专利名称：种子生物力学信号测评系统及其测评方法生物力学是20世纪60年代兴起的边缘学科，它是物理学的分支，是利用力学的方法和原理对活体进行定量研究。目前，国内外生物力学的研究主要以人体、医学和体育运动为对象，并取得一系列成果，对人类健康做出了重要贡献。相对而言，生物力学在植物方面的研究还具有极大发展空间，生物力学创始人美 国科学院院士冯元桢指出“应力-生长关系是生物力学活的灵魂”。随着人类对农业发展的重视和农业现代化步伐的加快，在农、林等领域中，有关植物的许多基础性问题单靠传统农学知识已不能很好解释，如植物体液运行规律及相关信息采集，作物承载应力与生长，作物抗倒伏机理，作物生物力学性质对相关作业机械设计指导，作物生物力学评价等。种子学是研究植物种子的特征特性和生命活动规律的基本理论和农业生产应用技术的一门应用学科。当今随着种子科学研究的不断深入和应用技术的快速发展，通常将种子学(Seed Science),扩展为种子科学原理和技术(Principles of Seed Science andTechnology) 0广义而言，包括种子科学的基础理论和应用技术。种子从萌发到新一代种子产生的整个生育过程中，伴随着各种生物力的作用，包括自身生育力，营养元素，时空机制，不断向下一个生长阶段过渡；以及来自外界的力如风、水、昆虫、鸟和动物等。可见，将生物力学研究方法和手段运用于种子科学研究中，对更好了解种子生命活动规律及研发新的种子机械加工工艺及处理方法等具有重要意义。在种子科学研究方面，生物力学的运用目前还仅局限于力学测量，主要有James等(1983)用万能材料试验机(Instron Universal Testing Machine)检测辣椒胚乳强度变化；Chen等(2000)用组织分析仪结合人工制作的探头对西红柿种子胚乳强度进行研究；Muller等(2006)采用自制设备结合直径O. 3mm的金属探头,推进速度2mm/min成功检测到独行菜胚乳突破力等。此外，尚无统一的、符合种子萌发特性的ASASBA(A System forAutomated Seed Biomechanical Assessment,种子生物力学评价系统)建立。
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现对种子生物力学信号测定，以及对获得的数据进行系统评价的种子生物力学信号测评系统及其测评方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种种子生物力学信号测评系统，其特征在于它包括一样品固定台，所述样品固定台上垂直设置有一探测柱，所述探测柱顶端设置有一探测臂，所述探测臂底部设置有一探测轴，所述探测轴底部固定一个压力传感器，所述压力传感器内部引出一连接杆，所述连接杆的末端连接探头；所述样品固定台顶面设置有可移动的底板，所述样品固定台上设置有用于调节所述底板前后左右水平移动的位移调节器，所述探测柱上设置有用于调节所述探头缓慢上下移动的位移调节器，该所述位移调节器电连接设置在所述探测柱上的电动马达，所述电动马达连接计算机；所述探测臂上设置有用于调节所述探头向下移动的位移调节器；所述探测臂上还设置有信号放大器、滤波器和Holter记录装置，所述压力传感器的输出端电连接所述信号放大器，所述信号放大器的输出端电连接所述滤波器，所述滤波器的输出端电连接所述Holter记录装置；所述Holter记录装置连接所述计算机，所述计算机中预置有种子生物力学信号评价模块。 所述探测轴上还设置有一用于罩设所述探头和样品固定台上的待测样品的密闭容器；所述探测臂上还设置有液晶显示器。所述压力传感器采用用于人体胸腹部呼吸运动波形监测传感器，所述传感器为压阻式全桥型，量程为0 300g ;满幅度输出>40mv/300克/5V;精度1%;电源电压5 9V ;输出阻抗< 3ΚΩ ;所述信号放大器为差分输入，第一级采用直流放大器，增益小于20倍，带有零位调节器；第一和第二级之间采用交流耦合，时间常数大于5秒。所述计算机中预置的种子生物力学信号评价模块采用数据采集+数据库管理的模式，其包括以下子模块数据采集子模块、数据维护子模块、数据查询子模块、数据输出子模块、数据分析子模块、系统管理子模块。所述数据采集子模块对待测样品进行信号采集，最终转化为数值样式，包括记录名、记录号、检测日期；所述数据维护子模块主要包括数据录入、数据编辑和数据删除三个子模块；所述数据查询子模块设置了 “打开记录”、“删除记录”、“数据回放”、“退出系统”按钮；所述数据输出子模块将所有信息或查询结果以Excel表形式进行预览和打印，同时生成相应图象；所述数据分析子模块将获得的有效数据进行整理，并进行统计分析；所述系统管理子模块设有系统管理员，系统启动时要求输入密码，在一定程度上保证系统安全性。上述种子生物力学信号测评系统的一种测评方法，包括以下步骤1)将待测样品通过模具固定在样品固定台上的可移动的底板上，通过样品固定台上的位移调节器调节底板前后左右水平移动，将模具移至样品固定台中央区域；同时通过探测臂上的位移调节器调节探头向下移动的距离，使探头对准待测样品的待测区域；然后，通过探测柱上的位移调节器设定探头向下穿刺的移动速度和穿刺深度；设置压力传感器的采样频率；2)探头以设定的速度向下穿刺，探头从接触待测样品，到将待测样品穿刺设定深度的整个过程中，力的大小在不断发生变化，通过探头对这些变化的生物力信号进行探测，并将探测到的不断变化的压力信号传递给压力传感器，由压力传感器依次传送给放大器、滤波器，最后存储在Holter记录装置中；3)将Holter监控记录装置中的数据下载到计算机中，通过计算机内预置的种子生物力学信号评价模块进行存储，并选取若干个单位时间段的同一序号采样点进行连接，形成力大小变化趋势曲线；选择感兴趣的某一区段，将该区段放大，得到完整数据，进而便于获得目标数据，用于分析研究。所述压力传感器的采样频率设为每秒9个采样点，连续采样若干秒后，选取每一秒中的9个采样点的第一个采样点，将这些采样点连接，即形成力大小变化趋势曲线。所述探头的直径为O. 4mm，长度为2cm ;探头向下穿刺所述待测样品的速度为O. Olmm/s,探头向下穿刺所述待测样品的深度范围为O 25mm。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明通过样品固定台上的位移调节器调节待测样品的水平位置，通过探测臂上的位移调节器调节探头上下位移距离，使探头对准待测区，通过探测柱上的位移调节器调节探头向下移动速度，该位移调节器可通过与计算机连接的电动马达控制，能够保证以预设移动速度对待测样品进行探测，并能在达到设定移动距离时制动；本发明简单实用，可控性强。2、本发明采用医用人体胸腹部呼吸运动波形监测传感器，其灵敏度高、频率响应范围好、线性度好、体积小、耗电低、坚固耐用、使用方便。3、本发明设置有密闭容器，将探头和样品固定台上的待测样品罩设在密闭容器中，在测定过程中，能够避免外界环境因素等对测量结果的影响，减小测量误差，保证结果的精准度。4、本发明在计算机内预置有种子生物力学信号评价模块，能够将测定数据进行存储，并通过连接各单位时间段内同一序号采样点，形成力大小变化趋势曲线，通过趋势曲线找到目标区段后，可将该区段放大，并得到完整数据，进而获得目标数据，用于分析研究。5、本发明在计算机内预置的种子生物力学信号评价模块还支持查询检索等多种功能，通过该模块可生成数据图像等，并可通过打印机进行纸质保存。本发明结构设置简单巧妙，操作方便可靠，灵敏度高，可广泛用于种子生物力学信号的测评工作中。 图I是本发明测评系统结构示意2是本发明测评系统的测评方法流程示意3是本发明生物力学信号采集处理系统结构示意4是本发明种子生物力学信号(突破力)采集界面截5是玉米种子萌发过程种皮突破前种子形态6是玉米种皮突破力测定样品制备示意7是采用本发明对玉米自交系B73种皮突破力信号采集波形8是采用本发明对玉米自交系B73种皮突破力信号采样点数据分布9是采用本发明对在两个不同萌发温度下不同玉米自交系种子种皮最大突破力比较示意图
2)探头6以设定的速度向下穿刺待测样品16，探头6从接触待测样品16，到将待测样品16穿刺设定距离的整个过程中，力的大小在不断发生变化，且具有一定的变化趋势，通过探头6对这些变化的生物力信号进行探测，并将探测到的不断变化的压力信号也就是力学信号传递给压力传感器5，由压力传感器5依次传送给放大器、滤波器，进行实时输出，最后通过单片机技术将采集数据信息存储在Holter记录装置15中。3)将Holter监控记录装置15中的数据通过自编软件下载到计算机12中，通过计算机12内预置的种子生物力学信号评价模块进行存储、分析、评价；由于探头6从接触待测样品16，到将待测样品16穿刺设定距离的整个过程中，力的大小具有一定的变化趋势，而通过设置压力传感器5的采样频率，在一定时间段内，压力传感器5的采样点数量是一定的，因此通过计算机12内预置的种子生物力学信号评价模块，选取若干个单位时间段的同一序号采样点进行连接，形成力大小变化趋势曲线(将各采样点连接而成)。当通过趋势曲线找到目标区段时，可将该区段放大，得到完整数据，并获得目标数据，用于分析研究。种子生物力学信号评价模块还支持查询检索等多种功能。此外，种子生物力学信号评价模块生成的数据图像等还可通过打印机进行纸质保存。上述实施例中，压力传感器5的采样频率设为每秒9个采样点，连续采样若干秒后，选取每一秒中的9个采样点的第一个采样点，将这些采样点连接，即可形成力大小变化趋势曲线。压力传感器5的采样频率越大数据量越大，压力传感器5采样频率的设置，以及不同固有频率传感器的选择，只要满足测量需求即可。上述实施例中，探头6的直径为O. 4mm，长度为2cm ;探头6向下穿刺待测样品16的移动速度为O. Olmm/s，探头6穿刺待测样品16的深度范围是O 25mm。探头6的材料、形状及型号如长度、直径等，均可根据待测样品16的性质特征进行选择，以满足不同的测
量需求。上述实施例中，压力传感器5采用原用于人体胸腹部呼吸运动波形监测传感器，该传感器为压阻式全桥型，具有灵敏度高、频率响应范围好、线性度好、体积小、耗电低、坚固耐用、使用方便等特点；其量程为0 300g (克)；满幅度输出>40mv/300克/5V(DC)；精度1% ;电源电压5 9V(DC)(推荐使用5V(DC));输出阻抗<3ΚΩ ;传感器引出的电缆芯线红——正电源5 9V (DC)(自制电池盒4节1.5V 5号电池)；屏——电源地；黑——信号正；白——信号负。上述实施例中，采用的信号放大器为差分输入，第一级采用直流放大器，增益小于20倍，带有零位调节器；第一和第二级之间采用交流耦合，时间常数大于5秒。
上述实施例中，在对待测样品16进行位置调节，以及探头6穿刺探测的过程中，可以通过液晶显示器14显示探头6的下移距离、速度等参数。如图3所示，本发明种子生物力学信号(突破力)测评系统由种子生物力学信号测定系统与种子生物力学信号评价模块两大部分组成。种子生物力学信号测定系统主要用于完成对样品生物力电信号与非电生物信号的放大，并对信号进行A/D转换，将生物力学信息存贮在Holter记录装置中，进而通过系统应用软件下载到计算机中。种子生物力学信号评价模块主要用来对数字化了的生物力学信号进行存储、处理、显示及打印输出，同时控制系统各子模块的功能，与操作者进行人机对话。本发明的计算机12中预置的种子生物力学信号评价模块采用数据采集+数据库管理设计模式，由以下子模块组成，包括数据采集子模块、数据维护子模块、数据查询子模块、数据输出子模块、数据分析子模块、系统管理子模块以及其他模块。数据采集子模块对待测样品16进行信号采集，最终转化为数值样式，包括记录名、记录号、检测日期等(如图4所示)。记录栏可以用文字、数值或符号来表示待测样品名称；记录号为数值型，可系统自动生成便于数据查询、输出等；检测日期也可系统自动生成便于查询保存。数据维护子模块主要包括数据录入、数据编辑和数据删除三个子模块。数据录入后，考虑到信息录入的有效性与完整性，设计了检测程序，主要包括有效性检测和完整性检测。有效性检测信息在录入时，程序将自动检测输入数据的数据类型，判断其与对应的数据项要求是否一致，从而保证数据的有效性。同时避免信息录入的重复与失误，提高信息的有效性。完整性检测确定录入信息的完整性，便于查询对比等操作，进而提高数据操作效率。数据查询子模块设置了 “打开记录”、“删除记录”、“数据回放”、“退出系统”按钮，各按钮对应相应子按钮和对话框，方便用户浏览查询所需信息。在浏览基础信息同时，用户可随时通过备注查看其它相关信息。数据输出子模块可将所有信息或查询结果以Excel等输出形式进行预览和打印，同时生成相应图象。数据分析子模块可将获得的有效数据进行整理，并进行统计分析等。系统管理子模块设有系统管理员。系统管理员可增加新用户并赋予其权限，也可以删除原有用户信息，同时对数据进行维护；普通用户只拥有查询浏览权限；系统启动时要求输入密码，在一定程度上保证系统安全性。其他模块提供信号变化趋势图，统计分析图等，可直观地分析作用信号的变化趋势及不同时间点及不同采样点测量值大小，能够有效进行种子生物力学指标评价。下面列举本发明的一具体实施例对不同玉米自交系种子萌发过程中胚根鞘突破种皮最大突破力进行测定，用于说明本发明用于突破力信号采集评价的方法及其对种子萌发机理研究的作用。实例背景 玉米是禾本科被子植物，一直以来被认为是禾本科重要的基因资源，并被当成模式植物进行种子萌发机理研究。种子萌发开始于干种子吸水，结束于胚根直接或间接突破所有覆盖层。种皮作为覆盖层，具有保护胚不受到外界环境影响等功能，同样对种子萌发产生机械阻力。胚根鞘(coleorhiza)作为禾本科重要的胚性组织器官，具有保护幼根等功能。通过观测发现胚根鞘具有协助幼根突破种皮的功能，而且不同玉米自交系种子具有不同的胚根鞘长度(胚根鞘伸长稳定时)。研究胚根鞘相关性状(胚根鞘长度)与种皮机械阻力间存在的关系，能够为种皮突破力进行评价，以及为玉米种子萌发机理的深入研究奠
定基础。I)选取材料200个不同玉米自交系种子。2)样品制备将消毒后整齐一致、健康无损的玉米种子在10°C和25°C两个温度下，进行纸床(纸间)发芽，当种皮有明显形变发生时(如图5方框(红色方框)标识部分所示)，将种子进行横切，小心翼翼地将种子的胚及胚乳移除，标记作用区域。如图6所示，为待测样品制备过程，玉米种子萌发过程中胚根鞘前端与种皮内壁发生突破作用区域如图6中圆圈(绿色圆圈)所示。3)种皮最大突破力测定将待测样品16放置在一个模具中，并将模具固定在样品固定台I上的可移动的底板8上，通过样品固定台I上的位移调节器9调节底板8前后左右水平移动，将模具移至样品固定台I中央区域；同时通过探测臂3上的位移调节器13调节探头6向下移动的距离，使探头6对准待测样品16的待测区域；然后，通过探测柱2上的位移调节器10设定探头6向下穿刺的移动速度和穿刺距离。本实施例中将压力传感器5的采样频率设为每秒9个采样点，探头6向下穿刺待测样品16的移动速度设为O. Olmm/s,探头6的直径为O. 4mm,长度为2cm。4)结果分析探头6将探测到的不断变化的压力信号传递给压力传感器5，由压力传感器5依次传送给放大器、滤波器，存储在Holter记录装置15中，并下载到计算机12，生成需要的波形图或矩形图等，以便进行分析。如图7所示，为玉米自交系B73种子的种皮突破力信号波形图，波形呈锯齿状(可能与纤维断裂或检测中产生附加抖动信号有关)，先缓慢上升，达到最大突破力后急速下降；波形是显示每9个采样点的第一个点数据。如图8所示，为完整真实采样点数据分布，“X”表示第2987个采样点，“Y”表示力的大小为392mN。如图9所示，为8个玉米自交系种子分别在25°C和10°C两个不同萌发温度下种皮最大突破力比较示意图；与25°C萌发条件相比，10°C萌发条件下种皮最大突破力略小，这可能与相对较长萌发时间能够使种皮抑制力下降有关，但不同玉米自交系种子在不同温度下，种皮的最大突破力大小排列顺序基本保持不变。从图9中可以看出，玉米自交系B73种子的种皮机械抑制力最低，在25°C和10°C两个萌发条件下的突破力大小分别是410mN和339mN，而玉米自交系Xinzi517种子的种皮具有较强的机械阻力，在25°C和10°C两个萌发条件下的突破力大小分别是998mN和905mN。将不同玉米自交系胚根鞘长度(胚根鞘伸长稳定时)与种皮最大 突破力两项指标进行相关性分析结果表明不同玉米自交系种皮最大突破力和胚根鞘长度两项指标间存在正相关性，即对于种皮较厚或种皮萌发机械阻力较大的玉米自交系种子胚根鞘长度较长，反之则较短(相关数据未给出)。这为进一步种子生物力学分析提供了帮助，为玉米种子萌发机理的深入研究奠定了基础。在本发明提供的实施例中，利用该模块对200个不同玉米自交系胚根鞘突破种皮过程突破力变化情况进行实时检测(采样频率为每秒9个点，探头移动速度为O. 01mm/s，探头直径为O. 4mm)，较好地完成了对不同玉米自交系种子种皮最大机械阻力的评价工作。操作时需要仔细固定好待测样品采样区域位置以保证检测结果具有较好精准度。同时样品制备时间越快越好，以防外界环境因素等影响(如水分丧失等)而造成检测误差。上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。


本发明涉及一种种子生物力学信号测评系统及其测评方法，其特征在于它包括样品固定台，样品固定台上垂直设置有探测柱，探测柱顶端通过探测臂连接探测轴，探测轴底部固定压力传感器，压力传感器内部引出连接探头的连接杆；样品固定台顶面设置有可移动的底板，样品固定台上设置有位移调节器，探测柱上设置有位移调节器，该位移调节器电连接设置在探测柱上的电动马达，电动马达连接计算机；探测臂上设置有位移调节器；探测臂上还设置有信号放大器、滤波器和Holter记录装置，Holter记录装置连接计算机，计算机中预置有种子生物力学信号评价模块。本发明结构设置简单巧妙，操作方便可靠，灵敏度高，可广泛用于种子生物力学信号的测评过程中。