基于超声成像技术的方腿中异物检测

张俊俊 赵 号 翟晓东 胡雪桃 邹小波 石吉勇

（江苏大学食品与生物工程学院 江苏镇江212013）

方腿因口味丰富，便于烹饪，受到人们越来越多的喜爱[1]。随着市场需求量的不断增加，方腿的加工与生产已由传统手工作坊式发展为大规模机械化生产。机械化生产促进了方腿产业的发展，然而机械设备在长时间运转过程中不可避免地出现磨损、老化、零部件脱落等，导致方腿中产生异物；此外，方腿生产原料中也难免会混入异物。方腿中的异物具有极大危害性，不仅会影响方腿品质，而且会对人体口腔、食道造成损伤[2]。现有的方腿品质分析技术侧重理化指标的分析，而忽略了异物的检测，导致极大的安全隐患，因此有必要对异物进行检测。

常用的异物检测方法有磁学金属检测法、X射线技术等[3-4]。其中磁学金属检测法是根据食品中的金属异物通过特定磁场时产生特征响应信号，从而实现金属异物的检测，具有结果准确、成本低等优点。预处理过程需要对金属异物进行磁化，增加了前处理工序，使检测过程繁琐，而只能进行金属异物检测，在实际应用过程中具有极大局限性[5]。X 射线技术主要利用X 射线透射成像中异物和食品组分透过率的不同实现异物的准确判别。X 射线检测法虽然检测对象较广，但其对吸收量较低的低密度异物检测效果不佳；另外，X 射线的辐射作用可对人体造成损害，此类设备还必须额外增加防护装置，而导致检测成本增加[6]。

超声波为一种依靠介质分子间震动而传播的高频（＞20 kHz）机械波[7]，依据携带能量大小划分为功率超声波与检测超声波。功率超声波，能量较大，作用于物质时会改变物质状态、结构和功能等[8]，常用于提取、均质等食品加工过程[9-10]。检测超声波，能量较低，将超声声束以点的方式作用在物质上，不会改变物质的理化性质，透射或反射超声波信号往往携带物质组分、品质等关键组分信息[11]，常用于食品品质监测、组分测定、异物检测等[12-13]。Hæggström 等[14]利用5 MHz 的检测超声波，通过对比经傅里叶变换处理的含与不含异物试样超声信号，检测并识别人造黄油、果酱、奶酪等液体-半固体食品中的常见异物（最小尺寸2 mm×5 mm×7 mm），然而检测过程较繁琐，直观性不足，且这种“以点代面”的检测方式无法提供异物详细信息（大小、形状等）。超声成像技术为超声检测技术的一个分支，其通过声束全面扫描试样，接收并处理反射或透射信号，而获取试样内部图像，以达到对试样内部的全面无损检测，在医学诊断[15]与工业检测[16]中有广泛应用，而在食品安全检测，特别是异物检测方面的应用仍然处于起步阶段。Cho等[17]采用低频（1 MHz）透射式空气耦合超声成像技术，利用试样各点声速与衰减系数对奶酪与鸡胸肉进行成像并对其中异物、缺陷和鸡胸肉中碎骨进行检测，由于换能器频率较低，使图像分辨率较差，对图像处理技术具有较强依赖；采用透射成像方式，无法提供异物深度信息，不利于异物信息的全面获取，且对小尺寸异物（玻璃3 mm×3 mm）只能进行表面检测。

针对以上问题，本文以方腿产品中的高投诉率异物检测为目标[2]，采用高频反射式扫描超声成像技术获取方腿内部较高分辨率的直观图像，期望得到一种简便、直观，较全面提供异物信息的方腿中异物检测与识别方法。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

选用金锣佐餐盐方（125 mm×55 mm×40 mm），共20 块，均购自当地超市。为简化试验，从整块方腿上切取20 mm×20 mm×20 mm 方块进行检测。根据文献[2]，[18]统计，塑料、玻璃及金属历年均在食品异物中投诉比率较大（30%以上），异物尺寸主要集中在5～30 mm。所选异物及尺寸见表1。为探究异物深度对检测的影响与选用换能器的最大检测深度，异物深度选择5，10 mm 及15 mm。在试验前1 h 将异物埋入方腿中，为减小异物埋入路径对检测的影响，将异物从方腿边缘埋入方腿即可。

表1 所选异物及尺寸Table 1 The size of selected foreign bodies

1.2 超声图像的采集

超声图像采集装置采用实验室自主研发的扫描超声成像系统，主要包括UTEX 320 超声波发射/接收器 （加拿大UTEX SCIENTIFIC INSTRUMENTS INC.），20 MHz点聚焦型超声波换能器（日本OLYMPUS CORPORATION INC.），三轴精密直线电机扫描机构（珠海创峰精工机械有限公司），计算机（研华科技（中国）有限公司）等，其示意图与实物图见图1。

经试验优化后的采集过程：将试样置于已调节水平的平台上，开启试验装置，设定脉冲宽度25 ns、脉冲频率1 000 Hz、增益40 dB、焦距25.4 mm、分辨率0.1 mm、扫描速度5 mm/s，进行图像采集。所有样品均在相同参数下进行图像采集，并按照试样实际所含异物进行编号。

图1 扫描超声成像检测装置Fig.1 Schematic diagram （A） and picture （B） of acquisition system based on ultrasonic imaging

1.3 方腿声学参数的测定

由试验原理[19-20]可知，相邻异质界面的超声波反射率主要由界面两侧介质声阻抗决定；同时方腿内部的不均匀会对检测产生影响（主要表现在方腿各部位对超声波的衰减量不同），因此需对方腿声学参数（声速、衰减系数与声阻抗）进行测定，以对比分析异物检测情况。因温度对声阻抗测量结果影响较大，故在20 ℃下测量并做5 组平行。

声速计算公式：

式中，v——超声波在方腿中的传播速度，m/s；vw——20 ℃下超声波在水中的传播速度，m/s；t0——换能器到水平台间超声波传播时间，s；t1、t2——分别为超声波到方腿上表面、下表面传播时间，s。

声阻抗计算公式[21]：

式中，Z——样品声阻抗，kg/m2s；ρ——样品密度，kg/m3；v——样品声速，m/s。

根据文献[22]可知20 MHz 下20 ℃时水的衰减系数较小，可忽略水对超声波的衰减。方腿衰减系数计算公式：

式中，α——方腿衰减系数，dB/mm；h——异物距方腿表面距离，mm；F1——第1 次回波强度，W/cm2；F2——第2 次回波强度，W/cm2。

1.4 KNN 和LS-SVM 模式识别基本原理

K-最近邻法（K-nearest neighbors，KNN） 是以同类样本在模式空间互相靠近为依据的分类方法，根据未知样本在最邻域中到K 个已知样本的距离进行分类[23]。最小二乘支持向量机（Leastsquares support vector machine，LS-SVM） 是在经典SVM 的基础上改进的，主要进行非线性的多元建模[24]。

2 结果与讨论

2.1 方腿声学参数结果与分析

根据测量结果可知超声波在方腿中传播速度为1 567.2 m/s，声阻抗为1.85×106kg/m2s，衰减系数为0.0442 dB/mm。与水的声学参数[21]对比可知，方腿声速、声阻抗与水相差不大，可能是肉类（方腿主要原料） 细胞内水分含量较多且方腿加工中水分进一步平衡所致。方腿与水的衰减系数差异较大，可能是方腿组分复杂，且肉类一般具有较大的衰减系数。由试验原理可知，异物声阻抗越大，异物回波信号强度越大，检测情况受方腿质构影响越小。经上分析，理论上声阻抗越大的异物检测效果越佳，更易被判别。

2.2 异物检测波形分析

图2为方腿及异物回波信号，是将反射信号取绝对值后所得结果。图2a 为空白（不含异物）方腿回波图，图中基本只有一个明显的回波信号，可能是因为方腿的较大衰减系数导致底面回波信号还未到达换能器前就被衰减为零。从信号放大图可知，方腿表面回波由一簇波构成，可能由于方腿为多组分混合物，其声学参数在声波传播方向上不连续，导致声波不断被反射，从而产生一系列的回波信号，在一定程度上说明方腿内部质构不均匀。综上分析可知，在方腿内部不含异物时其回波信号表现为除表面有一簇连续回波外，基本再无明显回波信号。图2b、2c、2d 为含异物（深度均为5 mm）方腿回波信号图，与不含异物方腿相比，在18～19 μs 附近出现明显的回波信号，根据方腿中声速度可知此处距方腿表面5.09～5.87 mm。经对比，由此时异物的包埋深度可知此信号为异物回波信号；当方腿内部含有异物时，会在表面回波后再产生一个明显的回波信号，作为异物判别手段之一，同时可根据此信号进行异物深度计算。从各异物回波信号放大图可知，在同一深度下不同异物回波信号具有显著差异。在回波幅值上，金属异物回波幅值最大，塑料异物幅值最小；在回波波形上，金属异物回波周期小，次波较少且幅值相对主波较小；玻璃异物周期稍大，次波也较少且幅值较小；塑料异物周期大，次波多且幅值较大。

2.3 超声成像结果及异物判别分析

图2 方腿及异物（深度5 mm）回波信号Fig.2 Reflected signal of luncheon sausage and foreign bodies

图3 不同尺寸塑料、玻璃及金属在方腿中不同深度时的超声图像Fig.3 Ultrasonic images of luncheon ham and foreign bodies at different size and depth

图3为方腿中不同尺寸异物在不同深度时的超声图，是将获取的x-y 平面扫描区域回波强度归一化处理后再映射到0～255 灰度级并进行彩色编码所得到的图，其中标尺为反射信号的强度。图中空白部分区域有较小的回波信号，可能是方腿内部颗粒回波与外部噪声造成；异物超声图像中除异物区域明显的回波信号外，其它区域也有较小的回波信号，与图2中不含有异物方腿的相同。可能是因为方腿的较大衰减系数导致底面回波信号还未到达换能器前就被衰减为零。从图中可以看出：5 mm 深度时，各尺寸异物检测情况良好，基本呈现异物实际形状；10 mm 深度时，尺寸为3 mm×3 mm 的塑料异物检测效果急剧下降，其它尺寸异物基本被检出；15 mm 深度时各尺寸异物检测效果较差，基本检出异物，而实际形状基本无法判断；同时不同异物在同一深度下检出情况也有较大差异，从图中可判断金属异物的平均回波幅值最大，塑料异物平均回波幅值最小，这与回波信号分析结果相符。同种异物不同尺寸时检出情况也有较大差异，尺寸越大检出情况越好。根据各深度检测图像可知，20 MHz 换能器下，方腿中塑料、玻璃及金属异物最大检出深度为15 mm 左右。

根据空白与异物图像可知，可采用反射声波幅值为阈值来判断方腿内部是否含有异物。由于外界噪声与方腿内部颗粒的干扰，因此以5 mV 的声波强度为阈值，对所有含异物的方腿扫描图像进行阈值分割处理并联通获取区域，最后形态学处理除去区域周边的毛刺，判断异物，所得处理结果见图4。根据图像处理结果计算5 mm 和10 mm 深度下判断准确率100%，15 mm 深度下判断准确率88.89%，综合准确率为96.29%，说明超声成像技术对塑料、玻璃及金属异物具有良好的检测效果。

图5为各尺寸异物在整块方腿中的超声图像，可直接判断异物位置及大小、形状等，说明超声成像技术对方腿中塑料、玻璃及金属异物具有良好的检测效果。

图4 不同尺寸塑料、玻璃及金属在方腿中不同深度时超声图像阈值分割图Fig.4 Ultrasonic image threshold segmentation of plastic，glass and metal at different depths in luncheon sausage at different sizes

图5 各尺寸异物在整块方腿不同深度的超声图Fig.5 Ultrasonic images of foreign bodies at different depths in luncheon sausage

2.4 异物识别

从超声图像中可以看到不同种类异物在平均声波反射强度，扫描面积上有着较大差异；同时考虑到因不同异物具有不同声学参数[25-27]，导致方腿质构对超声图像影响不同，从而使得不同图像异物区域在纹理上具有一定差异，因此考虑以各异物平均声波反射强度、面积检出率及常见纹理特征值（相关性、能量、对比度及同质性）[28]为特征变量进行异物识别分析。

表2列出KNN 及LS-SVM 判别模型的识别率，可以看到LS-SVM 的识别率明显高于KNN，说明异物种类与特征参数间并非呈简单的线性关系。从异物检测图可知在异物深度较大时，即使具有较大面积的异物，其面积检出率与平均回波强度仍较小，这给分类造成了困难，因此不能简单进行线性分类；LS-SVM 可以把样本向高维空间映射，使特征空间中的原始样本空间中非线性可分问题转化为线性可分问题[29]，因此LS-SVM 模型识别率较KNN 模型要高，对异物识别具有较好的准确率，说明采用LS-SVM 对异物超声图像进行异物识别是可行的。

表2 基于KNN 和LS-SVM 模式识别的识别率Table 2 Identification rates based on KNN and LS-SVM models

3 结语

利用超声成像技术可实现方腿中异物的检测，对比分析各异物检测情况并对异物进行识别。首先在20 ℃下测得方腿的声速1 567.2 m/s，声阻抗1.85×106kg/m2s，与水的参数相近；方腿的衰减系数与水相差较大，为0.0442 dB/mm。同时采用超声成像技术采集不含异物与含有异物的方腿超声反射图像信息，结果表明：不含异物试样与含异物试样的超声图像具有显著差异。采用5 mV 的声波强度为阈值，对各含异物方腿图像中异物检出率为96.29%。以平均回波强度、面积检出率、对比度等纹理特征值为特征变量建立异物识别模型。其中，LS-SVM 模型结果显示，当主成分数为6 时，校正集识别率为93.27%，预测集识别率为81.67%，具有较好的识别率。本结果表明：超声成像技术能直观、简便、安全地检测与识别方腿中的异物，是一种较为直观、简便的方法。