基于透射光谱分析的血斑白壳蛋图像双波长滤波检测方法

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Dual-wavelength filtering for the detection of blood-spotted eggs

　　

本研究基于透射光谱分析开发了一种用于检测血斑白壳蛋的基于图像的双波长滤波方法。光谱结果显示血斑蛋在580 nm附近存在显著吸收特征。据此选择580 nm作为血液敏感波长、630 nm作为参考波长，采用双波长图像强度比进行检测。研究人员分别为基于图像的双波长滤波方法与透射光谱法构建了二值Logistic回归（BLR）模型，并使用含0.025 mL与0.05 mL人工注入鸡血的白壳蛋及市售血斑白壳蛋进行验证。重新训练后的基于图像的双波长方法在市售样本上总体准确率达84.9%、灵敏度83.8%。结果表明该方法在静态实验室条件下具备无损筛查血斑白壳蛋的潜力。

研究背景与立项依据

血斑蛋因遗传、母鸡日龄及饲养环境等因素在蛋黄或蛋白中出现红点/血迹，进入市场会损害消费者认知，传统烛光检验（candling）效率低、主观性强且易致视觉疲劳；商业系统多采用光谱分析利用蛋内血液光学特性识别。既往研究一致显示血红蛋白在570–580 nm为主吸收区，常配参考波长抵消蛋壳厚度、光照强度等背景光学变异。已有研究在褐壳蛋用577/598 nm或576.94/600.31 nm比值、可见吸收光谱结合BLR达96.9%判别率，也有Vis/NIR结合PLS-DA、高光谱透射成像结合SVM、计算机视觉结合ANN等方法。但白壳蛋在静态条件下的简化双波长图像化筛查仍待评估，故研究人员开展本研究，建立透射光谱与双波长滤波成像两套系统并比较性能。论文发表于《Journal of Food Measurement and Characterization》。

主要技术方法概括

研究人员搭建自定义透射光谱系统（等边色散棱镜+CCD ICX274，汞灯定标，200 W氙闪灯，480–820 nm，分辨率<2 nm）与双相机双窄带通滤波成像系统（580±13 nm与630±14 nm，FWHM 10 nm，3000 K暖白LED，单色工业相机DMK 23U274，取320×320中心ROI灰度均值算580/630 nm强度比）。样本含129枚清洗白壳蛋（分30枚训练+34枚独立测试注0.025 mL血，另65枚注0.05 mL血）与86枚市售初筛血斑白壳蛋（破壳目视复核为6正常+80血斑）。光谱经参考段归一化与标准正态变量（SNV）预处理；图像用630 nm参考归一；分类均采用scikit-learn二值Logistic回归（BLR），StandardScaler标准化，lbfgs求解，类权重平衡，GroupKFold按蛋ID分组交叉验证，决策阈值0.50，Wilson区间报95% CI。

研究结果

引言部分已阐明570–580 nm血红蛋白吸收机制及双波长比背景归一思路，明确580 nm敏感到血、630 nm作参考。

实验装置（Experimental Setup）小节确认两套光学平台参数与ROI提取流程。

样本（Samples）小节给出人工注血体积选择依据（0.025 mL贴近自然微量血斑）与市售样本来源（Sin De Mao Food Ltd.初筛）。

光谱预处理与归一化（Spectral Preprocessing and Normalization）小节定义参考段除法与SNV公式 x_SNV,i=(x_i?x?)/SD_i 消除尺寸散射基线漂移。

图像特征提取与强度比计算（Image feature extraction and intensity ratio calculation）小节锁定580/630 nm均值灰比作为分类指标。

二值Logistic回归模型（Binary logistic regression model）小节固定建模超参与验证策略。

结果与讨论中，透射光谱法（Transmission spectroscopy method）对0.025 mL训练集BLR精度98.3%、灵敏度96.7%、AUC 1.000；独立0.025 mL测试集精度75.0%、灵敏度50.0%；独立0.05 mL测试集精度98.5%。图像双波长法（Image-based dual-wavelength filter method）0.025 mL训练集100%各项指标；独立0.025 mL测试集精度89.7%、灵敏度79.4%；独立0.05 mL测试集精度95.4%、灵敏度96.9%。市售86枚初训模型两法同得精度89.5%、灵敏度88.8%；扩集重训后透射光谱法市售集精度89.5%、灵敏度88.8%，双波长法精度84.9%、灵敏度83.8%，双波长法漏检13/80而光谱法漏检9/80。讨论指出单面固定ROI难覆盖极地血斑、微量血迹视觉标签存疑、双波长比未完全表征市售异质性；透射光谱SNV后580 nm特征更稳，双波长成像系统简、成本低、速快但需产线验证。

结论部分（Conclusion）翻译：本研究建立透射光谱系统并开发基于图像的双波长滤波成像方法检测血斑白壳蛋；透射谱分析确认580 nm附近显著血红蛋白吸收特征，取320×320 ROI内580 nm与630 nm均值灰阶算强度比入BLR。两法在静态实验室均可行，重训后市售集透射光谱精度89.5%、双波长成像精度84.9%，但市售异质样本仍有漏检，说明人工注血未完全代表自然血斑光学变异。所提图像双波长法提供简化无损筛查思路，产线应用前需更大数据集及传送动态、多视角全蛋成像验证。