張璐通，呂東良，代冬梅，宋懷波，蔡傳江，褚瑰燕*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著生活質(zhì)量的提高，消費者對牛肉的質(zhì)量越來越重視。嫩度、多汁性和風(fēng)味由肌內(nèi)脂肪的含量決定[1]。目前牛肉品質(zhì)評價通常在宰后進(jìn)行，對于評價較低的牛肉已無法改善，因此活體肌內(nèi)脂肪測定技術(shù)引起人們的關(guān)注。超聲波具有穿透性強、方向性好等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[2]。根據(jù)成像方式，超聲檢測儀器分為A型、B型、M型。其中B型采用灰度調(diào)節(jié)制，圖像光電亮度與反射波振幅成正比，獲取二維聲像圖[3]。前人研究發(fā)現(xiàn)利用超聲波技術(shù)可以在活體情況下快速得到清晰圖像，通過軟件分析，可以對肉牛的大理石花紋做出評估[4]。Hassen等[5]利用超聲波技術(shù)在犢?；铙w上進(jìn)行了肌內(nèi)脂肪的測定。Aass等[6]利用超聲波技術(shù)對180頭肉牛背最長肌肌內(nèi)脂肪進(jìn)行測量，并與其中145頭肉牛用化學(xué)檢測方法檢測出來的肌內(nèi)脂肪含量進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.67，其準(zhǔn)確性還有待提升。因此，利用超聲波技術(shù)獲取肉牛第12至第13肋骨的眼肌圖像，避免眼肌面積、背膘厚等性狀指標(biāo)在不同品種、性別中的不同特點對預(yù)測模型產(chǎn)生影響。本試驗旨在利用不同的像素灰度差值，找到肌肉與脂肪的灰度界限，從而得出一套準(zhǔn)確度高、操作簡單、易推廣的預(yù)測模型。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的肉牛為山東新天地黑牛集團(tuán)有限公司提供的黑牛3頭，山東齊魯遠(yuǎn)航的黑牛21頭, 均為母牛。

1.2 儀器設(shè)備

超聲波儀器為S8彩色多普勒動物超聲診斷儀(DW-PF522，大為醫(yī)療有限公司)，索氏抽提器，電熱鼓風(fēng)干燥箱，恒溫水浴鍋，分析天平(感量0.0001 g)，干燥器，濾紙筒。

1.3 試驗試劑

石油醚(CnH2n+2)為國產(chǎn)分析純，沸程為30～60 ℃。

1.4 試驗方法

1.4.1 肉牛待測部位的處理 將待測肉牛在盡量減少或避免應(yīng)激的情況下移至保定架內(nèi)。對檢測部位的毛發(fā)進(jìn)行清理，涂抹耦合劑，以排除空氣獲得較清晰的圖像。

1.4.2 超聲圖像的截取 將S8彩色多普勒動物超聲診斷儀(DW-PF522)調(diào)為獸用(牛)的模式，將探頭與肉牛12～13肋骨間脊柱下側(cè)5 cm處的背最長肌相垂直放置進(jìn)行測量。探頭和待測量區(qū)域處均涂抹耦合劑，稍許用力按壓，逐漸調(diào)整至圖像清晰，得到30 sec的測量圖像，選取最清晰的圖像測量其面積進(jìn)行編號，以便后續(xù)工作的進(jìn)行。

1.4.3 肉樣肌內(nèi)脂肪含量的測量 參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法[7]檢測肉樣脂肪含量。

1.4.4 對圖像的處理

1.4.4.1 軟件說明 MATLAB[8](矩陣實驗室)是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。

1.4.4.2 圖像處理的基本思想 通過數(shù)字圖像處理手段，首先提取封閉曲線區(qū)域內(nèi)的眼肌區(qū)域，然后對其余區(qū)域置零，對圖像進(jìn)行模糊增強處理，進(jìn)一步擴(kuò)大脂肪區(qū)域與肌肉區(qū)域的灰度差，進(jìn)而利用Otsu方法進(jìn)行脂肪區(qū)域的分割，獲得最終的脂肪比例。算法流程圖如圖1所示。

圖1 圖像處理的基本思路Fig.1 The basic idea of image processing

1.4.4.3 軟件操作步驟及說明 雙擊打開軟件程序，進(jìn)入肌內(nèi)脂肪含量檢測軟件系統(tǒng)界面，如圖2所示，該軟件可在Matlab 6.5以上版本環(huán)境下運行。

成功載入待檢測圖像后，在界面左側(cè)工作區(qū)域點擊“提取待檢測區(qū)域”按鈕，利用閾值分割及開運算、孔洞填充、小面積去除等去噪方法得到待檢測區(qū)域處的分割結(jié)果如圖3所示。

圖2 肌內(nèi)脂肪含量檢測軟件系統(tǒng)界面Fig.2 Interface of the intramuscular fatcontent detection software system

圖3 待檢測區(qū)域分割結(jié)果Fig.3 Segmentation results of thearea to be detected

在界面中間“圖像增強”區(qū)域顯示模糊增強后，使待檢測區(qū)域圖像中細(xì)節(jié)更加突出，其效果如圖4所示。

完成待檢測區(qū)域的圖像增強后，點擊“肌內(nèi)脂肪分割結(jié)果”按鈕，依據(jù)待檢測區(qū)域的灰度直方圖動態(tài)選取肌內(nèi)脂肪分割閾值，最終得到的檢測結(jié)果如圖5所示。

完成肌內(nèi)脂肪檢測后，軟件通過圖像的像素面積比，實現(xiàn)肌內(nèi)脂肪含量的計算。點擊“肌內(nèi)脂肪含量比率”按鈕后得到的計算結(jié)果如圖6所示。

點擊“線性擬合結(jié)果”按鈕，將線性擬合結(jié)果在“線性擬合”圖像顯示區(qū)域顯示出來，如圖7所示。

點擊“預(yù)測真實肌內(nèi)脂肪含量值”按鈕后效果圖如圖8所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲圖像獲取

如圖9所示，保留清晰圖片。選擇眼肌部分，用封閉曲線描邊標(biāo)記，測量出眼肌面積，以便圖像處理時能夠準(zhǔn)確的識別，如圖10所示。

圖4 圖像增強結(jié)果Fig.4 Image enhancement results

圖5 肌內(nèi)脂肪檢測結(jié)果Fig.5 Test results of intramuscular fat

圖6 肌內(nèi)脂肪含量比率Fig.6 Ratio of intramuscular fat content

圖7 線性擬合結(jié)果Fig.7 Linear fitting results

2.2 肉樣肌內(nèi)脂肪含量測量結(jié)果

本試驗24頭肉牛的眼肌部位超聲波圖像經(jīng)處理預(yù)測后的脂肪含量及對應(yīng)部位的肉糜脂肪含量見表1。

圖8 肌內(nèi)脂肪含量預(yù)測結(jié)果Fig.8 Prediction results of intramuscular fat content

圖9 超聲波圖像的截取Fig.9 Interception of ultrasound images

圖10 眼肌部分的確定Fig.10 Determination of the eye muscles

2.3 預(yù)測值與真實值線性擬合結(jié)果

將預(yù)測值與真實值進(jìn)行線性擬合，縱坐標(biāo)為真實值，橫坐標(biāo)為預(yù)測值，得到擬合結(jié)果：y=0.81733x+6.2102，R2=0.9048。

3 討 論

昝林森等[9-10]認(rèn)為，近年來中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對牛肉的需求日益增加。中國現(xiàn)有的肉牛品種雖耐粗飼，肉質(zhì)細(xì)嫩，抗逆性好，但比起外國優(yōu)良品種肉牛，中國肉牛胴體產(chǎn)肉量較低，體型不佳，生長速度較慢，優(yōu)質(zhì)牛肉切塊率較低。朱強等[11]認(rèn)為，中國目前的肉牛改良方法是雜交技術(shù)，通過二元雜交或三元雜交，從后代中選擇性狀優(yōu)良的小牛進(jìn)行培養(yǎng)。但對小牛的人工選擇方法存在很大主觀選擇偏差，并且因為小牛所展現(xiàn)出的體觀狀態(tài)，會使得一些難以發(fā)現(xiàn)的性狀在早期被忽視，對選育工作造成影響。

表1 肌內(nèi)脂肪含量測量結(jié)果Table 1 Measurement results of intramuscular fat content

圖11 線性擬合結(jié)果Fig.11 Linear fitting results

建立一套肉?；铙w肌內(nèi)脂肪含量精準(zhǔn)預(yù)測模型，可減少自然資源的浪費，降低對環(huán)境的影響，加快中國肉牛良種改良的進(jìn)程。在肉牛育成期間，根據(jù)其性狀的變化及時對營養(yǎng)需求作出判斷并決定屠宰時間，最大程度開發(fā)良種肉牛的生產(chǎn)潛能，既能增加收益，也可以減少資源浪費。李靜等[4]肯定了超聲波技術(shù)的準(zhǔn)確性和有效性，認(rèn)為借助超聲波技術(shù)來進(jìn)行選擇將會加快育種的進(jìn)程。

目前此項技術(shù)的短板在于準(zhǔn)確性不是很高，研究時的設(shè)備不夠先進(jìn)，并且沒有單獨的針對肉牛活體肌內(nèi)脂肪含量進(jìn)行精準(zhǔn)測定的方法。王淑輝等[12]曾利用超聲波技術(shù)，選擇相同飼養(yǎng)條件下的荷斯坦奶牛、西門塔爾牛、夏洛萊牛、利木贊牛、沿江牛和復(fù)州牛共6個品種，每個品種隨機選取5頭牛，得出的預(yù)測模型與實際高檔牛肉產(chǎn)肉量的相關(guān)度很高，但樣本中牛肉品種繁多，針對肉牛活體肌內(nèi)脂肪含量的精準(zhǔn)測定方法尚有改進(jìn)空間。張揚等[13]也利用超聲波技術(shù)對新疆褐牛的背膘厚、眼肌高和眼肌面積進(jìn)行B超圖像的掃描，建立了一項對多個性狀在活體肉牛中預(yù)測的方法。其中肌間脂肪含量(%)的預(yù)測模型為y=0.256+0.828×宰前肌內(nèi)脂肪含量，R2=0.647。

4 結(jié) 論

本試驗得出模型擬合決定系數(shù)R2=0.905，準(zhǔn)確度與目前的模型相比有所提高，并嵌套入軟件中，申請軟件著作權(quán)一項。