Development of a muscle specific ultrasound backscatter model to improve the non-invasive assessment of porcine meat quality
Final Report Abstract
Eine zerstörungsfreie Abschätzung von Qualitätsmerkmalen von Muskelfleisch ist von hohem wirtschaftlichem Interesse. Ultraschall zeigte bereits in früheren Untersuchungen das Potential, verschiedene kompositionelle Merkmale (z.B. intramuskuläres Fett) zu schätzen. Die vorgeschlagenen Parameter zur Abschätzung des IMF waren allerdings vielfältig, rein empirisch ermittelt und resultierten in einer nicht hinreichenden Abschätzungsgenauigkeit für die typischerweise am Schweinmuskel auftretende geringe Schwankungsbreite des IMF. Ein Ziel dieser Studie war eine systematische Untersuchung IMF-assoziierter Struktur- und Kompositionsveränderungen sowie deren Auswirkung auf die akustischen Schallausbreitungseigenschaften von Haut, Rückenspeck und Muskel. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dienten der Implementierung von Korrekturalgorithmen für Schallfeldgeometrie, Amplitude und Frequenzinhalt. Das zweite Ziel war die Untersuchung kausaler Zusammenhänge, die zu einer IMF-assoziierten Veränderung der spektralen Rückstreucharakteristik führen und damit zu einer Identifizierung von robusten und sensitiven Parametern zur Abschätzung des IMF. Einer der zentralen Punkte der vorliegenden Studie beinhaltete die Erhebung der zu erwartenden Bandbreite akustischer Parameter des Muskelgewebes und deren Verwendung als Referenzwerte in Korrekturalgorithmen. In-vitro Messungen aller involvierten Gewebe (Muskel, Haut, Rückenspeck) wurden mit Hilfe quantitativer Ultraschallmikroskopie im Frequenzbereich von 10 MHz bis 100 MHz durchgeführt. Auf diese Weise konnten anisotrope Schallgeschwindigkeit und Dämpfung von einzelnen Muskelfasern bzw. Gewebeschichten bis hin zum kompletten Gewebeverbund experimentell ermittelt und in Schallausbreitungsmodelle überführt werden. Es konnte gezeigt werden, dass sich die akustischen Eigenschaften einzelner Muskelfasern in Abhängigkeit vom IMF signifikant ändern und die durch Streuung an einzelnen Muskelfasern hervorgerufenen Rückstreuanteile nicht für eine IMF-Abschätzung eignen. Stattdessen verursacht die Einlagerung von Fett in den Bindegewebsschichten zwischen Muskelfaserbündeln akustische Inhomogenitäten, so dass ein zunehmender IMF-Anteil direkt mit der Rückstreuamplitude an Muskelfaserbündelgrenzen korreliert. In dem für in-vivo Messungen relevanten Frequenzbereich von 1-5 MHz können diese Rückstreuanteile nicht mit einem Formfaktormodell approximiert werden. Da die Abstände von Muskelfaserbündeln im Schweinemuskel in der Regel so groß sind, dass sie zeitlich separiert werden können, wurden primär cepstrale Datenauswertungsalgorithmen entwickelt. Der Projektschwerpunkt lag auf der nicht-invasiven Schätzung der kompositionellen Eigenschaften des Muskels am hängenden Schweineschlachtkörper. Hierfür wurde ein bereits am Schlachthof eingesetztes Ultraschallgerät (UltraFOM300; Carometec; Lünen) modifiziert. Insgesamt wurden 82 Schlachtkörper (45 min p. m.) mit jeweils 2-3 Messwiederholungen and drei Schlachthöfen untersucht. Die in anschließenden Laboruntersuchungen ermittelten IMF-assoziierten Variationen akustischer Eigenschaften in Haut, Rückenspeck und Muskelgewebe wurden zur Kalibrierung und zur Entwicklung eines Prädiktionsmodells verwendet. Im Gegensatz zu bisherigen Untersuchungen konnte der IMF mittels multipler linearer Regression durch lediglich 2 US Parameter, der akustischen Dämpfung im Muskel und dem Anstieg der frequenzabhängigen Rückstreuamplitude, sowie der Rückenspeckdicke mit einem Bestimmtheitsmaß von R²= 0,76 und einem Schätzfehler von 0,34 % bei einer IMF Variationsbreite von 0,65 bis 3,56 % abgeschätzt werden. Darüber hinaus ermöglichte die erhaltene Schätzgenauigkeit eine korrekte Einordnung von 73 % der Schlachtkörper in eine von 3 IMF-Klassen.
Publications
- (2009). Intramuscular fat content estimation in the loin muscle pig carcasses by ultrasound spectral parameter analysis. IFMBE Proceedings 25 (13), 92-95
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- (2009). Sound velocity and attenuation of porcine loin muscle, backfat and skin. IFMBE Proceedings 25 (13), 96-99
Koch,T., Lakshmanan,S., Raum,K., Wicke,M., Mörlein,D., Brand,S.
- (2010). Application of cepstral analysis for ultrasonic structural parameter characterization. Biomed. Tech. (Berl) 55 (s1), 104-107
Männicke,N., Koch,T., Lakshmanan,S., Mörlein,D., Raum,K.
- (2010). Ultrasonic microelastic evaluation of porcine musculus longissimus by 100-MHz time-resolved scanning acoustic microscopy. Biomed. Tech. (Berl) 55 (s1), 134-138
Lakshmanan,S., Koch,T., Wicke,M., Mörlein,D., Raum,K.
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Koch, T., Brand, S., Sannachi, L., Raum, K., Wicke, M. and Mörlein, D.
- (2011). Ultrasound velocity and attenuation of porcine soft tissues with respect to structure and composition: II. Skin and backfat. Meat Science, 88, 67-74
Koch, T., Brand, S., Sannachi, L., Raum, K., Wicke, M. and Mörlein, D.
