肉牛活体肌内脂肪含量的精准测定技术研发

张璐通，吕东良，代冬梅，宋怀波，蔡传江，褚瑰燕*

(1.西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

随着生活质量的提高，消费者对牛肉的质量越来越重视。嫩度、多汁性和风味由肌内脂肪的含量决定[1]。目前牛肉品质评价通常在宰后进行，对于评价较低的牛肉已无法改善，因此活体肌内脂肪测定技术引起人们的关注。超声波具有穿透性强、方向性好等特点，广泛应用于医学领域[2]。根据成像方式，超声检测仪器分为A型、B型、M型。其中B型采用灰度调节制，图像光电亮度与反射波振幅成正比，获取二维声像图[3]。前人研究发现利用超声波技术可以在活体情况下快速得到清晰图像，通过软件分析，可以对肉牛的大理石花纹做出评估[4]。Hassen等[5]利用超声波技术在犊牛活体上进行了肌内脂肪的测定。Aass等[6]利用超声波技术对180头肉牛背最长肌肌内脂肪进行测量，并与其中145头肉牛用化学检测方法检测出来的肌内脂肪含量进行对比分析，发现相关系数达到0.67，其准确性还有待提升。因此，利用超声波技术获取肉牛第12至第13肋骨的眼肌图像，避免眼肌面积、背膘厚等性状指标在不同品种、性别中的不同特点对预测模型产生影响。本试验旨在利用不同的像素灰度差值，找到肌肉与脂肪的灰度界限，从而得出一套准确度高、操作简单、易推广的预测模型。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的肉牛为山东新天地黑牛集团有限公司提供的黑牛3头，山东齐鲁远航的黑牛21头, 均为母牛。

1.2 仪器设备

超声波仪器为S8彩色多普勒动物超声诊断仪(DW-PF522，大为医疗有限公司)，索氏抽提器，电热鼓风干燥箱，恒温水浴锅，分析天平(感量0.0001 g)，干燥器，滤纸筒。

1.3 试验试剂

石油醚(CnH2n+2)为国产分析纯，沸程为30～60 ℃。

1.4 试验方法

1.4.1 肉牛待测部位的处理 将待测肉牛在尽量减少或避免应激的情况下移至保定架内。对检测部位的毛发进行清理，涂抹耦合剂，以排除空气获得较清晰的图像。

1.4.2 超声图像的截取 将S8彩色多普勒动物超声诊断仪(DW-PF522)调为兽用(牛)的模式，将探头与肉牛12～13肋骨间脊柱下侧5 cm处的背最长肌相垂直放置进行测量。探头和待测量区域处均涂抹耦合剂，稍许用力按压，逐渐调整至图像清晰，得到30 sec的测量图像，选取最清晰的图像测量其面积进行编号，以便后续工作的进行。

1.4.3 肉样肌内脂肪含量的测量 参照《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法[7]检测肉样脂肪含量。

1.4.4 对图像的处理

1.4.4.1 软件说明 MATLAB[8](矩阵实验室)是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为众多科学领域提供了一种全面的解决方案，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

1.4.4.2 图像处理的基本思想 通过数字图像处理手段，首先提取封闭曲线区域内的眼肌区域，然后对其余区域置零，对图像进行模糊增强处理，进一步扩大脂肪区域与肌肉区域的灰度差，进而利用Otsu方法进行脂肪区域的分割，获得最终的脂肪比例。算法流程图如图1所示。

图1 图像处理的基本思路Fig.1 The basic idea of image processing

1.4.4.3 软件操作步骤及说明 双击打开软件程序，进入肌内脂肪含量检测软件系统界面，如图2所示，该软件可在Matlab 6.5以上版本环境下运行。

成功载入待检测图像后，在界面左侧工作区域点击“提取待检测区域”按钮，利用阈值分割及开运算、孔洞填充、小面积去除等去噪方法得到待检测区域处的分割结果如图3所示。

图2 肌内脂肪含量检测软件系统界面Fig.2 Interface of the intramuscular fatcontent detection software system

图3 待检测区域分割结果Fig.3 Segmentation results of thearea to be detected

在界面中间“图像增强”区域显示模糊增强后，使待检测区域图像中细节更加突出，其效果如图4所示。

完成待检测区域的图像增强后，点击“肌内脂肪分割结果”按钮，依据待检测区域的灰度直方图动态选取肌内脂肪分割阈值，最终得到的检测结果如图5所示。

完成肌内脂肪检测后，软件通过图像的像素面积比，实现肌内脂肪含量的计算。点击“肌内脂肪含量比率”按钮后得到的计算结果如图6所示。

点击“线性拟合结果”按钮，将线性拟合结果在“线性拟合”图像显示区域显示出来，如图7所示。

点击“预测真实肌内脂肪含量值”按钮后效果图如图8所示。

2 结果与分析

2.1 超声图像获取

如图9所示，保留清晰图片。选择眼肌部分，用封闭曲线描边标记，测量出眼肌面积，以便图像处理时能够准确的识别，如图10所示。

图4 图像增强结果Fig.4 Image enhancement results

图5 肌内脂肪检测结果Fig.5 Test results of intramuscular fat

图6 肌内脂肪含量比率Fig.6 Ratio of intramuscular fat content

图7 线性拟合结果Fig.7 Linear fitting results

2.2 肉样肌内脂肪含量测量结果

本试验24头肉牛的眼肌部位超声波图像经处理预测后的脂肪含量及对应部位的肉糜脂肪含量见表1。

图8 肌内脂肪含量预测结果Fig.8 Prediction results of intramuscular fat content

图9 超声波图像的截取Fig.9 Interception of ultrasound images

图10 眼肌部分的确定Fig.10 Determination of the eye muscles

2.3 预测值与真实值线性拟合结果

将预测值与真实值进行线性拟合，纵坐标为真实值，横坐标为预测值，得到拟合结果：y=0.81733x+6.2102，R2=0.9048。

3 讨 论

昝林森等[9-10]认为，近年来中国经济快速发展，对牛肉的需求日益增加。中国现有的肉牛品种虽耐粗饲，肉质细嫩，抗逆性好，但比起外国优良品种肉牛，中国肉牛胴体产肉量较低，体型不佳，生长速度较慢，优质牛肉切块率较低。朱强等[11]认为，中国目前的肉牛改良方法是杂交技术，通过二元杂交或三元杂交，从后代中选择性状优良的小牛进行培养。但对小牛的人工选择方法存在很大主观选择偏差，并且因为小牛所展现出的体观状态，会使得一些难以发现的性状在早期被忽视，对选育工作造成影响。

表1 肌内脂肪含量测量结果Table 1 Measurement results of intramuscular fat content

图11 线性拟合结果Fig.11 Linear fitting results

建立一套肉牛活体肌内脂肪含量精准预测模型，可减少自然资源的浪费，降低对环境的影响，加快中国肉牛良种改良的进程。在肉牛育成期间，根据其性状的变化及时对营养需求作出判断并决定屠宰时间，最大程度开发良种肉牛的生产潜能，既能增加收益，也可以减少资源浪费。李静等[4]肯定了超声波技术的准确性和有效性，认为借助超声波技术来进行选择将会加快育种的进程。

目前此项技术的短板在于准确性不是很高，研究时的设备不够先进，并且没有单独的针对肉牛活体肌内脂肪含量进行精准测定的方法。王淑辉等[12]曾利用超声波技术，选择相同饲养条件下的荷斯坦奶牛、西门塔尔牛、夏洛莱牛、利木赞牛、沿江牛和复州牛共6个品种，每个品种随机选取5头牛，得出的预测模型与实际高档牛肉产肉量的相关度很高，但样本中牛肉品种繁多，针对肉牛活体肌内脂肪含量的精准测定方法尚有改进空间。张扬等[13]也利用超声波技术对新疆褐牛的背膘厚、眼肌高和眼肌面积进行B超图像的扫描，建立了一项对多个性状在活体肉牛中预测的方法。其中肌间脂肪含量(%)的预测模型为y=0.256+0.828×宰前肌内脂肪含量，R2=0.647。

4 结 论

本试验得出模型拟合决定系数R2=0.905，准确度与目前的模型相比有所提高，并嵌套入软件中，申请软件著作权一项。