Xem mẫu
- 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 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 các thành phần dinh dưỡng trong thịt lợn [5]. Nghiên cứu này
phương pháp siêu âm không phá hủy để xác định độ dày mô cơ cho ra kết quả vận tốc truyền siêu âm trong mô mềm của lợn,
và mô ỡ trong lợn theo đó có thể xác định được tỉ lệ các lớp mô từ đó ước tính tỉ lệ các lớp trong lợn bằng việc thiết lập một hệ
trong lợn. Bằng việc sử dụng kĩ thuật siêu âm xung dội là một đo đơn giản. Sóng siêu âm là âm thanh có tần số cao trên
trong những phương pháp đo lường bằng siêu âm, vận tốc của
ngưỡng nghe của con người, trên 20kHz. Vì vậy, nó có rất
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 nhiều ứng dụng trong sinh học. Phương pháp không phá hủy
cao độ chính xác và độ tin cậy của phép đo. Vận tốc sóng siêu âm này rất dễ dàng thực hiện. Khi đặt đầu dò siêu âm trên bề mặt
truyền trong mỡ dưới da và cơ có giá trị lần lượt là 1422.9 ± 52.4 da của lợn, xung siêu âm từ đầu dò sẽ truyền qua da, mỡ, cơ
và 1583.9 ± 12.5 m/s. Các vận tốc này sau đó được sử dụng để và xương. Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2
tính toán độ dày mô mỡ và mô cơ của các mẫu vật khác. Các kết môi trường có trở kháng khác nhau, nó sẽ bị phản xạ một
quả thí nghiệm có được với các giá trị sai số phép đo nhỏ hơn phần. Khoảng thời gian từ lúc xung siêu âm được phát đi cho
5.2% khi so sánh với độ dày đo được bởi thước kẹp điện tử. 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
Keywords- Phương pháp không phá hủy, vận tốc siêu âm, xử lý
tín hiệu số.
lớp mỡ dưới da và lớp cơ. Vì vậy mà có thể ước lượng được tỉ
lệ các thành phần mô trong lợn.
I. GIỚI THIỆU
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 Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
lệ đó phù hợp sẽ đem lại cho con người những bữa ăn ngon. II, chúng tôi miêu tả mô hình thí nghiệm và phương pháp tính
Ngược lại, nếu miếng thịt với tỉ lệ mỡ cao, khi nấu lên món ăn tính toán. Trong phần III, chúng tôi đưa ra kết quả đo và thảo
sẽ chứa rất nhiều chất béo không chỉ gây ra cảm giác không luận. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.
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, II. MẪU VẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
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 Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2 lớp mô,
cách mạng trong chăn nuôi. Bằng việc ứng dụng công nghệ một phần sẽ bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu. Tổng năng
này, các con lợn được nuôi trong môi trường giống với tự lượng bị phản xạ từ mặt phân cách phụ thuộc vào trở khác
nhiên và được cung cấp nguồn thức ăn sạch. Mặc dù chất giữa 2 môi trường. Sự sai khác về trở kháng giữa 2 loại mô
lượng thịt lợn được cải thiện đáng kể về mùi vị thơm ngon càng lớn, năng lượng bị phản xạ càng nhiều. Trở kháng là một
nhưng hạn chế của phương pháp chăn nuôi này là này là tỉ lệ đặc tính của mô được xác định bởi mật độ mô tế bào và vận
mỡ trong thịt vẫn còn cao và do đó các sản phẩm này khó mở tốc siêu âm truyền trong mô đó. Thời gian truyền âm (TOF)
rộng được thị trường, và không đem lại lợi ích kinh tế cao cho được quan sát để tính vận tốc truyền trong vật liệu và được
người chăn nuôi. Vấn đề đặt ra là kiểm soát tốt tỉ lệ mỡ dưới xác định bởi công thức [6]:
da và tỉ lệ nạc của lợn và sản phẩm thịt có được phải an toàn t= (1)
cho người tiêu dùng. Một phương pháp có thể giải quyết hiệu với l và v lần lượt là độ dày mẫu vật [m] và vận tốc truyền siêu
quả vấn đề này là đó là kiểm tra không phá hủy (NDT). NDT âm [m/s]. Thí nghiệm được cài đặt cho phép đo vận tốc truyền
là một quá trình xem xét, kiểm tra và ước lượng cấu trúc vật siêu âm trong mô của lợn được minh họa trong Fig.2(a). Một
liệu mà không phá hủy hay làm hư hại tới vật liệu đó. Kiểm máy phát siêu âm (5077PR)[7] được kết nối với một đầu dò có
tra bằng siêu âm xung dội là một trong các phương pháp NDT tần số trung tâm là 5MHz (Olympus) [8] (dải đo trong y tế đến
được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực khác nhau của 20 MHz. Trong nghiên cứu này chọn 5 MHz do có sẵn, các
cuộc sống. Nó đã được sử dụng để tính toán độ sâu thực tế của tần số khác sẽ khảo sát sau) để tạo ra sóng siêu âm truyền
biển [1], độ dày lớp mỡ dưới da và dự đoán tổng lượng mỡ trong mẫu vật. Nếu xuất hiện một sự gián đoạn trong quá trình
trong cơ thể của một số loài chó [2], độ dày của mỡ dưới da truyền âm, xung phản xạ sẽ được thu lại trên dao động ký [2]
của người [3], chỉ ra sự thay đổi độ dày tương đối của lớp mỡ chỉ ra như trong Hình 2(b). Tín hiệu phát đi và thu lại được số
dưới da của đàn lợn đang trong thời kì phát triển [4], ước định hóa với chu kỳ lấy mẫu là 0.02s. Trong thí nghiệm này, chất
97
- tiếp âm được sử dụng để loại bỏ lớp không khí giữa mẫu vật Thí nghiệm cho phép đo vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ
và đầu dò. và mô cơ được tiến hành với các mẫu vật khác nhau và lấy giá
Phần mỡ và nạc của lợn đã xẻ thịt sử dụng cho thí nghiệm lấy trị trung bình của các lần đo. Xung siêu âm phát ra từ đầu dò
từ các con lợn khỏe mạnh và mẫu vật không qua quy trình xử và truyền qua các mô. Khi xung siêu âm chạm tới mặt phân
lý để đảm bảo giữ được các đặc điểm tự nhiên của thịt. cách giữa 2 loại mô, nó sẽ phản xạ trở lại đầu dò, làm thạch
Khoảng 50 mẫu vật được chọn ngẫu nhiên sau 6 giờ con vật anh trong đầu dò dao động và tín hiệu điện thế được tạo ra.
được giết mổ ở các lò giết mổ. Các mẫu vật được lựa chọn có Tín hiệu siêu âm sau đó được rời rạc hóa và truyền tới máy
cấu trúc tương đối ổn định để đơn giản hóa phép đo và thuận tính. Một tín hiệu siêu âm thu được ở đầu dò được chỉ ra trên
tiện cho việc tính toán. Các thí nghiệm đều được tiến hành Sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số trên MATLAB, vị trí
trong điều kiện nhiệt độ phòng. và thời gian truyền của các đỉnh phản xạ được xác định.
(a)
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
(b) 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. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
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
(c) 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
Hình 1. Thiết lập thí nghiệm. (a) Thiết lập thí nghiệm siêu âm truyền tử với các kết quả vận tốc đã tính được trước đó. Sai số giữa
trong mô mỡ và mô cơ của lợn. (b) Một mẫu mô cơ lợn. (c) Dạng tín
phép đo bằng thước kẹp điện tử và phép đo bằng siêu âm qua
hiệu siêu âm thu được.
các lần đo đều nhỏ hơn 5.2%.
98
- (b)
(a)
(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.
(b)
(c) Hình 5. Vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ qua các lần đo
Hình 3. Sóng siêu âm truyền trong mô mỡ (a) Biến đổi Hilbert, (b) khác nhau.
Lọc thông thấp và làm mịn, (c) Lọc ngưỡng và tìm đỉnh.
Hình 6. Vận tốc siêu âm truyền trong mô cơ qua các lần đo
(a) khác nhau.
99
- Bảng 1. Độ dày mô mỡ được đo bởi siêu âm và thước kẹp phản xạ và tín hiệu sau xử lý cho ta nhận biết cơ bản sự tồn tại
điện tử của các lớp (Hình 7(b)). Áp dụng lý thuyết siêu âm, có thể ước
Mẫu Vật Độ dày đo bằng Độ dày đo bằng Sai số lượng tương đối về độ dày mỗi lớp. Tuy nhiên, tín hiệu thu
thước kẹp điện phương pháp [%] được còn bị nhiễu là một cản trở lớn trong việc phân tích tín
tử (cm) siêu âm [cm]
hiệu chính xác hơn. Trong thực tế, các loại mô khác nhau tại
1 1.49 1.51 1.342
một số vị trí trên cơ thể con vật có sự liên kết về cấu trúc phức
2 2.41 2.39 0.830
3 4.18 3.96 5.263
tạp tương đối phức tạp. Đây là một thách thức lớn của nhóm
4 4.75 4.53 4.632 nghiên cứu. Dù vậy, bước đầu xác định được độ dày hay đặc
5 7.17 6.96 2.929 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
Bảng 2. Độ dày mô cơ được đo bởi siêu âm và thước kẹp
tiềm năng kiểm soát chất lượng thịt lợn trong chăn nuôi, cung
điện tử cấp thông tin kịp tức tới người nuôi lợn. Do đó, việc cải thiện
Mẫu Vật Độ dày đo bằng Độ dày đo bằng Sai số phương án xử lý tín hiệu và phép đo là cần thiết cho các
thước kẹp điện phương pháp [%] nghiên cứu trong tương lai.
tử (cm) siêu âm [cm]
1 1.93 1.98 2.591
2 2.68 2.72 1.493 IV. KẾT LUẬN
3 5.74 5.71 0.523
Trong nghiên cứu này, việc xác định vận tốc siêu âm truyền
4 6.33 6.44 1.738
5 5.32 5.33 0.188
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
(a) lai, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển thiết bị cầm
tay được sử dụng rộng rãi trong đời sống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[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
(b) Vet. Scand., vol. 49, no. 1, pp. 1–7, 2007.
Hình 7. Thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp. (a) Mẫu vật với lớp [5] T. Koch et al., “Ultrasound parameters of porcine back fat
mỡ và cơ (b) Tín hiệu thu được từ mẫu vật 2 lớp with relation to structure and composition,” no. May 2014,
pp. 1–3, 2007.
[6] J. D. N.Cheeke, Fundamentals and Applications of
Ở thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp, nghiên cứu chỉ ra ứng Ultrasonic Waves. 2012.
dụng của phương pháp siêu âm trong việc tính toán độ dày của [7] N. Magic, “User ’ S Manual,” no. 408, pp. 1–39, 2009.
lớp mỡ ở một số vị trí trên cơ thể lợn. Mẫu vật được sử dụng [8] Olympus Corporation, “Ultrasonic Transducers,” pp. 45–46,
trong thí nghiệm này gồm 2 lớp: một lớp mỡ và một lớp cơ 2015
(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
100
nguon tai.lieu . vn
