Xác định tỉ lệ mô mỡ và mô cơ trên lợn sử dụng phương pháp siêu âm không phá hủy

Bài viết trình bày việc ứng dụng phương pháp siêu âm không phá hủy để xác định độ dày mô cơ và mô ỡ trong lợn theo đó có thể xác định được tỉ lệ các lớp mô trong lợn. Bằng việc sử dụng kĩ thuật siêu âm xung dội là một trong những phương pháp đo lường bằng siêu âm, vận tốc của sóng siêu âm truyền trong mô mỡ và cơ của lợn được xác định. Sau đó, một thuật toán xử lý tín hiệu số được áp dụng để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép đo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Xác Định Tỉ Lệ Mô Mỡ Và Mô Cơ Trên Lợn Sử Dụng Phương Pháp Siêu Âm Không Phá Hủy Đỗ Thị Thanh Dịu1, Nguyễn Đức Triều, Nguyễn Ngọc An1, Phạm Văn Thành2 Chử Đức Trình1 Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Khoa Vật Lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - ĐHQGHN trinhcd@vnu.edu.vn thành phần dinh dưỡng thịt lợn [5] Nghiên cứu cho kết vận tốc truyền siêu âm mô mềm lợn, từ ước tính tỉ lệ lớp lợn việc thiết lập hệ đo đơn giản Sóng siêu âm âm có tần số cao ngưỡng nghe người, 20kHz Vì vậy, có nhiều ứng dụng sinh học Phương pháp không phá hủy dễ dàng thực Khi đặt đầu dò siêu âm bề mặt da lợn, xung siêu âm từ đầu dò truyền qua da, mỡ, xương Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách mơi trường có trở kháng khác nhau, bị phản xạ phần Khoảng thời gian từ lúc xung siêu âm phát trở lại đầu dị giúp xác định vận tốc sóng âm truyền mơ Sử dụng vận tốc để tính tốn độ dày lớp mỡ da lớp Vì mà ước lượng tỉ lệ thành phần mô lợn Abstract— Trong báo này, chúng tơi trình bày việc ứng dụng phương pháp siêu âm không phá hủy để xác định độ dày mô mơ ỡ lợn theo xác định tỉ lệ lớp mô lợn Bằng việc sử dụng kĩ thuật siêu âm xung dội phương pháp đo lường siêu âm, vận tốc sóng siêu âm truyền mơ mỡ lợn xác định Sau đó, thuật tốn xử lý tín hiệu số áp dụng để nâng cao độ xác độ tin cậy phép đo Vận tốc sóng siêu âm truyền mỡ da có giá trị 1422.9 ± 52.4 1583.9 ± 12.5 m/s Các vận tốc sau sử dụng để tính tốn độ dày mơ mỡ mơ mẫu vật khác Các kết thí nghiệm có với giá trị sai số phép đo nhỏ 5.2% so sánh với độ dày đo thước kẹp điện tử Keywords- Phương pháp không phá hủy, vận tốc siêu âm, xử lý tín hiệu số I GIỚI THIỆU Tỉ lệ mô mỡ da thịt lợn nhân tố quan trọng để ước lượng chất lượng sản phẩm thịt Tỉ lệ phù hợp đem lại cho người bữa ăn ngon Ngược lại, miếng thịt với tỉ lệ mỡ cao, nấu lên ăn chứa nhiều chất béo không gây cảm giác không ngon miệng mà việc tiêu thụ sản phẩm lâu dài có ảnh hưởng không tốt tới sức khỏe Nếu tỉ lệ mỡ thấp, ăn khơng mềm, ngon Để nâng cao chất lượng sản phẩm từ thịt, công nghệ sinh học đời trở thành cách mạng chăn nuôi Bằng việc ứng dụng công nghệ này, lợn nuôi môi trường giống với tự nhiên cung cấp nguồn thức ăn Mặc dù chất lượng thịt lợn cải thiện đáng kể mùi vị thơm ngon hạn chế phương pháp chăn nuôi này tỉ lệ mỡ thịt cịn cao sản phẩm khó mở rộng thị trường, khơng đem lại lợi ích kinh tế cao cho người chăn ni Vấn đề đặt kiểm sốt tốt tỉ lệ mỡ da tỉ lệ nạc lợn sản phẩm thịt có phải an tồn cho người tiêu dùng Một phương pháp giải hiệu vấn đề là kiểm tra khơng phá hủy (NDT) NDT q trình xem xét, kiểm tra ước lượng cấu trúc vật liệu mà không phá hủy hay làm hư hại tới vật liệu Kiểm tra siêu âm xung dội phương pháp NDT ứng dụng rộng rãi số lĩnh vực khác sống Nó sử dụng để tính tốn độ sâu thực tế biển [1], độ dày lớp mỡ da dự đoán tổng lượng mỡ thể số lồi chó [2], độ dày mỡ da người [3], thay đổi độ dày tương đối lớp mỡ da đàn lợn thời kì phát triển [4], ước định Phần lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả mơ hình thí nghiệm phương pháp tính tính tốn Trong phần III, chúng tơi đưa kết đo thảo luận Cuối cùng, kết luận báo phần IV II MẪU VẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách lớp mô, phần bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu Tổng lượng bị phản xạ từ mặt phân cách phụ thuộc vào trở khác môi trường Sự sai khác trở kháng loại mô lớn, lượng bị phản xạ nhiều Trở kháng đặc tính mơ xác định mật độ mô tế bào vận tốc siêu âm truyền mơ Thời gian truyền âm (TOF) quan sát để tính vận tốc truyền vật liệu xác định công thức [6]: (1) t= với l v độ dày mẫu vật [m] vận tốc truyền siêu âm [m/s] Thí nghiệm cài đặt cho phép đo vận tốc truyền siêu âm mô lợn minh họa Fig.2(a) Một máy phát siêu âm (5077PR)[7] kết nối với đầu dị có tần số trung tâm 5MHz (Olympus) [8] (dải đo y tế đến 20 MHz Trong nghiên cứu chọn MHz có sẵn, tần số khác khảo sát sau) để tạo sóng siêu âm truyền mẫu vật Nếu xuất gián đoạn trình truyền âm, xung phản xạ thu lại dao động ký [2] Hình 2(b) Tín hiệu phát thu lại số hóa với chu kỳ lấy mẫu 0.02s Trong thí nghiệm này, chất 97 tiếp âm sử dụng để loại bỏ lớp không khí mẫu vật đầu dị Phần mỡ nạc lợn xẻ thịt sử dụng cho thí nghiệm lấy từ lợn khỏe mạnh mẫu vật khơng qua quy trình xử lý để đảm bảo giữ đặc điểm tự nhiên thịt Khoảng 50 mẫu vật chọn ngẫu nhiên sau vật giết mổ lò giết mổ Các mẫu vật lựa chọn có cấu trúc tương đối ổn định để đơn giản hóa phép đo thuận tiện cho việc tính tốn Các thí nghiệm tiến hành điều kiện nhiệt độ phịng Thí nghiệm cho phép đo vận tốc siêu âm truyền mô mỡ mô tiến hành với mẫu vật khác lấy giá trị trung bình lần đo Xung siêu âm phát từ đầu dị truyền qua mơ Khi xung siêu âm chạm tới mặt phân cách loại mô, phản xạ trở lại đầu dị, làm thạch anh đầu dị dao động tín hiệu điện tạo Tín hiệu siêu âm sau rời rạc hóa truyền tới máy tính Một tín hiệu siêu âm thu đầu dị Sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số MATLAB, vị trí thời gian truyền đỉnh phản xạ xác định (a) Hình Lưu đồ thuật tốn xử lý tín hiệu siêu âm phản xạ lại đầu dị Lưu đồ thuật tốn để lấy đỉnh phản xạ Hình Đầu tiên, sử dụng biến đổi Hilbert để thu đường bao tín hiệu Tiếp đó, tín hiệu cho qua lọc thông thấp để làm giảm bớt đỉnh nhiễu cao tần gây Tín hiệu sau chuyển lại miền thời gian để làm mịn hàm Smooth Sau bước làm mịn, ngưỡng xác định để loại bỏ đỉnh không mong muốn Cuối cùng, hàm Findpeaks sử dụng giúp thu đỉnh theo mong muốn Khoảng thời gian đỉnh kề thời gian phản xạ sóng siêu âm tính tốn vận tốc truyền siêu âm mô công thức (1) (b) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tín hiệu siêu âm truyền mô mỡ mô lợn sau phản xạ trở lại đầu dò lưu lại máy tính thơng qua kết nối mạng LAN Tiếp đó, tín hiệu xử lý theo lưu đồ thuật tốn đề cập Hình Tín hiệu mô mỡ mô sau qua xử lý có dạng Hình Hình Hình Hình cho thấy vận tốc mơ mỡ mơ tính tốn lần đo khác Vận tốc siêu âm trung bình mơ mỡ 1422 ± 52.4 1583.9 ± 12.5 m/s Bảng Bảng so sánh kết độ dày mẫu vật đo phương pháp siêu âm đo thước kẹp điện tử với kết vận tốc tính trước Sai số phép đo thước kẹp điện tử phép đo siêu âm qua lần đo nhỏ 5.2% (c) Hình Thiết lập thí nghiệm (a) Thiết lập thí nghiệm siêu âm truyền mơ mỡ mô lợn (b) Một mẫu mô lợn (c) Dạng tín hiệu siêu âm thu 98 (b) (a) (c) Hình Sóng siêu âm truyền mô (a) Biến đổi Hilbert, (b) Lọc thông thấp làm mịn, (c) Lọc ngưỡng tìm đỉnh (b) (c) Hình Sóng siêu âm truyền mơ mỡ (a) Biến đổi Hilbert, (b) Lọc thông thấp làm mịn, (c) Lọc ngưỡng tìm đỉnh Hình Vận tốc siêu âm truyền mô mỡ qua lần đo khác Hình Vận tốc siêu âm truyền mô qua lần đo khác (a) 99 phản xạ tín hiệu sau xử lý cho ta nhận biết tồn lớp (Hình 7(b)) Áp dụng lý thuyết siêu âm, ước lượng tương đối độ dày lớp Tuy nhiên, tín hiệu thu cịn bị nhiễu cản trở lớn việc phân tích tín hiệu xác Trong thực tế, loại mơ khác số vị trí thể vật có liên kết cấu trúc phức tạp tương đối phức tạp Đây thách thức lớn nhóm nghiên cứu Dù vậy, bước đầu xác định độ dày hay đặc điểm truyền âm lớp, lớp mỡ thơng qua tín hiệu phản xạ, cho ta nhìn tổng quan bên mẫu vật, mở tiềm kiểm soát chất lượng thịt lợn chăn nuôi, cung cấp thông tin kịp tức tới người ni lợn Do đó, việc cải thiện phương án xử lý tín hiệu phép đo cần thiết cho nghiên cứu tương lai Bảng Độ dày mô mỡ đo siêu âm thước kẹp điện tử Mẫu Vật Độ dày đo Độ dày đo Sai số thước kẹp điện phương pháp [%] tử (cm) siêu âm [cm] 1.49 1.51 1.342 2.41 2.39 0.830 4.18 3.96 5.263 4.75 4.53 4.632 6.96 2.929 7.17 Bảng Độ dày mô đo siêu âm thước kẹp điện tử Độ dày đo Sai số Mẫu Vật Độ dày đo thước kẹp điện phương pháp [%] tử (cm) siêu âm [cm] 1.98 2.591 1.93 2.72 1.493 2.68 5.74 5.71 0.523 6.44 1.738 6.33 5.32 5.33 0.188 IV KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, việc xác định vận tốc siêu âm truyền mô mỡ mô lợn tiến hành nhiều mẫu vật Các kết đo cho đưa vận tốc siêu âm truyền mô mỡ mô 1422 ± 52.4 1583.9 ± 12.5 (m/s) Các kết sau sử dụng để xác định độ dày lớp mỡ mẫu vật khác mà không cần xẻ mẫu vật (phương pháp không xâm lấn) Độ dày lớp mỡ tính tốn siêu âm có mức độ tương đồng cao với độ dày đo thước kẹp điện tử Độ dày lớp đo có sai số nhỏ 5.2% Dù vậy, việc cải tiến phương pháp xử lý tín hiệu phép đo cần thiết Các kết ban đầu thu đưa cách tiếp cận khả quan để ước lượng tỉ lệ mỡ lợn, giúp người chăn ni kiểm sốt chất lượng thịt chặt chẽ từ bên trong q trình chăn ni Trong tương lai, tiếp tục nghiên cứu phát triển thiết bị cầm tay sử dụng rộng rãi đời sống (a) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] (b) [5] Hình Thí nghiệm với mẫu vật gồm lớp (a) Mẫu vật với lớp mỡ (b) Tín hiệu thu từ mẫu vật lớp [6] Ở thí nghiệm với mẫu vật gồm lớp, nghiên cứu ứng dụng phương pháp siêu âm việc tính tốn độ dày lớp mỡ số vị trí thể lợn Mẫu vật sử dụng thí nghiệm gồm lớp: lớp mỡ lớp (Hình 7(a)) Để dễ dàng cho việc tính tốn, lớp mỡ đặt lên lớp nạc liên kết lớp gel siêu âm Mỡ lấy từ phần lưng lấy từ phần thăn lợn Tín hiệu [7] [8] 100 S E Borujeni, “Ultrasonic underwater depth measurement,” Underw Technol., vol 2002–Janua, pp 33–36, 2002 M J Wilkinson and N A McEwan, “Use of ultrasound in the measurement of subcutaneous fat and prediction of total body fat in dogs.,” J Nutr., vol 121, no April, pp S47–S50, 1991 J Ying and C Ng, “Automatic Measurement of Human Subcutaneous Fat with Ultrasound,” no September, 2006 F J McEvoy, A B Strathe, M T Madsen, and E Svalastoga, “Changes in the relative thickness of individual subcutaneous adipose tissue layers in growing pigs,” Acta Vet Scand., vol 49, no 1, pp 1–7, 2007 T Koch et al., “Ultrasound parameters of porcine back fat with relation to structure and composition,” no May 2014, pp 1–3, 2007 J D N.Cheeke, Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves 2012 N Magic, “User ’ S Manual,” no 408, pp 1–39, 2009 Olympus Corporation, “Ultrasonic Transducers,” pp 45–46, 2015 ... truyền mô mỡ mô lợn tiến hành nhiều mẫu vật Các kết đo cho đưa vận tốc siêu âm truyền mô mỡ mô 1422 ± 52.4 1583.9 ± 12.5 (m/s) Các kết sau sử dụng để xác định độ dày lớp mỡ mẫu vật khác mà không. .. lập thí nghiệm (a) Thiết lập thí nghiệm siêu âm truyền mơ mỡ mô lợn (b) Một mẫu mô lợn (c) Dạng tín hiệu siêu âm thu 98 (b) (a) (c) Hình Sóng siêu âm truyền mô (a) Biến đổi Hilbert, (b) Lọc thông... tính Một tín hiệu siêu âm thu đầu dị Sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số MATLAB, vị trí thời gian truyền đỉnh phản xạ xác định (a) Hình Lưu đồ thuật tốn xử lý tín hiệu siêu âm phản xạ lại đầu