Detekcja mechanicznych i chorobowych uszkodzeń jabłek za pomocą czasoprzestrzennej analizy biospecklowych obrazów interferencyjnych

Tytuł: Detekcja mechanicznych i chorobowych uszkodzeń jabłek za pomocą czasoprzestrzennej analizy biospecklowych obrazów interferencyjnych

Kierownik: Andrzej Kurenda

Okres realizacji: 2015-2017

Typ projektu oraz finansowanie: projekt w ramach programu „Iuventus Plus” finansowany Przez Ministerstwo Edukacji i Szkolnictwa Wyższego

Celem naukowym projektu jest zastosowanie czasoprzestrzennej analizy aktywności biospeckli do wczesnego, niedestrukcyjnego wykrywania najczęściej spotykanych w praktyce typów uszkodzeń jabłek. Zjawisko biospeckli powstaje na skutek rozpraszania światła na ruchomych elementach znajdujących się w żywej tkance. Ruchy organelli komórkowych oraz substancji rozpuszczonych w cytoplazmie są głównym źródłem aktywności biospeckli. Ponieważ mechanizmy aktywnego transportu wewnątrzkomórkowego opierające się głównie na mechanizmie aktynowo-miozynowym, mogą być reprezentatywnym procesem umożliwiającym ocenę stanu fizjologicznego komórek. Analiza aktywności biospeckli jako pochodnej zależnych od metabolizmu prędkości ruchów wewnątrzkomórkowych może służyć do oceny stanu fizjologicznego owoców a szczególnie wykrywania tkanek o obniżonym lub podwyższonym tempie metabolizmu, czyli uszkodzonych lub zainfekowanych. Ponieważ najczęściej spotykanymi w praktyce uszkodzeniami jabłek są naturalne infekcje chorobowe oraz obicia z których następnie rozwijają się infekcje, obrazowanie biospecklowe zostanie zastosowane do wczesnego (zanim będą widoczne wizualne objawy uszkodzenia) wykrywania wymienionych typów uszkodzeń. Czasoprzestrzenne obrazowanie aktywności biospeckli wykonane będzie na zestawie  zaprojektowanym w IA PAN z użyciem laserów o długościach fali z zakresu VIS/NIR. Planowane jest generowanie uszkodzeń mechanicznych za pomocą maszyny wytrzymałościowej, punktowe infekowanie jabłek za pomocą gorzkiej zgnilizny oraz obserwacja infekcji powstałych naturalnie podczas przechowywania. Za pomocą analizy obrazów biospecklowych możliwe będzie określenie uszkodzonego miejsca na powierzchni owocu na podstawie różnic pomiędzy aktywnością uszkodzonego obszaru a obszarami nieuszkodzonymi lub w porównaniu do aktywności jabłek kontrolnych. Charakterystyka uszkodzenia będzie obejmowała określenie powierzchni obszaru uszkodzonego, rozpoznanie typu uszkodzenia (mechaniczne lub infekcja) oraz określenie przybliżonego czasu od momentu uszkodzenia. Poprawność oceny uszkodzeń za pomocą analizy obrazów biospecklowych będzie zweryfikowana za pomocą oznaczeń mikrobiologicznych i obserwacji mikroskopowych.  Wymiernymi efektami planowanych badań będą publikacje w czasopismach z listy filadelfijskiej jak i doniesienia konferencyjne o znaczeniu międzynarodowym. Urządzenie oraz metody analizy obrazów zostaną opatentowane a istniejący egzemplarz urządzenia będzie służył jako potencjalny prototyp do konstrukcji maszyny o zastosowaniu przemysłowym.

Osiągnięcia:

1. Opracowanie skutecznej metody detekcji porażeń grzybowych owoców jabłoni z wykorzyztsaniem zjawiska bispeckli (rezultaty w trakcie procesu publikacyjnego). 

2. Opracowanie nowej metody do obrazowania zjawiska biospeckli w trybie ciągłym, oraz praktyczna implelentacja metody w postaci programu komputerowego.

Demonstracja działania nowej metody ESF (Exponentially Smoothed Fujii) do obrazowania biospeckli w trybie ciągłym.

Publikacje:

1. Skic A., Szymańska-Chargot M., Kruk B., Chylińska M., Pieczywek P.M., Kurenda A., Zdunek A., Rutkowski K.P., Determination of the optimum harvest window for apples using the non-destructive biospeckle method. Sensors 2016, Vol. 16, 661, doi:10.3390/s16050661.

Konferencje i Sympozja:

1. Pieczywek P.M., Kurenda A., Zdunek A., Biospeckle image analysis in frequency domain using Fast Fourier Transform. Sensing Plant Water Status - Methods and Applications in Horticultural Science , ISHS Symposium 2016, s.84.
2. Pieczywek, P.M., Kurenda, A., Cybulska, J., Zdunek, A., Application of the biospeckle method for early detection of fungal disease of apple fruit. 11th International Conference on Agrophysics, 26th - 28th September 2016,  Lublin, Poland, s. 61
3. Cybulska J., Pieczywek P.M., Kurenda A., Zdunek A., Detekcja chorobowych uszkodzeń jabłek za pomocą czasoprzestrzennej analizy aktywności biospecklowych obrazów interferencyjnych. V Sympozjum Inżynierii Żywności, 21-23 czerwca 2016 r., Warszawa,  s. 17.
4. Pieczywek P.M., Kurenda A., Zdunek A., Analiza obrazów biospecklowych w dziedzinie częstotliwościowej z zastosowaniem metody szybkiej transformacji Fouriera (FFT). V Sympozjum Inżynierii Żywności, 21-23 czerwca 2016 r., Warszawa,  s. 113
5. Pieczywek P.M., Kurenda A., Cybulska J., Zdunek A., Przestrzenne obrazowanie rozwoju porażenia grzybowego owocu jabłoni metodą biospeckli. XXIII Lubelskie Warsztaty Biofizyczne, Polskie Towarzystwo Biofizyczne, Kazimierz Dolny, 2016.
6. Pieczywek P.M., Kurenda A., Zdunek A., Częstotliwościowa analiza obrazów biospecklowych metodą szybkiej transformacji Fouriera (FFT). XXII Lubelskie Warsztaty Biofizyczne, Polskie Towarzystwo Biofizyczne, Kazimierz Dolny, 2-3.06.2015, (referat)