Xác định tỉ lệ mô mỡ và mô cơ trên lợn sử dụng phương pháp siêu âm không phá hủy

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 thơng, Trường Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN
2
Khoa Vật Lí, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - ĐHQGHN


các thành phần dinh dưỡng trong thịt lợn [5]. Nghiên cứu này
cho ra kết quả vận tốc truyền siêu âm trong mô mềm của lợn,
từ đó ước tính tỉ lệ các lớp trong lợn bằng việc thiết lập một hệ
đo đơn giản. Sóng siêu âm là âm thanh có tần số cao trên
ngưỡng nghe của con người, trên 20kHz. Vì vậy, nó có rất
nhiều ứng dụng trong sinh học. Phương pháp không phá hủy
này rất dễ dàng thực hiện. Khi đặt đầu dò siêu âm trên bề mặt
da của lợn, xung siêu âm từ đầu dò sẽ truyền qua da, mỡ, cơ
và xương. Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2
mơi trường có trở kháng khác nhau, nó sẽ bị phản xạ một
phần. Khoảng thời gian từ lúc xung siêu âm được phát đi cho
tới khi nó trở lại đầu dị giúp xác định được vận tốc sóng âm
truyền trong mơ. Sử dụng vận tốc này để tính tốn độ dày của
lớp mỡ dưới da và lớp cơ. Vì vậy mà có thể ước lượng được tỉ
lệ các thành phần mơ trong lợn.

Abstract— Trong bài báo này, chúng tơi trình bày việc ứng dụng
phương pháp siêu âm không phá hủy để xác định độ dày mô cơ
và mô ỡ trong lợn theo đó có thể xác định được tỉ lệ các lớp mô
trong lợn. Bằng việc sử dụng kĩ thuật siêu âm xung dội là một
trong những phương pháp đo lường bằng siêu âm, vận tốc của

sóng siêu âm truyền trong mơ mỡ và cơ của lợn được xác định.
Sau đó, một thuật tốn xử lý tín hiệu số được áp dụng để nâng
cao độ chính xác và độ tin cậy của phép đo. Vận tốc sóng siêu âm
truyền trong mỡ dưới da và cơ có giá trị lần lượt là 1422.9 ± 52.4
và 1583.9 ± 12.5 m/s. Các vận tốc này sau đó được sử dụng để
tính tốn độ dày mô mỡ và mô cơ của các mẫu vật khác. Các kết
quả thí nghiệm có được với các giá trị sai số phép đo nhỏ hơn
5.2% khi so sánh với độ dày đo được bởi thước kẹp điện tử.
Keywords- Phương pháp khơng phá hủy, vận tốc siêu âm, xử lý
tín hiệu số.

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
lệ đó phù hợp sẽ đem lại cho con người những bữa ăn ngon.
Ngược lại, nếu miếng thịt với tỉ lệ mỡ cao, khi nấu lên món ăn
sẽ chứa rất nhiều chất béo không chỉ gây ra cảm giác không
ngon miệng mà việc tiêu thụ các sản phẩm như vậy về lâu dài
sẽ có ảnh hưởng khơng tốt tới sức khỏe. Nếu tỉ lệ mỡ q thấp,
món ăn sẽ khơng mềm, ngon. Để nâng cao chất lượng các sản
phẩm từ thịt, công nghệ sinh học ra đời và trở thành một cuộc
cách mạng trong chăn nuôi. Bằng việc ứng dụng công nghệ
này, các con lợn được nuôi trong môi trường giống với tự
nhiên và được cung cấp nguồn thức ăn sạch. Mặc dù chất
lượng thịt lợn được cải thiện đáng kể về mùi vị thơm ngon
nhưng hạn chế của phương pháp chăn nuôi này là này là tỉ lệ
mỡ trong thịt vẫn cịn cao và do đó các sản phẩm này khó mở

rộng được thị trường, và khơng đem lại lợi ích kinh tế cao cho
người chăn nuôi. Vấn đề đặt ra là kiểm soát tốt tỉ lệ mỡ dưới
da và tỉ lệ nạc của lợn và sản phẩm thịt có được phải an tồn
cho người tiêu dùng. Một phương pháp có thể giải quyết hiệu
quả vấn đề này là đó là kiểm tra khơng phá hủy (NDT). NDT
là một q trình xem xét, kiểm tra và ước lượng cấu trúc vật
liệu mà không phá hủy hay làm hư hại tới vật liệu đó. Kiểm
tra bằng siêu âm xung dội là một trong các phương pháp NDT
được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống. Nó đã được sử dụng để tính tốn độ sâu thực tế của
biển [1], độ dày lớp mỡ dưới da và dự đốn tổng lượng mỡ
trong cơ thể của một số lồi chó [2], độ dày của mỡ dưới da
của người [3], chỉ ra sự thay đổi độ dày tương đối của lớp mỡ
dưới da của đàn lợn đang trong thời kì phát triển [4], ước định

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần
II, chúng tôi miêu tả mơ hình thí nghiệm và phương pháp tính
tính tốn. Trong phần III, chúng tôi đưa ra kết quả đo và thảo
luận. Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.
II.

MẪU VẬT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Khi sóng siêu âm truyền qua mặt phân cách giữa 2 lớp mô,
một phần sẽ bị phản xạ trở lại môi trường ban đầu. Tổng năng
lượng bị phản xạ từ mặt phân cách phụ thuộc vào trở khác
giữa 2 môi trường. Sự sai khác về trở kháng giữa 2 loại mô
càng lớn, năng lượng bị phản xạ càng nhiều. Trở kháng là một
đặc tính của mơ được xác định bởi mật độ mô tế bào và vận
tốc siêu âm truyền trong mô đó. Thời gian truyền âm (TOF)

được quan sát để tính vận tốc truyền trong vật liệu và được
xác định bởi công thức [6]:
(1)
t=
với l và v lần lượt là độ dày mẫu vật [m] và vận tốc truyền siêu
âm [m/s]. Thí nghiệm được cài đặt cho phép đo vận tốc truyền
siêu âm trong mô của lợn được minh họa trong Fig.2(a). Một
máy phát siêu âm (5077PR)[7] được kết nối với một đầu dị có
tần số trung tâm là 5MHz (Olympus) [8] (dải đo trong y tế đến
20 MHz. Trong nghiên cứu này chọn 5 MHz do có sẵn, các
tần số khác sẽ khảo sát sau) để tạo ra sóng siêu âm truyền
trong mẫu vật. Nếu xuất hiện một sự gián đoạn trong quá trình
truyền âm, xung phản xạ sẽ được thu lại trên dao động ký [2]
chỉ ra như trong Hình 2(b). Tín hiệu phát đi và thu lại được số
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
và đầu dị.
Phần mỡ và nạc của lợn đã xẻ thịt sử dụng cho thí nghiệm lấy
từ các con lợn khỏe mạnh và mẫu vật không qua quy trình xử
lý để đảm bảo giữ được các đặc điểm tự nhiên của thịt.
Khoảng 50 mẫu vật được chọn ngẫu nhiên sau 6 giờ con vật
được giết mổ ở các lò giết mổ. Các mẫu vật được lựa chọn có
cấu trúc tương đối ổn định để đơn giản hóa phép đo và thuận
tiện cho việc tính tốn. Các thí nghiệm đều được tiến hành
trong điều kiện nhiệt độ phịng.

Thí nghiệm cho phép đo vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ
và mô cơ được tiến hành với các mẫu vật khác nhau và lấy giá
trị trung bình của các lần đo. Xung siêu âm phát ra từ đầu dò
và truyền qua các mô. Khi xung siêu âm chạm tới mặt phân
cách giữa 2 loại mơ, nó sẽ phản xạ trở lại đầu dò, làm thạch
anh trong đầu dò dao động và tín hiệu điện thế được tạo ra.
Tín hiệu siêu âm sau đó được rời rạc hóa và truyền tới máy
tính. Một tín hiệu siêu âm thu được ở đầu dò được chỉ ra trên
Sử dụng phương pháp xử lý tín hiệu số trên MATLAB, vị trí
và thời gian truyền của các đỉnh phản xạ được xác định.

(a)

Hình 2. Lưu đồ thuật tốn xử lý tín hiệu siêu âm phản xạ lại đầu dị.

Lưu đồ thuật tốn 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
thời gian giữa các đỉnh kề nhau chính là thời gian phản xạ của
sóng siêu âm và tính tốn vận tốc truyền siêu âm trong các mô
bằng công thức (1).

(b)

III.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tín hiệu siêu âm truyền trong mơ mỡ và mơ cơ của lợn sau khi
phản xạ trở lại đầu dò sẽ được lưu lại trên máy tính thơng qua
một kết nối mạng LAN. Tiếp đó, tín hiệu được xử lý theo lưu
đồ thuật tốn đã đề cập ở Hình 2. Tín hiệu mơ mỡ và mơ 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 mơ mỡ và mơ cơ tính
tốn 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
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
tử với các kết quả vận tốc đã tính được trước đó. Sai số giữa
phép đo bằng thước kẹp điện tử và phép đo bằng siêu âm qua
các lần đo đều nhỏ hơn 5.2%.

(c)
Hình 1. Thiết lập thí nghiệm. (a) Thiết lập thí nghiệm siêu âm truyền
trong mơ mỡ và mô cơ của lợn. (b) Một mẫu mô cơ lợn. (c) Dạng tín
hiệu siêu âm thu được.

98


(b)
(a)

(c)
Hình 4. Sóng siêu âm truyền trong mơ cơ (a) Biến đổi Hilbert, (b)

Lọc thông thấp và làm mịn, (c) Lọc ngưỡng và tìm đỉnh.
(b)

(c)
Hình 3. Sóng siêu âm truyền trong mô mỡ (a) Biến đổi Hilbert, (b)
Lọc thông thấp và làm mịn, (c) Lọc ngưỡng và tìm đỉnh.

Hình 5. Vận tốc siêu âm truyền trong mô mỡ qua các lần đo
khác nhau.

Hình 6. Vận tốc siêu âm truyền trong mô cơ qua các lần đo
khác nhau.

(a)

99


phản xạ và tín hiệu sau xử lý cho ta nhận biết cơ bản sự tồn tại
của các lớp (Hình 7(b)). Áp dụng lý thuyết siêu âm, có thể ước
lượng tương đối về độ dày mỗi lớp. Tuy nhiên, tín hiệu thu
được còn bị nhiễu là một cản trở lớn trong việc phân tích tín
hiệu chính xác hơn. Trong thực tế, các loại mơ khác nhau tại
một số vị trí trên cơ thể con vật có sự liên kết về cấu trúc phức
tạp tương đối phức tạp. Đây là một thách thức lớn của nhóm
nghiên cứu. Dù vậy, bước đầu xác định được độ dày hay đặc
điểm truyền âm của mỗi lớp, như lớp mỡ thơng qua tín hiệu
phản xạ, cho ta cái nhìn tổng quan bên trong mẫu vật, mở ra
tiềm năng kiểm soát chất lượng thịt lợn trong chăn nuôi, cung
cấp thông tin kịp tức tới người nuôi lợn. Do đó, việc cải thiện

phương án xử lý tín hiệu và phép đo là cần thiết cho các
nghiên cứu trong tương lai.

Bảng 1. Độ dày mô mỡ được đo bởi siêu âm và thước kẹp
điện tử
Mẫu Vật Độ dày đo bằng Độ dày đo bằng
Sai số
thước kẹp điện
phương pháp
[%]
tử (cm)
siêu âm [cm]
1
1.49
1.51
1.342
2
2.41
2.39
0.830
3
4.18
3.96
5.263
4
4.75
4.53
4.632
6.96
2.929

5
7.17
Bảng 2. Độ dày mô cơ được đo bởi siêu âm và thước kẹp
điện tử
Độ dày đo bằng
Sai số
Mẫu Vật Độ dày đo bằng
thước kẹp điện
phương pháp
[%]
tử (cm)
siêu âm [cm]
1.98
2.591
1
1.93
2.72
1.493
2
2.68
3
5.74
5.71
0.523
6.44
1.738
4
6.33
5
5.32

5.33
0.188

IV.

KẾT LUẬN

Trong nghiên cứu này, việc xác định vận tốc siêu âm truyền
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 khơng xâm lấn). Độ dày lớp mỡ tính tốn
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 ni kiểm sốt chất lượng thịt chặt
chẽ hơn từ bên trong trong q trình chăn ni. Trong tương
lai, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển thiết bị cầm
tay được sử dụng rộng rãi trong đời sống.

(a)

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]

[3]
[4]

(b)

[5]

Hình 7. Thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp. (a) Mẫu vật với lớp
mỡ và cơ (b) Tín hiệu thu được từ mẫu vật 2 lớp

[6]

Ở thí nghiệm với mẫu vật gồm 2 lớp, nghiên cứu chỉ ra ứng
dụng của phương pháp siêu âm trong việc tính tốn độ dày của
lớp mỡ ở một số vị trí trên cơ thể lợn. Mẫu vật được sử dụng
trong thí nghiệm này gồm 2 lớp: một lớp mỡ và một lớp cơ
(Hình 7(a)). Để dễ dàng cho việc tính tốn, 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

[7]
[8]

100

S. E. Borujeni, “Ultrasonic underwater depth measurement,”
Underw. Technol., vol. 2002–Janua, pp. 33–36, 2002.
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.
J. Ying and C. Ng, “Automatic Measurement of Human
Subcutaneous Fat with Ultrasound,” no. September, 2006.
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
Vet. Scand., vol. 49, no. 1, pp. 1–7, 2007.
T. Koch et al., “Ultrasound parameters of porcine back fat
with relation to structure and composition,” no. May 2014,
pp. 1–3, 2007.
J. D. N.Cheeke, Fundamentals and Applications of
Ultrasonic Waves. 2012.
N. Magic, “User ’ S Manual,” no. 408, pp. 1–39, 2009.
Olympus Corporation, “Ultrasonic Transducers,” pp. 45–46,
2015