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用于估计根系生物量的原位电阻抗断层扫描传感器系统

用于估计根系生物量的原位电阻抗断层扫描传感器系统

  • 分类:学术中心
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2022-08-13 06:10
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【概要描述】根的层析成像通过考虑一步高斯-牛顿(GN)算法的有限元法(FEM)建模进行重建,并在电阻抗和漫反射光学层析成像重建软件(EIDORS)的开源软件上面进行。

用于估计根系生物量的原位电阻抗断层扫描传感器系统

【概要描述】根的层析成像通过考虑一步高斯-牛顿(GN)算法的有限元法(FEM)建模进行重建,并在电阻抗和漫反射光学层析成像重建软件(EIDORS)的开源软件上面进行。

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  根系生物量是研究植物对环境变化反应最相关的根系参数之一。在这项工作中,我们设计了一个动态可调的电极阵列传感器,用于开发一种具有成本效益的基于电阻抗断层扫描(EIT)的高速数据采集系统。研究发现,开发的EIT系统适用于原位测量,并能通过EIT传感器测量多个频率的阻抗,借助三维成像监测根系生长和发育的变化。所设计的EIT传感器系统通过水和土壤介质中的不均匀性进行评估和校准。使用连接到传感器的电阻抗谱(EIS)工具,在1 kHz至100 kHz的频率范围内测量多个主根的阻抗。通过从给定刺激电流的测量阻抗中获得边界电压来计算电导率的变化。使用非侵入性成像方法,观察光谱变化,以评估根的生长。进一步的根系分析有助于我们实时无损地估计根系生物量。根的大小(如重量、长度)与测量的阻抗相关。使用最小二乘法进行回归分析发现,胡萝卜根生物量估计的相关性超过97%,RMSE为4.516。随后使用一组新的和单独的胡萝卜根样本对获得的模型进行验证,预测模型的精度达到93%或以上。利用完整的电极模型,通过差分法中的阻抗成像技术进行重建分析和优化。根的层析成像通过考虑一步高斯-牛顿(GN)算法的有限元法(FEM)建模进行重建,并在电阻抗和漫反射光学层析成像重建软件(EIDORS)的开源软件上面进行。

 

  图1 (a)胡萝卜样品,(b)土壤中四种不同胡萝卜样品的EIS,(c)生物量重量以及(d)100 kHz下样品长度的相关性。实际平均阻抗与样本根大小(重量和长度)之间的相关性超过90%。

 

  图2 在逆模型中考虑NOSER (λ = 2.17)在100 kHz、1 mA和2 Vpp激发下土壤介质中四种不同胡萝卜样品的断层扫描。(a-d)刻度代表电导率的变化。发现较小尺寸的胡萝卜(样品1)的电导率非常低,另一方面,发现较大尺寸的胡萝卜(样品4)的电导率最高。(a) 100 kHz的样品1(W = 63 g,L = 5.5 英寸);(b) 100 kHz 下的样品2(W = 78 g,L = 6.75 英寸);(c) 100 kHz下的样品3(W = 93 g,L = 7.25 英寸);(d) 100kHz下的样品4(W = 142 g,L = 8.5 英寸)。

 

  图3干重生物质与胡萝卜样品在100 kHz时的实际平均阻抗之间的相关性。

 

  图4 (a)不同生物量重量下胡萝卜在土壤中的EIS。 (b)胡萝卜的实际生物量和平均阻抗(Z)之间的相关性,在5 kHz时获得的最大相关性为97.2% (R2 = 0.945)。

 

  图5 在5kHz至100 kHz频率下预测胡萝卜根生物量的回归结果。通过在模型中选择15和80 kHz的特征,获得了超过97%的相关性,RMSE为4.516。

 

  图6 在逆模型中考虑NOSER (λ = 2.17),使用5 kHz至100 kHz、1 mA和2 Vpp激发的3D EIT测量对长度为6.75英寸的重建胡萝卜进行断层扫描。 (a-g) 刻度代表电导率的变化。 (a) 5kHz; (b) 15kHz; (c) 25kHz; (d) 40 kHz;(e) 60 kHz;(f) 80 kHz;(g) 100 kHz。

 

  图7 通过改变(a)输出激发(0.4-2 Vpp)和(b)从电极阵列底层获得的频率(5-100 kHz),对域中的非均匀介质(水+胡萝卜)进行阻抗谱分析,(c)两层电极阵列的Netgen 3D FEM网格。考虑到(d)GN:NOSER(λ=2.17)、(e)Tikhonov(λ=2.17)和(f)Tikhonov(λ=0.078),在5 kHz、1 mA和2 Vpp激励下对6.5英寸胡萝卜进行层析成像。(d–f)刻度表示电导率的变化。通过测量电极阵列中间层和底层的阻抗获得重构结果。

 

  图8 (a) 通过在 5 kHz 下改变输出激励测量土壤电极顶层的阻抗。 通过增加输出激励来降低阻抗,并且在 2 Vpp 激励下发现更稳定的输出阻抗。 (b) 在 2 Vpp 激励下通过改变频率(5 到 100 kHz)对非均匀介质(土壤 + 胡萝卜)的顶层阻抗。 阻抗随着频率的增加而降低。 考虑到 (c) GN: NOSER (λ = 2.17)、(d) Tikhonov (λ = 2.17) 和 (e) Tikhonov (λ = 0.09) 在 5 kHz、1 mA 和 2 Vpp 激发下对 6.75 英寸胡萝卜进行断层扫描 . (c-e) 刻度代表电导率的变化。 通过测量电极阵列的顶层、中间层和底层的阻抗,对胡萝卜进行了良好的重建。

 

  图9 (a) 均质介质,(b) 非均质介质和 (c) 用于估算土壤中主根生物量的 3D EIT 实验装置。Z11-Z88 是从电极端口 1-1 到 8-8 测量的自阻抗,I 是通过圆形电极排列注入的电流。(a) 均质(土壤); (b) 不均匀(土壤+胡萝卜); (c) 胡萝卜根生物量的EIT测量装置。

 

  图10 (a)用于设计原位3D EIT系统的电极阵列,在8个塑料棒中使用24个电极,每根3层;(b)在塑料棒的三层(顶部、中间和底部)中分布电极。

 

  图11 采用电极阵列开发用于3D成像的EIT数据采集系统。

 

  图12通过使用3D EIT计算电导率,以图像重建为目标的EIDORS操作流程图。

 

  图13三层电极阵列的Netgen三维有限元网格—一个圆柱形领域,在MATLAB中使用EIDORS重建图像。

 

  图14 (a)通过改变输出激励使用双电极法对胡萝卜切片进行 EIS,以及 (b) 5 kHz 时的相应相关性。由于输出饱和,在0.4 Vpp激励以下没有观察到变化。考虑到电极间距为1 cm,发现2 Vpp激发与稳定输出具有良好的相关性。

 

  图15 (a)通过改变电极间距,使用双电极方法对胡萝卜片进行的EIS,以及(b)在5kHz下的相应相关性。考虑到2Vpp的激励,1厘米的电极间距发现了良好的相关性。

 

  图16 (a) EIT电极阵列传感器系统,和(b)使用水介质中的电极和6.5英寸长的胡萝卜进行EIT传感器表征的实验装置。在测量过程中,胡萝卜完全浸入水中。样本的可见性可以根据样本的长度相对于域高度而变化。

 

 

  来源:Basak R, Wahid K A. An In Situ Electrical Impedance Tomography Sensor System for Biomass Estimation of Tap Roots[J]. Plants, 2022, 11(13): 1713.

  https://doi.org/10.3390/plants11131713

  

  编辑:小王博士在努力

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