活体植物生命状态智能成像装置

来源: 发布时间:2019-09-18 浏览次数:360

基本信息

第一作者姓名:史可晗

性别:男

民族:汉族

第一作者学校:天津市南开中学滨海生态城学校

第一作者人所在年级:高二年级

第一作者人所在年级:汤越乔

性别:男

民族:汉族

第二作者人所在学校:天津市滨海新区大港油田实验中学

第二作者人所在年级:高一

辅导教师姓名:何秀芳


作品摘要

*结构组成:

本作品由五部分组成:激光器、显微镜、数码相机、计算机和数据处理软件。激光光束照射植物体表面产生干涉散斑,经显微镜成像,通过数码相机采集散斑图像数据,由计算机对图像数据处理,显示植物生命运动状态。

*主要特征:

一种实时采集、处理并显示植物生命状态的方法和装置,实现了植物代谢运动的可视化。该装置利用激光相干特性,结合激光散斑成像、数码图像处理技术,不破坏活体植物组织结构,不用化学试剂,可高效得到植物代谢状态的高分辨、实时动态影像,让人们直观、深入地了解生命现象。

*主要用途:

1、用于教学活动,供学生作为实验仪器观察生命现象

2、服务于现代农业,用于观测农作物生长,发现病虫害,促进农业生产智能化

3、用于旅游、家居观察自然和家庭植物,丰富业余生活

4、其他适合的技术领域 

*创新点:

1)利用激光散射相干图像,发明了一种实时采集、处理、显示植物代谢状态的检测方法

2)利用光学统计原理,发明一种准确反映植物粒子运动状态的计算方法

3)创新实现植物代谢运动全过程的直接观测


作品说明

*问题提出:

*提出的问题和解决的问题:

目前观测植物生长主要靠经验和外观尺寸测量,植物活性检测要破坏植物组织,借助药剂显示,效率低,无法实时显示。本作品利用激光相干特性,在不破坏活体组织结构,不用化学试剂的前提下,实现直接观测植物代谢状态

研究问题的原因和意义:

生物课学习检测植物细胞活性,采用的伊文思蓝染色法不够直观,且检测效率低。于是产生了直接“看到”植物活性的想法。发明一种快捷、智能、直观的检测方法,帮助人们更直观地了解生命现象,具有很高的研究价值。

*解决方案:

解决问题的办法:

   植物组织内部有大量颗粒和运动粒子,如细胞、叶绿体、淀粉、水、无机盐等,这些粒子在新陈代谢过程中会产生各种运动,如细胞质内叶绿素和淀粉分子的缓慢移动,细胞内外无机盐离子、大分子的随机运动。

   根据物理学光的波粒二象性,具有一定波长的光子会被植物内的小分子,以及与波长相当的粒子散射,并在散射或透射空间内产生干涉,形成随机波动的“亮斑”和“暗斑”,光学物理中称为“散斑”。叶片中的粒子产生移动时,“散斑”会随之波动,光的强度也会产生变化;当散射粒子静止或运动很慢时,散射光形成的散斑图案会保持静止,光的强度也不再变化。

   连续采集散斑波动图像,利用统计学方法,对连续拍摄的图像间同位像素进行对比,得出散斑的强度标准差与平均值,得到散斑的对比度。根据物理光学原理,对比度越大,散斑波动越剧烈,代表颗粒运动速度越快;反之,保持静止,以此获取植物叶片中的生命代谢运动的状态。 

发明研究的重点:

研究发明一种实时采集、处理并显示植物代谢状态的检测方法,设计制作一套检测装置,实现植物生命运动状态的可视化。 

发明研究的难点:

利用连续采集的激光数字化图像,发明一种能够准确反映植物内部物质运动状态的统计计算方法,编制数学计算、数据处理、显示成像的软件,实时显示植物生命的代谢活动。

发明研究的难点:

利用连续采集的激光数字化图像,发明一种能够准确反映植物内部物质运动状态的统计计算方法,编制数学计算、数据处理、显示成像的软件,实时显示植物生命的代谢活动。

本发明使用方法、附图说明性文字:

   1.将采摘的活体叶片放在载物台上。2.打开激光电源,让激光束照射在叶片上,调整显微镜焦距,使成像清晰。3.打开相机电源,通过相机软件设定曝光量、拍摄速度,连续采集散斑图像。3.打开专用软件,设定放大倍数、播放速率,操作专用软件对采集图像进行处理,即可在显示器上显示叶片的动态图像。

图1作品原型样机   图2作品改进型样机  图3作品系统原理图  图4持续观测叶片枯萎过程对比图

*使用或试用效果:

利用作品观察了萌发、成熟以及枯萎的叶片,监视了叶片从新鲜到枯萎全过程,得到叶片内各种粒子的动态影像,同时记录下叶片脉络分布,连接密度多种叶片数据,提高了对植物新陈代谢过程和运动特征的认识。

*优点:

1、由于不使用化学试剂,与普遍采用的活性检测方法伊文思蓝染色法相比,检验效率大幅提高,数据准确且可视化。

2、因不破坏植物组织结构,满足活体长期观测,可展示活体植物代谢过程的各阶段特征。

3、由于可以实时记录,动态显示,并制作视频,与当前使用的红外热成像法、荧光光谱法、太赫兹电磁波检测法相比,采集的信息量大,准确度高,观测更形象直观。

*还需进一步研究的问题:

1、本作品虽然可持续显示植物活体代谢运动的状态,但还无法分辨不同的生物代谢运动,如区分光合作用、蒸腾作用,还未达到准确显示各种生命运动状态的目的。

2、为了更广泛地推广使用,本作品应更加紧凑和便携化,激光器和影像采集装置可整合一体,让调节、调整更为灵活方便,提高观测效率和效果。

3、其他适合该技术应用的作品有待研究和开发。


作品图片


查新说明

*查新网址与关键词:

佰腾专利检索网址:http://so.baiten.cn/

关键词:植物and 活体and成像and智能

相关专利2个

关键词:植物and活体and成像and激光

相关专利3个

关键词:植物and激光and散斑

相关专利2个 

*与本发明最相近的发明专利、研究文献的名称与摘要:

CN201010210456.2,植物幼苗综合性状活体无损检测方法

本发明涉及一种植物幼苗综合性状活体无损检测方法,包括以下步骤:对植物幼苗进行高光谱成像,从高光谱数据立方体中提取RGB图像及特定区域的光谱,通过图像处理及光谱分析获得幼苗的形态参数、组分含量分布以及病虫害信息;采用特征级信息融合方法和模糊综合评判方法建立植物幼苗长势预测模型。本发明能够实现对幼苗外观形态、营养组分及病虫害信息三方面性状的综合评价;且克服了组分测量时不均匀性造成的误差。

*自我查新结论:

新颖性一般