琯溪蜜柚汁胞粒化的磁共振成像无损检测.doc

琯溪蜜柚汁胞粒化的磁共振成像无损检测 王贤达 陈添峰 黄镜浩 范国成 李健 福建省农业科学院果树研究所 福建省泉州市儿童医院 摘 要： 为评估磁共振成像 (MRI) 用于柑桔汁胞粒化无损检测的有效性, 采用 1.5T 高场磁共振成像仪对采后贮藏 30d 的琯溪蜜柚 Citrus grandis‘Guanximiyou’果实进行磁共振扫描检查, 以同层断面解剖图为对照结果表明, 在 MRI 检测中, T2WI 能够明显区分果肉组织与海绵层组织的信号差异, 其信号强度可代表果实组织相对含水量;T2WI 信号在汁胞粒化部位强度明显降低, 病变组织的失水特征清晰, 与解剖结果一致T2WI 对汁胞粒化的识别率 100%, T1WI 的识别率 41.7%, 两者差异显著 (χ2=5.76, p=0.016) T2WI 和 T1WI 均能显示种子照影, 但 T2WI 对果肉组织影像的分辨率优于 T1WIMRI 的 T2WI 分析可作为一种无损检测方法, 对柚果的汁胞粒化程度以及种子有无进行评估关键词： 琯溪蜜柚; 汁胞粒化; 磁共振成像; 无损检测; 作者简介：王贤达 (1986—) , 男, 助理研究员, 从事果树病虫害与栽培研究。

15860808786, E-mail:564944260@.com作者简介：李健 (1956—) , 男, 研究员, 从事果树生理与栽培研究18259005799, E-mail:Fruit-li@收稿日期：2017-08-06Received： 2017-08-06汁胞 (砂囊) 粒化是柑桔果实成熟期与采后贮藏期常见的生理性病害, 所有柑桔种类都有发生其主要表现为汁胞异常膨大、失水、木质化、汁味变淡, 几乎丧失食用价值对琯溪蜜柚 Citrus grandis‘Guanximiyou’而言, 汁胞粒化甚至是影响品质的首要因子[1]自 1934 年 Bartholomew 等[2]首次报道“伏令夏橙”粒化症以来, 学者对柑桔汁胞粒化的关注和研究已有 80 余年, 但对汁胞粒化发生机理的了解仍然极为有限, 在栽培上也尚无有效的解决办法[3-4]在福建平和, 琯溪蜜柚果实商品化处理主要靠控制果实质量来淘汰粒化症果实, 然而果实粒化程度与采后贮藏时间呈极显著相关[1], 因此现有商品化处理方法无法对贮藏后期的果实进行有效的质量控制探索琯溪蜜柚果实粒化的无损检测方法和技术, 有助于实现有效的质量控制和优质优价, 进而促进果农增收。

果实无损检测技术, 目前应用较广泛的主要有光学特性检测、声波振动特性检测、机器视觉检测、电特性检测和电子鼻等[5-7]例如, 利用近红外光谱无损伤检测柑桔果实的糖、酸等品质指标[8]但迄今为止仍未见关于柑桔果实汁胞粒化症无损检测的研究报道磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI) 技术能对样品质地进行无损检测, 因此在医学、药学、材料学研究及工农业生产中得到广泛应用[9-11]已经有研究者利用 MRI 对苹果[12-13]和桃[13]的松脆性进行评估, 对梨品质进行检测[14], 对柑桔是否含有种子进行无损检测[15-17]本研究利用 MRI 技术对琯溪蜜柚果实进行扫描, 并将扫描图像与解剖结果进行对比, 以期探索琯溪蜜柚汁胞粒化症的无损检测方法1 材料与方法1.1 材料2016 年 11 月下旬于琯溪蜜柚主产地平和县, 随机选取已常温贮藏 30d、单果质量 1 000~2 000g 的果实 17 个 (无籽) 同期选取与“坪山柚”混栽的琯溪蜜柚 (琯溪蜜柚为雄性不育) 果实 3 个, 作为有籽样品1.2 方法采用 GE Sigma HDe 1.5T 医用磁共振成像仪, 头颅正交相控阵线圈, 对全部样本进行正中横断面扫描。

FLAIR (液体衰减反转恢复) -T1WI (T1 Weight Imaging, 质子纵向弛豫时间 T1 加权成像) 扫描参数:重复时间 (TR) 2 000 ms, 回波时间 (TE) 20ms, 翻转时间 (TI) 720ms, 激励次数 (NEX) 4 次, 扫描时间 (Time) 628sFRFSE (快速翻转快速自旋回波) -T2WI (T2 Weight Imaging, 质子横向弛豫时间 T2 加权成像) 扫描参数:TR 4 000ms, TE 100ms, NEX 2 次, Time 428s层厚 (thk) 5.0mm, 层间距 (sp) 2.0mm, 矩阵 512×512, 视野 (FOV) 22cm×22cm扫描结束后根据断面位置解剖样本, 分别将 T1WI 和 T2WI图像与解剖图进行对照与分析2 结果与分析2.1 组织含水量的 MRI 影像经过比较, T2WI 成像对水分含量不同的果实组织具有较高分辨率, 高含水量果肉组织与低含水量海绵层组织的信号视觉差异明显 (见图 1a~c, e~g 和 i~k) ;T1WI 成像对水分含量不同的果实组织不敏感, 果肉与海绵层的信号对比度低 (见图 1d, h 和 l) 。

T2WI 高信号强度 (亮度) 可代表果实组织相对含水量的高低此外, 两种成像方法均能清晰显示果实囊壁组织, 其中 T2WI 显示为低信号 (图 1c, g 和 k) , 而 T1WI 显示为高信号 (图 1d, h 和 l) 2.2 汁胞粒化病变的 MRI 影像MRI 扫描影像结果显示, 正常果实汁胞 MRI 信号一致, 其中 T2WI 比 T1WI 信号更强 (见图 1) 发生粒化的果实, 其中心柱周围的汁胞 T2WI 信号强度明显降低, 病变特征显示清晰 (见图 1j 和 k) , 与解剖结果完全一致 (见图 1i) ;T1WI 图像在病变部位的扫描信号强度高低不等, 病变影像特征不明显 (见图1l) 说明, 在汁胞粒化检测方面, MRI 的 T2WI 图像比 T 1WI 图像的分辨率更高在 2 0 个样果中, 汁胞粒化病变果实 12 个, 其中 T2WI 识别 12 个, 识别率100%;T1WI 识别 5 个, 识别率 42%经 χ 检验, 两者识别率差异显著 (见表 1) 因此, 推荐 T2WI 作为诊断柑桔果实汁胞粒化症的 MRI 扫描参数图 1 琯溪蜜柚果实的 MRI 扫描结果与解剖图比较 下载原图注:a~d 为正常有籽果实, e~h 为正常无籽果实;i~l 为粒化果实, 箭头所示处为发生粒化的果肉。

表 1 不同检测方法对琯溪蜜柚汁胞粒化症的识别率 下载原表 2.3 果实种子的 MRI 影像分析MRI 对有籽的琯溪蜜柚扫描结果表明, 种子与果肉组织的扫描信号明显不同在 T2WI 影像中种子相对果肉变暗, 在 T1WI 影像中种子相对果肉变亮 (见图1b~d) 两种成像方法均能明显区分果肉与种子3 讨论Sonego 等[18]对桃和油桃的木质化进行 MRI 成像研究, 对比 MRI 图像和真实剖面图时发现, 在发生严重变质的部位, 质子信号强度明显降低在 MRI 图像信号强度中, 水分子贡献最大, 脂肪和蛋白质也很有特征, 而其他碳水化合物如纤维素的贡献较弱, 因此含水量多少是获得 MRI 图像的关键本研究对于琯溪蜜柚汁胞粒化的评估也是根据这一原理来实现的琯溪蜜柚中果肉木质化部分T2WI 信号强度明显降低 (图 1j~k) , 可以用木质化病变部位水分含量降低予以解释, 但 T1WI 信号高低不等则难以直接以组织木质化后水分含量降低进行解读对此可借鉴医学 MRI 无损伤检测的影像识别常识:T2WI 显示组织病变的效果较好, T1WI 观察解剖结构异常的效果较好[19]汁胞粒化恰属于组织病变一类, 因而 T2WI 能够很好地识别。

种子与果肉两者结构实质不同, 种子影像边界清晰, 因而两类影像信号均易于识别只需凭 T2WI 影像即可实现果实是否具有种子以及粒化与否的有效识别随着人工智能的发展, MRI 用于柑桔果实汁胞粒化的诊断为期不远除研制专用设备与降低费用外, 在 MRI 同等原理条件下, 还有两道需要逾越的门槛一是要大幅降低扫描时间a.柑桔囊瓣围绕果实中心柱纵向排列, 应用横断位扫描可以一次性获得对称性的信息, 可极大节省扫描时间b.在成像视野 (FOV) 不变情况下, MRI 图像在频率编码和相位编码方向的采集矩阵越大, 空间分辨力越高, 采集时间越长本试验采用设备允许最大矩阵, T1WI 和 T2WI 采集时间分别长达 628s 和 428s由于图像空间分辨力是由 FOV 和编码矩阵双重因素决定, 因此合理调整 FOV 和矩阵大小, 能够大幅降低采集时间c.直接减少激励次数, 虽图像信噪比下降, 但在识别率容许范围可成比例缩短采集时间二是要建立 MRI 影像智能识别模型a.人工智能识别模式, 通过大量解剖照片与对应 MRI 的 T2WI 图像的比对建立果肉汁胞组织异常病变与种子识别模式这与近红外无损检测柑桔糖、酸含量的预测模型原理相似[13]。

b.MRI 信号模糊识别模式 (与人为阅片识别方法相同) , 根据 T2WI 影像主要依据区域信号的强弱识别病变组织与种子, 可采用一定几何 (尺度或为 2~3 个汁胞横径) 视窗进行连续扫描阅读, 若连续强信号则判断为正常果肉组织, 连续弱信号则判断为汁胞粒化症病变组织, 限定种子断面横径的连续低信号则判为种子连续信号强度最佳判别阈值的设定可依识别准确率予以优化调整两类识别模式可互为校正参考文献[1]黄日升, 朱东煌, 林锦星, 等.琯溪蜜柚果实分级标准研究[J].中国南方果树, 2015, 44 (3) :28-34 [2]BARTHOLOMEW E T, SINCLAIR W B, RABY E C.Granulation (crystallization) of Valencia oranges[J].Calif Citrogr, 1934, 19:88-98, 106, 108 [3]SINGH R.65-years research on citrus granulation[J].Ind J Hort, 2001, 58:112-144 [4]丁健, 邓秀新.柑桔果实粒化研究进展[J].武汉生物工程学院学报, 2011, 7 (3) :207-211 [5]王平, 聂振朋, 罗君琴, 等.无损伤检测技术在柑桔果实中的应用[J].浙江柑桔, 2013, 30 (4) :7-10 [6]李娜, 杨星星, 戴素明, 等.冰糖橙果实品质无损伤检测分级技术的建立与应用[J].中国农业科学, 2016, 49 (1) :132-141 [7]王瑞庆, 徐新明, 冯建华, 等.果实品质无损伤检测研究进展[J].果树学报, 2012, 29 (4) :683-689 [8]韩东海, 周志恩.日本的水果分级检测高新技术[J].世界农业, 2000 (12) :27-29 [9]刘万花.乳腺定量 MRI 的进展及研究方向[J].中华放射学杂志, 2016, 50 (5) :321-323 [10]狄勤丰, 华帅, 顾春元, 等.岩心微流动的核磁共振可视化研究[J].实验流体力学, 2016, 30 (3) :98-103 [11]巫北海.CT 与 MRI 进展[J].第三军医大学学报, 2002, 24 (6) :627-630 [12]BARREIRO P, RUIZ-CABELLO J, FERNANDEZVALLE M E, et a1.Mealiness assessment in apples using MRI Techniques[J].Magnetic Resonance Imaging, 1999, 17 (2) :275-281 [13]BARREIRO P, ORTIZ C, RUIZ-ALTISENTA 。