利用计算机断层扫描活体检测猪肉质性状的方法

1.本发明涉及猪肉质性状评估，特别涉及利用计算机断层扫描活体快速、准确检测猪肌内脂肪含量的方法的建立。


背景技术：

2.在种猪的选育过程中肉质性状扮演着重要角色，其中肌内脂肪含量是关键指标。肌内脂肪(imf)是猪肉风味物质的重要前体物，其含量影响着其他肉质性状，包括嫩度、多汁性、肉色和系水力等。因此，肌内脂肪含量可以作为衡量猪肉品质的指标，以此鉴别出种群中品质优良的遗传个体。消费者在选择肉类食品中普遍偏爱瘦肉，满足猪肉消费需求的肌内脂肪含量适宜范围是2.5％～3％。
3.对于肌内脂肪含量的测量，主要分为两类方法：第一类包括感官评定和化学分析等传统检测技术，具体通过大理石花纹评分或利用索式抽提法进行测定，但测量效率较低且不适用于活体的肉质性状评估；第二类包括计算机视觉、近红外光谱和活体超声检测等无损检测技术，在这些技术中只有b超检测方法可以测量活体的肌内脂肪含量，其他方法都只能对屠宰后的猪进行检测。
4.根据b超检测方法的原理，b超扫描活体后，由于猪脂肪组织和肌肉组织声阻值之间存在较大差异，产生不同的界面反射，最终在生成的图像中所对应的图像特征就会不一样，因而可以用于测量活体的肌内脂肪含量。虽然b超检测方法测量肌内脂肪含量的操作较为便捷，但存在测量结果准确性不高的问题，即与屠宰实测结果存在较大偏差。
5.经ct扫描发现，活猪的脂肪组织和肌肉组织因密度差异而对x射线的衰减值不同，利用获取的横断面图像可以对胴体组成和肌内脂肪含量进行评估，例如中国专利cn110179488a通过对选定的ct断层扫描图片进行组织密度参数调节，可以读取背腰最长肌内脂肪组织所占的比例。尽管大量的研究开始评估计算机断层扫描在测量动物胴体组成和肌内脂肪含量中的准确性，但目前利用计算机断层扫描检测猪肉质性状，尚存在以下亟待解决的问题：
6.1)受麻醉药物和给药剂量的选择以及麻醉后活体的固定方式的影响，存在容易导致猪因呼吸抑制、心脏骤停等原因而死亡的问题。
7.2)猪全身性麻醉时间和ct扫描时间难以完全保持一致，存在因猪的俯卧姿态以及内部组织结构的轻微变动，而导致计算机断层扫描过程中生成的影像图片出现较严重伪影的问题。
8.3)缺乏更为便捷且适用面更广的用于测量活体肉质性状，例如猪肌内脂肪含量的计算机断层图像序列的相关扫描参数设置和处理流程标准。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种利用计算机断层扫描活体检测猪肉质性状的方法。
10.为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
11.1)对猪实行全身性麻醉；
12.2)猪进入麻醉状态后将猪置于ct扫描床上并进行固定，使猪的脊柱正中线与ct标尺重合；通过扫描定位像确定扫描范围后进行计算机断层图像序列扫描以及图像预处理；
13.3)肌内脂肪含量测定：
14.经过步骤2)后，结合矢状面视窗和冠状面视窗，在横断面视窗中定位待测定肌内脂肪含量的图像层面；然后在该图像层面上选择感兴趣区域；然后通过调整脂肪所对应的ct扫描阈值范围，获得感兴趣区域的脂肪面积占感兴趣区域面积的比例，即为感兴趣区域的肌内脂肪含量。
15.优选的，所述步骤1)具体包括以下步骤：猪在麻醉前进行称重、编号及通过断食、不断水进行饥饿处理，饥饿处理12～24h后进行注射麻醉，使得麻醉后的猪自行卧倒、呼吸平稳，且无挣扎。
16.优选的，所述注射麻醉具体包括以下步骤：经耳缘静脉注射麻醉剂，麻醉剂的注射剂量为0.6～0.7ml/kg，麻醉剂由体积比为2～4:1的丙泊酚和舒泰组成。
17.优选的，所述步骤2)中，猪在ct扫描床上固定前，拉出猪的舌头，并拉直猪的两个前腿；定位像按照猪的不同身体分段分别扫描获得。
18.优选的，所述计算机断层图像序列扫描的方法为平扫，扫描参数设置为：管电压为120kv，管电流为180ma，层厚为3～5mm，层间距为3～5mm。
19.优选的，所述图像预处理具体包括以下步骤：对经计算机断层图像序列扫描获得的原始薄层图像依次进行图像薄层重建和去噪。
20.优选的，所述图像薄层重建具体包括以下步骤：将ct扫描仪经平扫生成的薄层图像，按照0.625～1.25mm的设定层厚进行重建。
21.优选的，所述薄层图像重建的模式为stnd，同时在该重建模式中利用iq enhance增强薄层图像的清晰度。
22.优选的，所述去噪具体包括以下步骤：利用asir算法并设定权重为40％～60％以去除重建的薄层图像的噪点，得到对应的图像层面。
23.优选的，所述调整脂肪所对应的ct扫描阈值范围具体包括以下步骤：在x
‑
section显示模式下，根据脂肪密度设定ct扫描阈值的最大值和最小值，使得ct扫描阈值范围在
‑
140iu～
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10iu之内，其中，感兴趣区域选自背最长肌、臀中肌、股二头肌或半膜肌的横断面。
24.本发明的有益效果体现在：
25.本发明在利用ct扫描获得猪的活体计算机断层图像序列基础上，通过选择猪任意待测定肌内脂肪含量的肌肉部位的对应层面区域作为感兴趣区域，以及调整脂肪对应的ct扫描阈值范围，可以根据影像工作站自动计算的感兴趣区域脂肪面积占感兴趣区域面积的比例，直接获得肌内脂肪含量的测定数值。本发明首次实现了利用计算机断层扫描检测活体肌内脂肪含量，与b超检测方法相比可以提高检测结果准确性，并为快速、全面评估猪不同肌肉部位的肉质性状及进行种猪选育提供技术支持。
26.进一步的，本发明通过对猪麻醉过程中麻醉药物、组成比例(丙泊酚比例大于舒泰)、给药剂量的选择以及猪固定姿态的优化，可以保证在计算机断层扫描过程中，不会造成全身性麻醉的猪因呼吸抑制或心脏骤停而死亡，同时确保扫描过程中猪外部姿态和内部结构稳定(例如，保持平稳呼吸)，从而更大程度的避免了扫描获得的图像序列中产生伪影，
并生成高质量的原始薄层图像。
27.进一步的，本发明通过图像薄层重建、去噪，对原始薄层图像进行预处理，可以消除无关信息，改善图像质量，有利于通过计算机对感兴趣区域内的脂肪进行识别和分析。
28.进一步的，本发明在图像重建中，将图像层面厚度降低(例如，从3.75mm降低至0.625mm、1.25mm等)，并采用一定的重建模式(例如，stnd)，从而改善了图像特征信息(脂肪)提取，并降低了由于猪呼吸造成图像薄层伪影。
29.进一步的，本发明中通过先扫描定位像确定扫描范围后再进行图像序列扫描，有利于后期数据分析。
附图说明
30.图1为猪ct扫描过程示意图：(a)猪平卧固定、猪脊柱正中线与ct标尺红线(红外定位线)重合；(b)ct扫描定位像；(c)ct扫描序列。
31.图2为计算机断层扫描获取的横断面图像的薄层重建与去噪：(a)计算机断层扫描胸腰部后获取的其中一幅3.75mm层厚横断面图像和经过图像薄层重建、去噪后生成的对应一幅1.25mm层厚横断面图像；(b)计算机断层扫描臀部获取的其中一幅3.75mm层厚横断面图像和经过图像薄层重建、去噪后生成的对应一幅0.625mm层厚横断面图像。
32.图3为待测定肌内脂肪含量的重建、去噪后薄层图像：(a)背最长肌；(b)臀中肌；(c)股二头肌；(d)半膜肌。
33.图4为ct活体测定肌内脂肪含量的示意图：(a)在图像层面中选择背最长肌部分作为感兴趣区域；(b)ct扫描阈值范围(最大值、最小值)调整和相应的脂肪面积所占感兴趣区域面积的比例(即肌内脂肪含量)。
34.图5为对ct活体测定和屠宰测定所得猪不同肌肉部位的肌内脂肪含量的一元线性回归分析结果：(a)背最长肌、(b)臀中肌、(c)股二头肌、(d)半膜肌。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
36.(一)利用计算机断层扫描活体检测猪肉质性状
37.1.实验器材准备
38.针对ct扫描活体检测猪肉质性状的实验，需要准备实验服、手套、脚套、口罩、实验记录本、记号笔、酒精棉球、一次性针管，猪担架、垃圾袋、干净清水、麻醉药、4℃冰箱等。
39.2.猪麻醉处理
40.试验进行前一天，饥饿处理(断食不断水)24小时，并进行称重、编号。
41.根据每头猪体重，按照丙泊酚和舒泰(两种麻醉药均为商品化试剂)的体积比2:1，对猪采用耳缘静脉注射进行全身性麻醉(0.6～0.7ml/kg)。
42.以上选择的麻醉药剂量和配比，可以使麻醉后猪只自行卧倒、呼吸平稳、无挣扎。从而保证猪麻醉时间和ct扫描时间基本一致，避免麻醉药使用过量情况下由猪呼吸抑制、心脏骤停等原因造成的死亡，以及药剂量不足情况下由猪外形姿态和体内结构轻微变动造成的伪影(例如，影像图片中的螺旋伪影)。
43.三个人将经过麻醉的猪平稳抬放至担架上进行运输，在运输过程中确保猪身体不扭动，随后将猪抬到ct扫描床上并按照头前尾后的俯卧姿势安置，安置时避免猪呼吸堵塞(需要拉出猪的舌头和拉直猪的两个前腿，并进行全身固定)，使猪保持平卧状态。
44.3.计算机断层扫描
45.轻微调整猪的平卧位置，确保猪脊柱正中线与ct标尺红线重合(参见图1a)。
46.设置ct扫描装置的流程和参数：
47.猪的活体计算机断层扫描采用美国ge公司brivo ct 385series 16排螺旋ct扫描仪，定位像采用三段式扫描，即头部、胸腰部和臀部分开扫描定位像；序列扫描方法为平扫，其中，扫描参数设置为：管电压120kv，管电流180ma，层厚(初始薄层厚度)3.75mm，层间距3.75mm。
48.先扫描定位像，确定扫描范围后进行序列扫描(图1b、图1c)，扫描中猪的体位固定为俯卧位。按照各定位像确定的扫描范围分别建立计算机断层扫描原始图像序列的检测报告单。
49.4.图像薄层重建与去噪
50.对ct扫描仪生成的dicom格式的原始薄层图像(层厚为3.75mm的图像层面)，在ge影像工作站中选择需要重建的薄层图像，点击创建新的序列，设置层厚为1.25mm或0.625mm，重建方式为stnd。然后，采用asir算法并设定权重为50％，以降低重建后薄层图像的噪声，即减少图像噪点(图2)。
51.5.对猪肉质性状的评估
52.以利用经过ge影像工作站处理后的薄层图像进行猪肌内脂肪含量测定(简称ct活体测定)为例，具体流程如下：
53.首先继续在ge影像工作站中选择重建、去噪后的图像序列，点击reform。进入主界面后调整左上视窗显示模式为x
‑
section(即左上视窗为x
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section视窗)，在横断面视窗中调整图像层面，结合矢状面视窗和冠状面视窗定位到待测定的某个图像层面。然后，在该层面上通过勾画选择感兴趣区域(四种不同的肌肉部位的勾画结果参见图3)。
54.在某个图像层面选择感兴趣区域后，调整x
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section视窗中的ct扫描阈值范围(如图4b所示，横坐标代表阈值区间，两条虚线分别代表脂肪对应的最大阈值和最小阈值，曲线与横坐标间面积为感兴趣区域面积)，即根据脂肪密度设置感兴趣区域中脂肪组织对应的阈值范围，工作站自动计算感兴趣区域的脂肪面积占感兴趣区域面积的比例，即得到感兴趣区域所对应肌肉部位的肌内脂肪含量，记录数据。
55.具体而言，图4a中选择的感兴趣区域是一个图像层面中显示的背最长肌部分，从图4b中横坐标之上(曲线右上角)显示的参数可见：1)调整后的最大阈值为
‑
3.0iu，最小阈值为
‑
97.0iu(即确定了图4b中横坐标上两条虚线之间的曲线段与横坐标间的面积)；2)根据阈值范围
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97.0iu～
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3.0iu，自动计算了感兴趣区域的脂肪面积为24mm2，以及计算了感兴趣区域的脂肪面积占感兴趣区域面积的比例为1.1％(感兴趣区域参数显示在图4b中的横坐标下方)。由此，确定背最长肌的肌内脂肪含量为1.1％。
56.(二)屠宰后通过索氏抽提法测定(简称屠宰测定)肌内脂肪含量
57.实验器材准备：针对屠宰后检测肉质性状的实验，需要准备手术刀、锡箔纸、游标卡尺、液氮罐、皮尺、手术剪、标签、记号笔、体重秤、托盘、货架、收容袋、胶带、皮筋等。
58.实验具体流程如下：
59.1)取样部位：屠宰后尽快送往实验室，取倒数第3及第4肋骨处背最长肌、臀中肌、股二头肌和半膜肌。
60.2)前处理：切碎，65℃制成风干肉样。
61.3)脂肪提取：分析天平称取风干肉样3～5g，用滤纸包扎并编号。将滤纸包于103～105℃烘箱中烘2h。移入索氏脂肪抽提器，例如半自动索氏抽提仪(2055soxtec manual extraction unit)的浸提管中，加入无水乙醚，按设定程序蒸煮2h，回收乙醚后将脂肪收集瓶置于103～105℃烘箱中烘10min，接着置于干燥器内冷却30min，称重(称重结果记为w2)。
62.脂肪含量f(％)＝(w2－w1)/w
×
100
63.式中，w为风干肉样重(g)，w1为浸提前脂肪收集瓶重(g)，w2为浸提后脂肪收集瓶重(g)。
64.脂肪含量f就是通过索氏抽提法测定的肌内脂肪含量。
65.(三)ct活体测定获得的各肌肉部位肌内脂肪含量的评估结果与屠宰测定的各肌肉部位肌内脂肪含量真实值的相关性分析
66.试验数据用microsoft excel 365作初步整理，然后使用spss 26.0软件进行分析。数据分析时先检查数据的正态性(shapiro
‑
wilk检验)和方差的齐次性(levene检验)，对于不符合检验要求的数据进行反正弦转换以满足参数假设，然后进行独立样本t检验。相关分析采用pearson相关分析。
67.参见表1，针对于背最长肌、臀中肌、股二头肌和半膜肌这四个不同肌肉部位的肌内脂肪含量，ct活体测定的评估结果和屠宰测定的真实值的相关系数(r)分别为0.837、0.815、0.764、0.786，这一分析结果表明ct活体测定与屠宰测定的肌内脂肪含量为强相关性，且经验证相关性均达到极显著水平(p<0.01)。同时，针对于背最长肌、臀中肌和半膜肌这三个不同肌肉部位的肌内脂肪含量，ct活体测定的评估结果和屠宰测定的真实值之间差异不显著；而对于股二头肌，活体测定的评估结果和屠宰测定的真实值之间差异显著(p<0.05)。以上分析结果表明，基于计算机断层扫描的ct活体测定可以准确测定肌内脂肪含量。
68.表1.肌内脂肪含量的ct活体测定评估结果与屠宰测定真实值的相关性
[0069][0070]
注：**表示ct活体测定的评估结果与屠宰测定的真实值为强相关性，#表示ct活体测定的评估结果与屠宰测定的真实值差异显著
[0071]
实验结果还表明，同一肌肉部位在多个不同图像层面内的imf含量测定结果无明显差异。
[0072]
(四)ct活体测定获得的各肌肉部位肌内脂肪含量的评估结果与屠宰测定的各肌
肉部位肌内脂肪含量真实值的回归分析
[0073]
试验数据用microsoft excel 365作初步整理，然后使用spss 26.0软件进行分析。数据分析时先检查数据的正态性(shapiro
‑
wilk检验)和方差的齐次性(levene检验)，对于不符合检验要求的数据进行反正弦转换以满足参数假设，然后进行独立样本t检验。
[0074]
最终，以ct活体测定的肌内脂肪含量为自变量，屠宰测定的肌内脂肪含量为因变量，进行一元线性回归分析。参见图5，针对于背最长肌、臀中肌、股二头肌和半膜肌这四个不同肌肉部位的肌内脂肪(imf)含量，所建立线性模型的决定系数(r2)分别为0.700、0.664、0.583、0.618，且ct活体测定和屠宰测定所得肌内脂肪含量之间存在极显著的线性正相关(p<0.01)，表明基于计算机断层扫描的ct活体测定可以获得与真实肌内脂肪含量相一致的测定结果。