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!
Trang 1Xác 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 và Chử Đức Trình1
1 Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
2 Khoa Vật Lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - ĐHQGHN
trinhcd@vnu.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi 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 Vận tốc sóng siêu âm
truyền trong mỡ dưới da và cơ có giá trị lần lượt là 1422.9 ± 52.4
và 1583.9 ± 12.5 m/s Các vận tốc này sau đó được sử dụng để
tính toán độ dày mô mỡ và mô cơ của các mẫu vật khác Các kết
quả thí nghiệm có được với các giá trị sai số phép đo nhỏ hơn
5.2% khi so sánh với độ dày đo được bởi thước kẹp điện tử
Keywords- Phương pháp không phá hủy, vận tốc siêu âm, xử lý
tín hiệu số
I GIỚITHIỆU
Tỉ lệ mô mỡ dưới da và cơ trong thịt lợn là một nhân tố
quan trọng để ước lượng chất lượng của các sản phẩm thịt Tỉ
lệ đó phù hợp sẽ đem lại cho con người những bữa ăn ngon
Ngược lại, nếu miếng thịt với tỉ lệ mỡ cao, khi nấu lên món ăn
sẽ chứa rất nhiều chất béo không chỉ gây ra cảm giác không
ngon miệng mà việc tiêu thụ các sản phẩm như vậy về lâu dài
sẽ có ảnh hưởng không tốt tới sức khỏe Nếu tỉ lệ mỡ quá thấp,
món ăn sẽ không mềm, ngon Để nâng cao chất lượng các sản
phẩm từ thịt, công nghệ sinh học ra đời và trở thành một cuộc
cách mạng trong chăn nuôi Bằng việc ứng dụng công nghệ
này, các con lợn được nuôi trong môi trường giống với tự
nhiên và được cung cấp nguồn thức ăn sạch Mặc dù chất
lượng thịt lợn được cải thiện đáng kể về mùi vị thơm ngon
nhưng hạn chế của phương pháp chăn nuôi này là này là tỉ lệ
mỡ trong thịt vẫn còn cao và do đó các sản phẩm này khó mở
rộng được thị trường, và không đem lại lợi ích kinh tế cao cho
người chăn nuôi Vấn đề đặt ra là kiểm soát tốt tỉ lệ mỡ dưới
da và tỉ lệ nạc của lợn và sản phẩm thịt có được phải an toàn
cho người tiêu dùng Một phương pháp có thể giải quyết hiệu
quả vấn đề này là đó là kiểm tra không phá hủy (NDT) NDT
là một quá trình xem xét, kiểm tra và ước lượng cấu trúc vật
liệu mà không phá hủy hay làm hư hại tới vật liệu đó Kiểm
tra bằng siêu âm xung dội là một trong các phương pháp NDT
được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống Nó đã được sử dụng để tính toán độ sâu thực tế của
biển [1], độ dày lớp mỡ dưới da và dự đoán tổng lượng mỡ
trong cơ thể của một số loài chó [2], độ dày của mỡ dưới da
của người [3], chỉ ra sự thay đổi độ dày tương đối của lớp mỡ
dưới da của đàn lợn đang trong thời kì phát triển [4], ước định
các thành phần dinh dưỡng trong thịt lợn [5] Nghiên cứu này cho ra kết quả vận tốc truyền siêu âm trong mô mềm của lợn,
từ đó ước tính tỉ lệ các lớp trong lợn bằng việc thiết lập một hệ
đo đơn giản Sóng siêu âm là âm thanh có tần số cao trên ngưỡng nghe của con người, trên 20kHz Vì vậy, nó có rất nhiều ứng dụng trong sinh học Phương pháp không phá hủy này rất dễ dàng thực hiện Khi đặt đầu dò siêu âm trên bề mặt
da của lợn, xung siêu âm từ đầu dò sẽ truyền qua da, mỡ, cơ
và xương Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2 môi trường có trở kháng khác nhau, nó sẽ bị phản xạ một phần Khoảng thời gian từ lúc xung siêu âm được phát đi cho tới khi nó trở lại đầu dò giúp xác định được vận tốc sóng âm truyền trong mô Sử dụng vận tốc này để tính toán độ dày của lớp mỡ dưới da và lớp cơ Vì vậy mà có thể ước lượng được tỉ
lệ các thành phần mô trong lợn
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
II, chúng tôi miêu tả mô hình thí nghiệm và phương pháp tính tính toán Trong phần III, chúng tôi đưa ra kết quả đo và thảo luận Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV
Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2 lớp mô, một phần sẽ bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu Tổng năng lượng bị phản xạ từ mặt phân cách phụ thuộc vào trở khác giữa 2 môi trường Sự sai khác về trở kháng giữa 2 loại mô càng lớn, năng lượng bị phản xạ càng nhiều Trở kháng là một đặc tính của mô được xác định bởi mật độ mô tế bào và vận tốc siêu âm truyền trong mô đó Thời gian truyền âm (TOF) được quan sát để tính vận tốc truyền trong vật liệu và được xác định bởi công thức [6]:
với l và v lần lượt là độ dày mẫu vật [m] và vận tốc truyền siêu
âm [m/s] Thí nghiệm được cài đặt cho phép đo vận tốc truyền siêu âm trong mô của lợn được minh họa trong Fig.2(a) Một máy phát siêu âm (5077PR)[7] được kết nối với một đầu dò có tần số trung tâm là 5MHz (Olympus) [8] (dải đo trong y tế đến
20 MHz Trong nghiên cứu này chọn 5 MHz do có sẵn, các tần số khác sẽ khảo sát sau) để tạo ra sóng siêu âm truyền trong mẫu vật Nếu xuất hiện một sự gián đoạn trong quá trình truyền âm, xung phản xạ sẽ được thu lại trên dao động ký [2] chỉ ra như trong Hình 2(b) Tín hiệu phát đi và thu lại được số hóa với chu kỳ lấy mẫu là 0.02s Trong thí nghiệm này, chất
Trang 2tiếp âm được sử dụng để loại bỏ lớp không khí giữa mẫu vật
và đầu dò
Phần mỡ và nạc của lợn đã xẻ thịt sử dụng cho thí nghiệm lấy
từ các con lợn khỏe mạnh và mẫu vật không qua quy trình xử
lý để đảm bảo giữ được các đặc điểm tự nhiên của thịt
Khoảng 50 mẫu vật được chọn ngẫu nhiên sau 6 giờ con vật
được giết mổ ở các lò giết mổ Các mẫu vật được lựa chọn có
cấu trúc tương đối ổn định để đơn giản hóa phép đo và thuận
tiện cho việc tính toán Các thí nghiệm đều được tiến hành
trong điều kiện nhiệt độ phòng
(a)
(b)
(c) Hình 1 Thiết lập thí nghiệm (a) Thiết lập thí nghiệm siêu âm truyền
trong mô mỡ và mô cơ của lợn (b) Một mẫu mô cơ lợn (c) Dạng tín
hiệu siêu âm thu được
Thí nghiệm cho phép đo vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ
và mô cơ được tiến hành với các mẫu vật khác nhau và lấy giá trị trung bình của các lần đo Xung siêu âm phát ra từ đầu dò
và truyền qua các mô Khi xung siêu âm chạm tới mặt phân cách giữa 2 loại mô, nó sẽ phản xạ trở lại đầu dò, làm thạch anh trong đầu dò dao động và tín hiệu điện thế được tạo ra Tín hiệu siêu âm sau đó được rời rạc hóa và truyền tới máy tính Một tín hiệu siêu âm thu được ở đầu dò được chỉ ra trên
Sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số trên MATLAB, vị trí
và thời gian truyền của các đỉnh phản xạ được xác định
Hình 2 Lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu siêu âm phản xạ lại đầu dò
Lưu đồ thuật toán để lấy đỉnh phản xạ được chỉ ra trong Hình
2 Đầu tiên, sử dụng biến đổi Hilbert để thu được đường bao tín hiệu Tiếp đó, tín hiệu được cho qua một bộ lọc thông thấp
để làm giảm bớt các đỉnh do nhiễu cao tần gây ra Tín hiệu sau
đó được chuyển lại miền thời gian để làm mịn bởi hàm Smooth Sau bước làm mịn, một ngưỡng được xác định để loại
bỏ các đỉnh không mong muốn Cuối cùng, hàm Findpeaks được sử dụng giúp thu được đỉnh theo mong muốn Khoảng thời gian giữa các đỉnh kề nhau chính là thời gian phản xạ của sóng siêu âm và tính toán vận tốc truyền siêu âm trong các mô bằng công thức (1)
III KẾTQUẢVÀTHẢOLUẬN Tín hiệu siêu âm truyền trong mô mỡ và mô cơ của lợn sau khi phản xạ trở lại đầu dò sẽ được lưu lại trên máy tính thông qua một kết nối mạng LAN Tiếp đó, tín hiệu được xử lý theo lưu
đồ thuật toán đã đề cập ở Hình 2 Tín hiệu mô mỡ và mô cơ sau khi qua xử lý có dạng lần lượt như ở Hình 3 và Hình 4 Hình 5 và Hình 6 cho thấy các vận tốc mô mỡ và mô cơ tính toán được tại các lần đo khác nhau Vận tốc siêu âm trung bình trong mô mỡ và cơ lần lượt 1422 ± 52.4 và 1583.9 ± 12.5 m/s Bảng 1 và Bảng 2 so sánh kết quả độ dày của các mẫu vật khi đo bằng phương pháp siêu âm và đo bằng thước kẹp điện
tử với các kết quả vận tốc đã tính được trước đó Sai số giữa phép đo bằng thước kẹp điện tử và phép đo bằng siêu âm qua các lần đo đều nhỏ hơn 5.2%
Trang 3(a)
(b)
(c) Hình 3 Sóng siêu âm truyền trong mô mỡ (a) Biến đổi Hilbert, (b)
Lọc thông thấp và làm mịn, (c) Lọc ngưỡng và tìm đỉnh
(a)
(b)
(c) Hình 4 Sóng siêu âm truyền trong mô cơ (a) Biến đổi Hilbert, (b) Lọc thông thấp và làm mịn, (c) Lọc ngưỡng và tìm đỉnh
Hình 5 Vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ qua các lần đo
khác nhau
Hình 6 Vận tốc siêu âm truyền trong mô cơ qua các lần đo
khác nhau
Trang 4Bảng 1 Độ dày mô mỡ được đo bởi siêu âm và thước kẹp
điện tử Mẫu Vật Độ dày đo bằng
thước kẹp điện
tử (cm)
Độ dày đo bằng phương pháp siêu âm [cm]
Sai số [%]
1 1.49 1.51 1.342
2 2.41 2.39 0.830
3 4.18 3.96 5.263
4 4.75 4.53 4.632
5 7.17 6.96 2.929
Bảng 2 Độ dày mô cơ được đo bởi siêu âm và thước kẹp
điện tử Mẫu Vật Độ dày đo bằng
thước kẹp điện
tử (cm)
Độ dày đo bằng phương pháp siêu âm [cm]
Sai số [%]
1 1.93 1.98 2.591
2 2.68 2.72 1.493
3 5.74 5.71 0.523
4 6.33 6.44 1.738
5 5.32 5.33 0.188
(a)
(b)
Hình 7 Thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp (a) Mẫu vật với lớp
mỡ và cơ (b) Tín hiệu thu được từ mẫu vật 2 lớp
Ở thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp, nghiên cứu chỉ ra ứng
dụng của phương pháp siêu âm trong việc tính toán độ dày của
lớp mỡ ở một số vị trí trên cơ thể lợn Mẫu vật được sử dụng
trong thí nghiệm này gồm 2 lớp: một lớp mỡ và một lớp cơ
(Hình 7(a)) Để dễ dàng cho việc tính toán, lớp mỡ được đặt
lên trên lớp nạc và được liên kết bởi lớp gel siêu âm Mỡ được
lấy từ phần lưng và cơ được lấy từ phần thăn lợn Tín hiệu
phản xạ và tín hiệu sau xử lý cho ta nhận biết cơ bản sự tồn tại của các lớp (Hình 7(b)) Áp dụng lý thuyết siêu âm, có thể ước lượng tương đối về độ dày mỗi lớp Tuy nhiên, tín hiệu thu được còn bị nhiễu là một cản trở lớn trong việc phân tích tín hiệu chính xác hơn Trong thực tế, các loại mô khác nhau tại một số vị trí trên cơ thể con vật có sự liên kết về cấu trúc phức tạp tương đối phức tạp Đây là một thách thức lớn của nhóm nghiên cứu Dù vậy, bước đầu xác định được độ dày hay đặc điểm truyền âm của mỗi lớp, như lớp mỡ thông qua tín hiệu phản xạ, cho ta cái nhìn tổng quan bên trong mẫu vật, mở ra tiềm năng kiểm soát chất lượng thịt lợn trong chăn nuôi, cung cấp thông tin kịp tức tới người nuôi lợn Do đó, việc cải thiện phương án xử lý tín hiệu và phép đo là cần thiết cho các nghiên cứu trong tương lai
Trong nghiên cứu này, việc xác định vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ và mô cơ của lợn được tiến hành trên nhiều mẫu vật Các kết quả đo cho đưa ra vận tốc siêu âm truyền trong
mô mỡ và mô cơ lần lượt là 1422 ± 52.4 và 1583.9 ± 12.5 (m/s) Các kết quả này sau đó được sử dụng để xác định độ dày của lớp mỡ trong các mẫu vật khác mà không cần xẻ mẫu vật (phương pháp không xâm lấn) Độ dày lớp mỡ tính toán được bằng siêu âm có mức độ tương đồng cao với độ dày đo bằng thước kẹp điện tử Độ dày các lớp đo được có sai số nhỏ hơn 5.2% Dù vậy, việc cải tiến phương pháp xử lý tín hiệu và phép đo là vẫn cần thiết Các kết quả ban đầu thu được đưa ra một cách tiếp cận khả quan để có thể ước lượng tỉ lệ mỡ và cơ trong lợn, giúp người chăn nuôi kiểm soát chất lượng thịt chặt chẽ hơn từ bên trong trong quá trình chăn nuôi Trong tương lai, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển thiết bị cầm tay được sử dụng rộng rãi trong đời sống
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] S E Borujeni, “Ultrasonic underwater depth measurement,”
Underw Technol., vol 2002–Janua, pp 33–36, 2002
[2] 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
[3] J Ying and C Ng, “Automatic Measurement of Human Subcutaneous Fat with Ultrasound,” no September, 2006 [4] 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
[5] T Koch et al., “Ultrasound parameters of porcine back fat
with relation to structure and composition,” no May 2014,
pp 1–3, 2007
[6] J D N.Cheeke, Fundamentals and Applications of
Ultrasonic Waves 2012
[7] N Magic, “User ’ S Manual,” no 408, pp 1–39, 2009 [8] Olympus Corporation, “Ultrasonic Transducers,” pp 45–46,
2015
