計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）對(duì)豬胴體組成評(píng)估的研究進(jìn)展

邵勇維克，任志強(qiáng)，孫昌輝，張 衡，楊公社，龐衛(wèi)軍*

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

隨著豬育種技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)豬的活體進(jìn)行選擇是目前豬育種所采用的主要方法之一。目前人們對(duì)豬的活體選擇主要借助于精準(zhǔn)性儀器進(jìn)行活體評(píng)估，超聲波技術(shù)評(píng)估豬活體背膘厚、眼肌深度及眼肌面積是目前許多國家所采用的胴體選擇技術(shù)。豬活體選擇所采用的超聲波儀器主要為：A超、B超和CT，三種儀器能在無任何損傷和刺激的情況下對(duì)豬的活體進(jìn)行測定, 其中A超和B超由于工作原理的不同，測量結(jié)果存在差異[1]；A超僅能測定胴體組織厚度，B超能同時(shí)測定背膘厚度與眼肌面積[2]。此外，用A超和B超對(duì)豬活體測量時(shí)，由于測量部位、操作技術(shù)、豬的站立姿勢等方面的差異，往往導(dǎo)致測定結(jié)果和真實(shí)值差異較大[3-4]。CT是集X射線、γ射線、超聲波于一體，具有掃描時(shí)間快，能全身性掃描，獲取圖像清晰等特點(diǎn)。通過對(duì)CT斷層掃描圖片進(jìn)行圖片密度性著色及三維建模，可獲取胴體肌肉、骨骼、皮膚和脂肪的比重參數(shù)，其測量值與實(shí)體測量值具有較高的相關(guān)性[5-8]。因此，CT用于豬的胴體組成成分評(píng)估應(yīng)用具有較好的前景。

鑒于超聲波技術(shù)對(duì)豬活體選擇的應(yīng)用，文章結(jié)合我們的前期試驗(yàn)總結(jié)及國內(nèi)外研究進(jìn)展，從CT斷層掃描前期處理、豬胴體組織結(jié)構(gòu)及CT斷層掃描圖片相結(jié)合的角度闡述CT對(duì)豬胴體準(zhǔn)確性評(píng)估的方法及注意事項(xiàng)，為將來CT新育種技術(shù)的實(shí)施及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 豬的麻醉處理

根據(jù)我們總結(jié)的前期麻醉經(jīng)驗(yàn)，豬在麻醉前進(jìn)行稱重、編號(hào)及饑餓處理（斷料不斷水），饑餓處理24 h后，實(shí)行全身性麻醉。采取耳緣靜脈注射麻醉，主要有以下三種麻醉方案：1）丙泊酚（1mL/kg）；2）蘇泰（0.1mL/kg）；3）配伍麻藥（3%戊巴比妥鈉2.5 g/L+速眠新Ⅱ 0.11 mL/kg）。三種麻醉方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中前兩種方案麻醉效果好，比較安全，不易造成豬的麻醉死亡，但麻醉藥價(jià)格較高；第三種麻醉方案費(fèi)用較低，但麻藥降解速度較快，麻醉保持時(shí)間較短，同時(shí)容易中途清醒，產(chǎn)生麻醉性肌肉顫抖，影響CT掃描進(jìn)程；同時(shí)該方案給藥劑量因豬的品種和體重不同要及時(shí)調(diào)整，把握不準(zhǔn)容易造成麻醉性死亡。結(jié)合以上麻醉試驗(yàn)效果，豬的全身性麻醉推薦前兩種麻醉方案。

2 計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）

豬的胴體計(jì)算機(jī)斷層掃描主要采用Brivo CT 385 Series 16層螺旋CT，掃描采用無間隙掃描模式，掃描參數(shù)設(shè)置為：電壓140 kV，電流300 mA，掃描層厚/層距均為0.625 mm，螺距0.562，掃描時(shí)間2 s。豬進(jìn)入麻醉狀態(tài)后，調(diào)整豬體姿勢，脊柱正中線與CT標(biāo)準(zhǔn)紅線重合（圖1D）。掃描采用四段式掃描：頸段，胸段，腰段和臀部掃描。由于豬體各段密度不同，要想獲得清晰可靠的斷層掃描圖片，掃描時(shí)要根據(jù)豬體部位進(jìn)行掃描參數(shù)調(diào)節(jié)。三維重建系統(tǒng)采用CT (Brivo CT 385 Series) 內(nèi)的容積重建系統(tǒng)對(duì)掃描后的豬肌肉、骨骼、皮膚、脂肪和內(nèi)臟進(jìn)行三維建模，獲得豬活體三維模型。由于采用Brivo CT 385 Series 16層螺旋CT的高度與內(nèi)容量受限，造成繁瑣的四段式掃描，影響掃描進(jìn)程；經(jīng)濟(jì)條件較好的種豬育種公司，測定生長育肥豬體組成，建議選擇Brivo CT 385 Series 64或Brivo CT 385 Series 128層螺旋CT，大容量的CT可以一次性完成對(duì)豬活體的整體掃描，對(duì)掃描圖片的獲取及三維建模較簡易快捷。

圖1 CT掃描操作

3 屠宰與胴體測定

CT掃描后，對(duì)豬進(jìn)行自由飲水、運(yùn)動(dòng)4 h后屠宰，以免麻藥及其他應(yīng)激因素造成屠宰胴體產(chǎn)酸過多，影響后期測量胴體背膘厚度與眼肌深度的數(shù)值。屠宰后，去除頭，蹄，尾和內(nèi)臟（保留板油和腎臟），稱取胴體重量，置于排酸架上，4 ℃冷藏放置12 h后進(jìn)行胴體各組成成分分割。稱取胴體各組成成分：皮、脂肪、骨骼和肌肉的重量，統(tǒng)計(jì)胴體各組成成分重量及所占比例。電子游標(biāo)卡尺測量第11～12肋背膘的厚度和眼肌的深度。取第11～12肋處的背最長肌，置于干冰中保存，用于后續(xù)的實(shí)體粗脂肪含量評(píng)估。

4 胴體組成成分評(píng)估

4.1 斷層掃描圖分割

CT對(duì)豬活體的斷層掃圖片描包括內(nèi)臟成分，要想得到準(zhǔn)確性的胴體成分，還必須對(duì)CT斷層掃描圖片進(jìn)行內(nèi)臟去除處理（圖3）。因此將來用CT評(píng)估豬的活體組成成分，還必須開發(fā)CT圖像切割系統(tǒng)，整合到CT儀器系統(tǒng)，與CT儀器系統(tǒng)相融合，以便得到胴體組成成分所占的比例。

4.2 斷層掃描圖密度性著色

豬體的表皮、骨骼、肌肉、結(jié)締組織和脂肪的組成組織結(jié)構(gòu)不同，其密度相差較大。CT是根據(jù)豬體不同組織對(duì)X射線吸收與透過率的不同，傳出的射線輸入接受系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)根據(jù)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后，獲取CT重建圖像。目前，CT用在評(píng)估家畜活體的研究主要集中在歐洲，歐盟在2008年頒布CT可以取代豬胴體的解剖以評(píng)估胴體品質(zhì)。CT在將來用于豬活體的選擇，可以通過密度性著色獲取豬體組成成分值，來評(píng)估豬體組成成分，但評(píng)估值與實(shí)際胴體分割測定值存在一定的差異。Vester-Christensen等[5]對(duì)CT獲取圖片進(jìn)行密度性著色（圖4 D），根據(jù)識(shí)別器獲取CT圖片的顏色的數(shù)值建立回歸擬合曲線評(píng)估豬胴體組成成分，其得出的數(shù)值高于實(shí)體測量值。主要由于對(duì)CT 圖片進(jìn)行密度性著色時(shí)，豬體中肌腱、筋膜、骨膜和結(jié)締組織的密度與豬體其他組成成分相似，因此介于兩種組織之間的組織的密度性著色較難區(qū)分界限（圖4 A和4 B），導(dǎo)致不同豬體組成成分的密度性著色存在誤差。對(duì)介于中間密度的組織：肌腱、筋膜、骨膜和結(jié)締組織等，統(tǒng)一歸類于PVE組織，得出的豬體組成成分值與實(shí)際屠宰測定值相近。

圖2 胴體4 ℃排酸

圖3 CT 斷層掃描圖片內(nèi)臟去除處理

4.3 斷層掃描圖HU值設(shè)置

圖4 CT圖片密度性著色（圖4 C和4 D引自Vester-Christensen等）

圖5 斷層掃描圖HU設(shè)置（引自O(shè)lsen等）

CT對(duì)豬胴體組成成分值的評(píng)估準(zhǔn)確性受多重因素的影響。掃描參數(shù)設(shè)置、豬胴體不同部位及CT圖片個(gè)體素的設(shè)置對(duì)最終的評(píng)估結(jié)果造成一定的影響。CT通過對(duì)掃描對(duì)象的三維圖像獲取數(shù)據(jù)，通過疊加特定厚度的切片來獲得3D圖像。該CT圖片具有多個(gè)體素，每個(gè)體素與亨斯菲爾德單位（Hounsfield unit，HU）值相關(guān)聯(lián)，該值是在HU尺度上作為對(duì)應(yīng)物體中的平均衰減而獲得。Olsen等[6]根據(jù)胴體組織對(duì)CT圖片像素進(jìn)行了光譜設(shè)置分析，對(duì)不同物質(zhì)的光譜定義為：水的光譜值為0 HU，空氣的光譜值為-1 000 HU，脂肪的光譜值約為-68 HU，肌肉的光譜值約為+60 HU，骨骼的光譜值高于+650 HU。通過對(duì)不同物質(zhì)的光譜設(shè)置，胴體的皮膚組織、脂肪組織、肌肉組織、骨骼和PVE組織能夠達(dá)到精準(zhǔn)區(qū)分，從而得到的CT評(píng)估值與實(shí)際胴體分割值較相近。為此，在對(duì)豬的活體進(jìn)行斷層掃描時(shí)，要先對(duì)CT掃描的不同材料的HU值進(jìn)行設(shè)置，從而獲取精準(zhǔn)的密度著色圖。

圖6 CT斷層和橫側(cè)掃描各部位圖片

圖7 CT對(duì)豬胴體三維建模圖

4.4 CT對(duì)豬胴體組成成分三維建模

目前，CT對(duì)胴體組成成分的三維建模主要依賴于CT內(nèi)部的三維建模系統(tǒng)，CT三維建模以CT斷層掃描圖片的密度調(diào)節(jié)參數(shù)為基礎(chǔ)。根據(jù)不同組織的HU值設(shè)定CT斷層掃描圖，在CT斷層掃描圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行胴體三維建模[9-10]。Clelland等[11]和Anderson等[12]對(duì)豬的胴體掃描圖進(jìn)行三維建模獲取不同組織的重量，根據(jù)不同組織的每個(gè)體素HU值的不同，對(duì)胴體的各部組織進(jìn)行建立組織體積模型，最終通過不同組織的體積乘以其密度得出其組織的重量。

4.5 背最長肌的肌內(nèi)脂肪（IMF）評(píng)估

實(shí)體測量豬背最長肌IMF含量，多采用索式提取法進(jìn)行提取測量。CT評(píng)估背最長肌IMF含量，主要通過圖片密度調(diào)節(jié)后著色評(píng)估。根據(jù)計(jì)算機(jī)斷層掃描各部位圖片像素參數(shù)值的不同，通過讀取不同部位掃描圖片的像素值得出肌內(nèi)粗脂肪的含量。Font-i-Furnols等[12]研究表明，中間密度組織對(duì)CT評(píng)估IMF的結(jié)果造成很大的影響，主要由于中間密度組織：肌腱、筋膜、骨膜和結(jié)締組織等進(jìn)行密度著色時(shí)，很難和其他胴體組織進(jìn)行區(qū)分著色。Fulladosa等[13]通過調(diào)節(jié)電壓來獲取不同HU值的CT掃描圖片，進(jìn)行HU平均之后建立線性擬合，能夠得出較好的IMF結(jié)果。通過對(duì)計(jì)算機(jī)斷層掃描胴體圖片進(jìn)行密度性著色，由于肌肉的密度處于中等密度（黃色著色區(qū)域），運(yùn)用Bridge 23調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)圖片中肌肉的密度參數(shù)，保持脂肪和軟組織的密度參數(shù)（綠色著色區(qū)域），獲取密度調(diào)節(jié)圖，運(yùn)用圖像顏色識(shí)別器，讀取圖片綠色數(shù)值，得出數(shù)值 ：P原圖- P低密度處理圖，建立粗脂肪線性擬合回歸曲線。

5 總結(jié)與展望

CT評(píng)估豬的活體組成具有簡單、高效、快捷及加速動(dòng)物遺傳改良進(jìn)程等方面的作用。目前，CT在豬胴體選擇上的應(yīng)用主要集中在歐洲地區(qū)，由于CT評(píng)估豬的活體組成的圖像以及線性擬合曲線的建立還存在較多的問題，導(dǎo)致CT技術(shù)尚未實(shí)質(zhì)性應(yīng)用到豬遺傳改良中，因此進(jìn)一步探究CT活體成像像素調(diào)節(jié)及建立可靠的擬合曲線模型具有重要意義。

圖8 CT斷層掃描圖片密度調(diào)節(jié)