利用太赫兹时域光谱与物理约束神经网络对根肿病进行非侵入式诊断
图像与视频处理
2026-01-21 v1 光学
摘要
根肿病是影响油菜及其他十字花科作物的一种主要土传病害，其特征是在易感宿主根部形成大的肿瘤。在本研究中，我们首次将太赫兹时域光谱（THz-TDS）作为植物病理学中的非侵入式诊断工具。与传统的分子、光谱和免疫分析方法相比，THz-TDS 具有非接触、无损且免样品制备的独特优势，能够对植物和土壤样品进行快速原位筛查。我们的结果表明，THz-TDS 能够通过检测结构和生化变化来区分健康组织与感染根肿病的组织。具体而言，受感染的根部在低频太赫兹范围内表现出折射率的蓝移，同时出现明显的特征峰——这表明根部和叶片的水分运输遭到破坏以及代谢活动发生改变。有趣的是，在受感染植物中观察到的典型根部肿胀反映的是内部组织结构的紊乱，而非水分含量的实际增加。此外，提出了一种物理约束神经网络来提取 THz-TDS 中的主要特征。综合评估（包括时域信号、幅度与相位图像、折射率与吸收系数图谱以及主成分分析）相较于原始时域或频域信号提供了增强的对比度和空间分辨率。这些发现表明，THz-TDS 在植物病害的早期无损检测方面具有巨大潜力，可作为限制病害在农业系统中传播的有价值工具。
引用
@article{arxiv.2601.13069,
title = {Non-Invasive Diagnosis for Clubroot Using Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Physics-Constrained Neural Networks},
author = {Pengfei Zhu and Jiaxu Wu and Alyson Deslongchamps and Yubin Zhang and Xavier Maldague},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.13069},
year = {2026}
}