radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-103-112radioelectronics-821Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTИсследование структуры зерна пшеницы методом цифровой рентгенографииStudy of Wheat Grain Structure by Digital Radiographyhttps://orcid.org/0000-0003-0219-9685АнтоновР. Ю.AntonovR. Yu.

Антонов Роман Юрьевич – специалист по направлению "Компьютерная безопасность" (2015, СПбГЭТУ "ЛЭТИ"), соискатель кафедры электронных приборов и устройств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), начальник конструкторского отдела ООО "Экан". Автор шести научных публикаций. Сфера научных интересов - исследование и разработка методов инструментальной оценки пищевой продукции.

аллея Академика Лихачева, д. 7, стр. 1, Санкт-Петербург, 194223

Roman Yu. Antonov, Specialist in Computer security (2015, Saint Petersburg Electrotechnical University), applicant of the Department of Electronic Instruments and Devices of St. Petersburg Electrotechnical University, head of the design department of "Ekan" Ltd. The author of 6 scientific publications. Area of expertise: research and development of methods for instrumental analysis of food products.

7 building 1, Academician Likhachev alley, St Petersburg 194223

roman.ekan@yandex.ruООО "Экан"Россия"Ekan" LtdRussian Federation202328122023266103112Copyright © Антонов Р.Ю., 20232023Антонов Р.Ю.Antonov R.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/821Введение

Введение. Анализ качества зерна пшеницы инструментальными методами является актуальной задачей ввиду ежегодного увеличения объемов его производства и экспорта. Метод цифровой рентгенографии перспективен для исследования внутренней структуры зерна пшеницы, так как является неразрушающим и совместно с другими методами дает возможность наиболее полно описать параметры зерна.

Цель работы

Цель работы. Определить возможности цифровой рентгенографии для исследования структуры зерна пшеницы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для получения цифровых рентгеновских изображений использована многофункциональная передвижная рентгенодиагностическая установка производства ЗАО "ЭЛТЕХ-Мед". Напряжение на трубке установки – 9 кВ. В статье использованы образцы зерна твердой пшеницы разных сортов. Для автоматизации операций по обработке изображений зерна применялись разработанные скрипты на языке Python с использованием библиотек numpy, opencv.

Результаты

Результаты. Исследовано ослабление рентгеновского излучения материалом зерна. Показано, что оболочка зерна обладает большим коэффициентом ослабления, чем эндосперм. Найдено обоснование явления, которое заключается в большей концентрации калия и фосфора в оболочке пшеницы. Полученное расчетным путем отношение коэффициентов ослабления оболочки к эндосперму составило 1.27, экспериментальным 1.36. Показано влияние геометрической формы зерна пшеницы на формирование рентгеновского изображения зерна. Приведен способ описания геометрической формы зерна с использованием кривых второго порядка. Построена математическая модель прохождения рентгеновского излучения в зерне пшеницы с учетом его сложной формы и неоднородного распределения макроэлементов в нем. Модель позволяет неразрушающим методом оценить коэффициенты ослабления эндосперма и оболочки зерна.

Заключение

Заключение. Метод цифровой рентгенографии для исследования пшеницы рационально применять в научных исследованиях и задачах селекции. Предложенную модель прохождения рентгеновского излучения в зерне пшеницы можно использовать для численного определения некоторых показателей качества зерна.

Introduction

Introduction. Analysis of the quality of wheat grain using instrumental methods is an important task due to the permanent growth in annual wheat production and export. Digital radiography is a promising method for studying the internal structure of wheat grain. Along with other methods, digital radiography allows non-destructive testing and comprehensive description of grain parameters.

Aim

Aim. To determine the capabilities of digital radiography for studying the structure of wheat grain.

Materials and methods

Materials and methods. Digital X-ray images were obtained using a multifunctional mobile x-ray diagnostic unit produced by JSC "ELTECH-Med" was used with the installation tube voltage of 9 kV. Durum wheat grain samples of different varieties were used. Operations for processing grain images were automated using the scripts developed in Python using the numpy and opencv libraries.

Results

Results. The attenuation of X-ray radiation by grain material was studied. Wheat bran was found to exhibit a greater attenuation coefficient than the endosperm, assumably due to the higher concentration of potassium and phosphorus in the wheat outer layer. The calculated ratio of the attenuation coefficients of the bran to the endosperm was 1.27, compared to the experimentally obtained value of 1.36. The influence of the geometric shape of wheat grain on the formation of its X-ray image was determined. A method for describing the geometric shape of wheat grain using second-order curves was presented. A mathematical model for the transmission of X-ray radiation in wheat grain was constructed, taking into account its complex shape and the heterogeneous distribution of macroelements therein. This model allows estimation of the attenuation coefficients of the grain endosperm and outer layer using a non-destructive method.

Conclusion

Conclusion. Digital radiography is an effective method for studying wheat when carrying out research and breeding tasks. The proposed model for the transmission of X-ray radiation in wheat grain can be used to numerically determine some indicators of grain quality.

цифровая рентгенографиямикрофокусная рентгенографияпшеницазерносеменаdigital radiographymicrofocus radiographywheatgrainseedsReferencesCrops and livestock products // FAOSTAT. URL: https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL (дата обращения 02.10.2023)Crops and Livestock Products. FAOSTAT. Available at: https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL (accessed 02.10.2023)Анализ состояния мирового рынка пшеницы и перспективы России по расширению экспортного потенциала / Д. И. Жиляков, В. Я. Башкатова, Ю. В. Плахутина, О. В. Петрушина, Д. А. Зюкин // Экономические науки. 2020. № 183. С. 38–43. doi: 10.14451/1.183.38Zhilyakov D. I., Bashkatova V. Ya., Plakhutina Yu. V., Petrushina O. V., Zyukin D. A. Analysis of the State of the World Wheat Market and Russia's Prospects for Expanding Export Potential. Economic Sciences. 2020, no. 183, pp. 38–43. doi: 10.14451/1.183.38 (In Russ.)Зимняков В. М. Тенденции производства пшеницы в России // Инновационная техника и технология. 2020. № 2 (23). С. 48–52.Zimnyakov V. M. Trends in Wheat Production in Russia. Innovative Equipment and Technology. 2020, no. 2 (23), pp. 48–52. (In Russ.)Новые сорта – резерв увеличения урожайности и качества зерна озимой пшеницы / Х. А. Малкандуев, Р. И. Шамурзаев, В. А. Филобок, М. В. Кашукоев, А. Х. Малкандуева, И. М. Ханиева // Изв. Кабардино-Балкарского гос. аграрного ун-та им. В. М. Кокова. 2023. № 2 (40). С. 16–24. doi: 10.55196/2411-3492-2023-2-40-16-24Malkanduev Kh. A., Shamurzaev R. I., Filobok V. A., Kashukoev M. V., Malkandueva A. Kh., Khanieva I. M. New Varieties are a Reserve for Increasing the Yield and Quality of Winter Wheat Grain. News of the Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V. M. Kokova. 2023, no. 2 (40), pp. 16–24. doi: 10.55196/2411-3492-2023-2-40-16-24 (In Russ.)Use of X-ray micro computed tomography imaging to analyze the morphology of wheat grain through its development / T. D. Q. Le, C. Alvarado, C. Girousse, D. Legland, A.-L. Chateigner-Boutin // Plant Methods. 2019. Vol. 15. P. 84–103. doi: 10.1186/s13007-019-0468-yLe T. D. Q., Alvarado C., Girousse C., Legland D., Chateigner-Boutin A.-L. Use of X-ray Micro Computed Tomography Imaging to Analyze the Morphology of Wheat Grain through Its Development. Plant Methods. 2019, vol. 15, pp. 84–103. doi: 10.1186/s13007-019-0468-yGenetic Mapping Analysis of Bread-Making Quality Traits in Spring Wheat / K. Simons, J. A. Anderson, M. Mergoum, J. D. Faris, D. L. Klindworth, S. S. Xu, C. Sneller, J.-B. Ohm, G. A. Hareland, M. C. Edwards, S. Chao // Crop Science. 2012. Vol. 52, iss. 5. P. 2182–2197. doi: 10.2135/cropsci2012.03.0175Simons K., Anderson J. A., Mergoum M., Faris J. D., Klindworth D. L., Xu S. S., Sneller C., Ohm J.-B., Hareland G. A., Edwards M. C., Chao S. Genetic Mapping Analysis of Bread-Making Quality Traits in Spring Wheat. Crop Science. 2012, vol. 52, iss. 5, pp. 2182– 2197. doi: 10.2135/cropsci2012.03.0175Желудков А. Г., Белецкий С. Л., Потрахов Н. Н. Теоретические аспекты автоматизации рентгенографического метода анализа качества семян и товарного зерна злаковых культур // Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд: междунар. сб. науч. тр. ФБГУ НИИПХ Росрезерва. М.: Галея Принт, 2014. С. 106–115.Zheludkov A. G., Beletsky S. L., Potrahov N. N. Theoretical Aspects of Automation of the Radiographic Method for Analyzing the Quality of Seeds and Commercial Grain of Cereal Crops. Innovative Technologies for the Production and Storage of Material Assets for State Needs: Intern. Sat. scientific tr. FBGU NIIPH Rosrezerva. Moscow, Galeya Print, 2014, pp. 106–115. (In Russ.)Желудков А. Г., Потрахов Н. Н., Белецкий С. Л. Комплексное решение задач автоматизации рентгенографического метода анализа качества семян и зерна злаковых культур // Хлебопродукты. 2016. № 5. С. 58–61.Zheludkov A. G., Potrahov N. N., Beletsky S. L. A Comprehensive Solution to the Problems of Automation of the Radiographic Method for Analyzing the Quality of Seeds and Grains of Cereal Crops. Bakery Products. 2016, no. 5, pp. 58–61. (In Russ.)Потрахов Н. Н. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестн. новых мед. технологий. 2007. Т. 14, № 3. С. 167–169.Potrahov N. N. Method and Features of the Formation of Shadow X-Ray Images Using Microfocus Radiation Sources. Bulletin of New Medical Technologies. 2007, vol. 14, no. 3, pp. 167–169. (In Russ.)Потрахов Н. Н., Грязнов А. Ю. Метод оценки информативности визуализированных дентальных рентгеновских изображений // Мед. техника. 2009. № 1. С. 16–18.Potrahov N. N., Gryaznov A. Yu. Method for Assessing the Information Content of Visualized Dental X-Ray Images. Medical Technology, 2009, no. 1, pp. 16–18. (In Russ.)Combining computer vision and deep learning to enable ultra-scale aerial phenotyping and precision agriculture: A case study of lettuce production / A. Bauer, A. G. Bostrom, J. Ball, C. Applegate, T. Cheng, S. Laycock, S. M. Rojas, J. Kirwan, J. Zhou // Horticulture Research. 2019. Vol. 6. P. 70–82. doi: 10.1038/s41438-019-0151-5Bauer A., Bostrom A. G., Ball J., Applegate C., Cheng T., Laycock S., Rojas S. M., Kirwan J., Zhou J. Combining Computer Vision and Deep Learning to Enable Ultra-Scale Aerial Phenotyping and Precision Agriculture: a Case Study of Lettuce Production. Horticulture Research. 2019, vol. 6, pp. 70–82. doi: 10.1038/s41438-019-0151-5X-Ray Computer Methods for Studying the Structural Integrity of Seeds and Their Importance in Modern Seed Science / M. V. Arkhipov, N. S. Priyatkin, L. P. Gusakova, N. N. Potrakhov, A. Yu. Gryaznov, V. B. Bessonov, A. V. Obodovskii, N. E. Staroverov // Tech. Phys. 2019. Vol. 64. P. 582– 592. doi: 10.1134/S1063784219040030Arkhipov M. V., Priyatkin N. S., Gusakova L. P., Potrakhov N. N., Gryaznov A. Yu., Bessonov V. B., Obodovskii A. V., Staroverov N. E. X-Ray Computer Methods for Studying the Structural Integrity of Seeds and Their Importance in Modern Seed Science. Tech. Phys. 2019, vol. 64, pp. 582–592. doi: 10.1134/S1063784219040030Козьмина Н. П., Гунькин В. А., Сусля нок Г. М. Теоретические основы прогрессивных технологий (Биотехнология). Зерноведение (с основами биохимии растений). М.: Колос, 2006. 307 с.Kozmina N. P., Gunkin V. A., Suslyanok G. M. Teoreticheskie osnovy progressivnykh tekhnologii (Biotekhnologiya). Zernovedenie (s osnovami biokhimii rastenii) [Theoretical Foundations of Progressive Technologies (Biotechnology). Grain Science (with the basics of plant biochemistry)]. Moscow, Kolos, 2006, 307 p. (In Russ.)Белецкий С. Л., Иванова Е. В., Фешина Т. В. Современные рентгендиагностические комплексы для экспресс-оценки качества сырья // Практические аспекты исследования и мониторинга качества сырья и продуктов питания для обеспечения продовольственной безопасности России: сб. докл. науч.-практ. семинара / ФГУ НИИПХ Росрезерва. М., 2010. С. 78–83.Beletsky S. L., Ivanova E. V., Feshina T. V. Modern X-ray Diagnostic Complexes for Express Assessment of the Quality of Raw Materials. Practical Aspects of Research and Monitoring the Quality of Raw Materials and Food Products to Ensure Food Security in Russia. Mos-cow, FGU NIIPH Rosrezerva, 2010, pp. 78–83. (In Russ.)Distribution of Minerals in Wheat Grains (Triticum aestivum) and in Roller Milling Fractions Affected by Pearling / N. D. Brier, S. V. Gomand, E. Donner, D. Paterson, J. A. Delcour, E. Lombi, E. Smolders // J. of Agricultural and Food Chemistry. 2015. Vol. 63, iss. 4. P. 1276–1285. doi: 10.1021/jf5055485Brier N. D., Gomand S. V., Donner E., Paterson D., Delcour J. A., Lombi E., Smolders E. Distribution of Minerals in Wheat Grains (Triticum aestivum) and in Roller Milling Fractions Affected by Pearling. J. of Agricultural and Food Chemistry. 2015, vol. 63, iss. 4, pp. 1276–1285. doi: 10.1021/jf5055485Релина Л. И., Вечерская Л. А., Голик О. В. Содержание белка и минералов в зерне некоторых видов редких тетраплоидных пшениц // Вестн. БарГУ. Сер.: Биологические науки. С.-х.. 2019. № 7. С. 130–138.Relina L. I., Vecherskaya L. A., Golik O. V. Content of Protein and Minerals in the Grain of Some Types of Rare Tetraploid Wheat. Bulletin of BarSU. Series: Biological Sciences. Agricultural Sciences. 2019, no. 7, pp. 130– 138. (In Russ.)Genetic variability and stability of grain magnesium, zinc and iron concentrations in bread wheat / F.-X. Oury, F. Leenhardt, C. Remesy, E. Chanliaud, B. Duperrier, F. Balfourier, G. Charmet // Europ. J. Agronomy. 2006. Vol. 25. P. 177–185. doi: 10.1016/j.eja.2006.04.011Oury F.-X., Leenhardt F., Remesy C., Chanliaud E., Duperrier B., Balfourier F., Charmet G. Genetic Variability and Stability of Grain Magnesium, Zinc and Iron Concentrations in Bread Wheat. Europ. J. Agronomy. 2006, vol. 25, pp. 177–185. doi: 10.1016/j.eja.2006.04.011

The authors declare that there are no conflicts of interest present.