的三视图，图像模糊，观察不到维管束结构。如图3所示，为未经碘染色的农大178十三叶期玉米茎节样本micro-ct扫描获得的三视图，从茎节表皮周边到中央，维管束与基本组织对比度差异大，维管束边界清晰。

在上述实施例中，步骤s12具体包括：

对所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行三维重构的同时，对所述玉米茎节样本的截面灰度图像进行阈值分割，得到所述玉米茎节样本维管束的三维模型。

在上述实施例中，所述阈值分割的范围为25-255。

具体地，在micro-ct设备的图像处理模块中，生成玉米茎节维管束三维模型时，设定阈值分割范围为25-255，即薄壁组织的不透明度为0.1，维管束组织的不透明度为0.9。如图4所示，为基于micro-ct建立的农大178十三叶期玉米茎节样本维管束的三维模型。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。