未來(lái)視界 頃刻之間

友思特全新實(shí)驗(yàn)室專欄正式成立啦，歡迎踏入“未來(lái)視界趣味實(shí)驗(yàn)室”！在這里，我們將以獨(dú)特的視角，帶大家探索光電與機(jī)器視覺(jué)的奧秘。

想象一下，如何通過(guò)小小攝像頭看透物體深處的故事？如何利用光線編織出數(shù)字世界的圖案？我們將著手設(shè)計(jì)有趣的光學(xué)傳感實(shí)驗(yàn)，解讀像素間的密語(yǔ)，理解深度學(xué)習(xí)/3D檢測(cè)/新型光電等技術(shù)在機(jī)器圖像檢測(cè)識(shí)別中的神奇力量。

每一次實(shí)驗(yàn)，都是理論與實(shí)踐的碰撞，是科技與生活無(wú)縫對(duì)接的瞬間。無(wú)論你是深度科技愛(ài)好者，還是單純的好奇寶寶，這里都有引人入勝的的視覺(jué)奇遇。讓我們一起開(kāi)啟這場(chǎng)眼見(jiàn)為實(shí)的科技之旅吧！

當(dāng)雞蛋碰上OCT成像系統(tǒng)？

OCT成像系統(tǒng)

友思特 OQlabscope 3.0 系列 OCT 成像系統(tǒng)，利用 840nm 近紅外光線的光學(xué)干涉成像技術(shù)，可以以類似于超聲脈沖回波成像的方式，從檢測(cè)樣品外部輪廓或內(nèi)部微結(jié)構(gòu)返回光學(xué)散射信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算處理得到多角度穿透截面圖像以及3D圖像。因?yàn)镺CT基于光學(xué)信號(hào)，不像超聲需要介質(zhì)接觸測(cè)試物體，因此具有無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，且波長(zhǎng)一般在近紅外波段，因此也不像X射線CT那樣有電離輻射。OCT具有微米級(jí)的縱向和橫向空間分辨率和毫米級(jí)的穿透深度，紅外光對(duì)透明、半透明、渾濁材料內(nèi)部可以有很好的細(xì)節(jié)檢測(cè)能力，對(duì)于不可穿透材質(zhì)也可輕松實(shí)現(xiàn)表面輪廓掃描與精細(xì)測(cè)量，針對(duì)表面以及內(nèi)部缺陷識(shí)別與測(cè)量應(yīng)用具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

雞蛋

蛋殼：主要成分是碳酸鈣，是雞蛋抵御細(xì)菌侵入的第一道防線，覆蓋著多達(dá)17000個(gè)微小的孔，因此在強(qiáng)光下是看起來(lái)半透的，允許水分和空氣通過(guò)。蛋殼可以是白色或棕色，取決于母雞的品種。

氣室：雞蛋在下蛋后冷卻時(shí)在較寬的一端形成。雞蛋越新鮮，氣室越小。

胚盤：表現(xiàn)為蛋黃表面的輕微凹陷，這是卵子受精的切入點(diǎn)。

蛋殼膜：雞蛋抵御細(xì)菌的第二道防線。蛋殼內(nèi)部實(shí)際上有兩層膜：一層粘在蛋殼上，另一層包裹著蛋白，這兩層膜緊密連接。它們受酸堿性影響粘附性，有的雞蛋煮熟后難剝皮或者容易順帶蛋白一起剝下便是殼膜的原因。

卵黃膜：也被稱為蛋黃膜，包圍并保持蛋黃。雞蛋越新鮮，膜就越堅(jiān)固。

蛋黃：雞蛋中維生素和礦物質(zhì)的主要來(lái)源。相當(dāng)于雞蛋重量的1/3。顏色根據(jù)母雞的飼料從淺黃色到深橙色不等；這并不影響雞蛋的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

系帶：把蛋黃固定在雞蛋中央的一對(duì)螺旋帶。雞蛋越新鮮，系帶越明顯。

蛋白/蛋清：占雞蛋重量的2/3。蛋白主要由水、優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)和少量礦物質(zhì)組成。

雞蛋OCT成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

我們之前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，OCT可以用于人體牙齒檢測(cè)，穿透1mm以上深度觀察到其內(nèi)部凸起、表面細(xì)節(jié)以及齲齒填充物狀態(tài)（如下圖）。因?yàn)檠例X的主要成分為羥基磷酸鈣，在紅外光線下有比較好的透過(guò)率。

牙齒組織（帶填充物）OCT成像效果

而雞蛋殼的主要成分是碳酸鈣，它在OCT系統(tǒng)探頭下會(huì)是什么樣子呢？為了探究OCT對(duì)蛋殼材料的穿透性，我們首先研究了蛋殼的基本結(jié)構(gòu)，看見(jiàn)了它在電鏡下的掃描切面圖：殼橫截面由外到內(nèi)可分為角質(zhì)層、柵欄層、乳突層、殼膜，各層結(jié)構(gòu)排列緊密，自外向里致密程度逐層降低，角質(zhì)層晶體間的縫隙構(gòu)成了大量微小的貫穿內(nèi)外的氣孔，使胚胎在發(fā)育的過(guò)程中得以進(jìn)行內(nèi)外氣體交換。

雞蛋殼的電鏡圖

1. 生雞蛋OCT檢測(cè)

理論上如上所述，這樣致密的外殼給OCT的穿透效果帶來(lái)了挑戰(zhàn)。實(shí)踐出真知！于是我們拿來(lái)了一顆生雞蛋，開(kāi)始動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證。

我們使用的OCT系統(tǒng)為譜域光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)（SD-OCT），光源是中心波長(zhǎng)為 840nm 的紅外寬帶超發(fā)光二極管（SLD），系統(tǒng)的 A-scan 點(diǎn)掃描速率為 34kHz，B-scan 截面（512*512px）掃描幀率為 22fps，深度分辨率為 5um，橫向分辨率為 18um，最大成像深度為空氣中 3mm、組織中 2mm，單次3D掃描成像范圍為 5mm*5mm，靈敏度可達(dá) 100dB。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們將樣品臂掃描頭安裝在顯微位移支架上，雞蛋置于正下方 2cm 左右。

上圖顯示了拍攝場(chǎng)景與實(shí)際的OCT多維切面及3D圖像，頂部黑色區(qū)域?qū)?yīng)無(wú)反射信號(hào)的空氣，白色像素在表面信號(hào)較強(qiáng)，那里便是雞蛋殼的表面，可以看到OCT成功的穿透了蛋殼的一定深度，并能得到部分蛋殼下層細(xì)節(jié)。

但是如前所述，蛋殼表層由致密帶微氣孔的碳酸鈣構(gòu)成，下表面則是不規(guī)則乳突與蛋清薄膜接觸，可以發(fā)現(xiàn)，雞蛋的OCT影像的下表面并不如上表面清晰。分析認(rèn)為可能的原因有：

下表面直接與蛋清液體接觸，大量信號(hào)被吸收導(dǎo)致回波信號(hào)太弱；

對(duì)于蛋殼這類碳酸鈣材料，該測(cè)試波長(zhǎng)穿透能力不足，往返光程下信號(hào)已經(jīng)難以探測(cè)。

2. 熟雞蛋OCT檢測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些分析，我們把雞蛋煮熟，嘗試對(duì)熟雞蛋的多種蛋殼狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

首先是普通裂開(kāi)狀態(tài)，我們使用手機(jī)的微距近紅外攝像頭拍攝探頭掃描過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)肉眼看不到的掃描“十字線“（如右上圖），這樣可以快速定位需要的掃描區(qū)域。

*此外，我們也提供同軸集成OCT探頭的定位檢視相機(jī)的版本，即可省去這一步驟。

通過(guò) OQlabscope 3.0 的3D渲染模式，可在幾秒鐘內(nèi)拍攝512張切面圖片重建并清晰還原表面形態(tài)（如中間圖）；而2D截面（如右下圖）則可以在掃描的過(guò)程中幾乎實(shí)時(shí)（22幀）呈現(xiàn)。從成像結(jié)果來(lái)看，OCT系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)并分辨um級(jí)尺寸裂紋，但對(duì)于蛋殼下的物質(zhì)則無(wú)法直接觀測(cè)。

我們需要掰開(kāi)一小塊蛋殼來(lái)觀察殼膜、蛋白和蛋黃的情況。幸運(yùn)的是，我們很快找到了一小塊 5×5mm2 區(qū)域（如下圖），滿足同時(shí)觀測(cè)蛋殼+殼膜+蛋白的條件。

從測(cè)試結(jié)果可以清晰分辨不同材質(zhì)的OCT圖像：蛋白表現(xiàn)為高透過(guò)率均勻的散射信號(hào)，成像深度明顯增加；蛋殼仍然難以穿透看到下表面，但可以輕松通過(guò)高度差來(lái)測(cè)量蛋殼厚度；殼膜則表現(xiàn)為厚度分明的白色亮線條。

蛋白穿透深度、殼膜/蛋殼厚度測(cè)量結(jié)果

使用 OQlabcope3.0 軟件自帶的測(cè)量功能，通過(guò)鼠標(biāo)直接拉取刻度即可測(cè)量蛋白穿透深度、殼膜厚度、蛋殼厚度。圖中數(shù)據(jù)為空氣中校準(zhǔn)值，其中蛋殼輪廓高度為準(zhǔn)確值，蛋白和殼膜的光程需要折合折射率換算。

接下來(lái)，我們驗(yàn)證了蛋白包裹的蛋黃的OCT圖像，我們找到一處蛋白較淺的區(qū)域，可能更好的觀測(cè)蛋黃。拍攝場(chǎng)景如下：

可以發(fā)現(xiàn)，蛋白和蛋黃的分界面十分清晰，也可以看到可能因?yàn)橹笫於沟玫包S膜與蛋白之間產(chǎn)生的間隙。

3. 蛋殼厚度測(cè)量

為了驗(yàn)證所檢測(cè)的蛋殼OCT圖像厚度是否準(zhǔn)確，以及僅有蛋殼的情況下，其下表面是否可以被探測(cè)，我們?nèi)∠乱恍×３叽?1mm 的蛋殼碎屑放在一片更大的蛋殼上，并置于OCT系統(tǒng)的探頭下方。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，兩層蛋殼的上表面均可清晰觀測(cè)到反射信號(hào)，但是蛋殼的下表面仍然無(wú)法被探測(cè)到。而蛋殼的厚度則可以通過(guò)側(cè)面輪廓的高度來(lái)測(cè)量，OCT測(cè)量軟件顯示多次測(cè)量結(jié)果為 338.1um，與使用游標(biāo)卡尺測(cè)量的結(jié)果 0.34mm ，可以看出數(shù)據(jù)符合較好，證明了OCT成像測(cè)量的高精度特性。

也就是說(shuō)，對(duì)于雞蛋殼而言，想直接通過(guò) 840nm 的OCT系統(tǒng)測(cè)量厚度是難以實(shí)現(xiàn)的，但是可以通過(guò)測(cè)量碎裂或微創(chuàng)輪廓等方法，非接觸地實(shí)現(xiàn)蛋殼厚度的精準(zhǔn)測(cè)量。

OCT雞蛋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義

OCT檢測(cè)方法的高分辨率和準(zhǔn)確性可以使其在雞蛋質(zhì)量檢測(cè)的流水線中有應(yīng)用潛力，它可以監(jiān)測(cè)蛋殼特征的微小差異，也能對(duì)被測(cè)雞蛋的表面和部分深度進(jìn)行三維重建，這些深度圖像信息的特征可能有效反映了雞蛋的儲(chǔ)藏時(shí)間、質(zhì)量狀態(tài)等。

由于對(duì)于生雞蛋蛋殼，OCT技術(shù)難以直接穿透并對(duì)雞蛋內(nèi)部成像，因此研究人員采用微創(chuàng)的方法，在雞蛋殼對(duì)應(yīng)位置開(kāi)一個(gè) 0.5mm 直徑的小洞，使用振鏡系統(tǒng)通過(guò)扇形掃描的方式，獲取未孵化生雞蛋的內(nèi)部信息。這種方式可以直接觀測(cè)胚盤結(jié)構(gòu)信息，對(duì)未孵化小雞進(jìn)行性別鑒定，以提前確定是可用的肉雞還是蛋雞。

這對(duì)于一些工業(yè)化孵化基地來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的操作中，大量新孵化的非所需品類性別的雞仔可能會(huì)被直接殺死，以確保效率和飼料資源利用率，而OCT檢測(cè)則提供了一種快速鑒別雞蛋性別可行方法。此外，也有研究人員證明，OCT檢測(cè)方法還可以拓展到考古學(xué)，研究恐龍蛋的蛋殼結(jié)構(gòu)等。

實(shí)驗(yàn)小結(jié)

我們希望通過(guò)淺顯易懂的生活實(shí)驗(yàn)以及清晰直觀的圖像解釋，喚起大家對(duì)OCT以及相關(guān)視覺(jué)成像領(lǐng)域的好奇心，鼓勵(lì)更多有志者、有才者參與科技創(chuàng)新。

請(qǐng)相信，每一道光線背后都隱藏著無(wú)限可能，而新興技術(shù)原理的機(jī)器視覺(jué)正引領(lǐng)著我們步入一個(gè)前所未有的感知時(shí)代。讓我們一起期待，在光電與視覺(jué)交織的世界，創(chuàng)造出更多便捷生活的科技與融入科技的生活。

感謝您的關(guān)注，我們下期再見(jiàn)！

參考文獻(xiàn)：

[1] Anke Burkhardt, Stefan Geissler, Edmund Koch, "Optical coherence tomography as approach for the minimal invasive localization of the germinal disc in ovo before chicken sexing," Proc. SPIE 7715, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care II, 77151W (2010/5/18); https://doi.org/10.1117/12.853392

[2] Sabuncu, Metin, Akdo?an, Mete, “Utilizing Optical Coherence Tomography in the Nondestructive and Noncontact Measurement of Egg Shell Thickness” 2014/07/13, https://doi.org/10.1155/2014/205191

審核編輯 黃宇