友思特“未来视界”趣味实验室 | 第一讲：鸡蛋的OCT无损检测与成像
未来视界 顷刻之间
友思特全新实验室专栏正式成立啦，欢迎踏入“未来视界趣味实验室”！在这里，我们将以独特的视角，带大家探索光电与机器视觉的奥秘。
想象一下，如何通过小小摄像头看透物体深处的故事？如何利用光线编织出数字世界的图案？我们将着手设计有趣的光学传感实验，解读像素间的密语，理解深度学习/3D检测/新型光电等技术在机器图像检测识别中的神奇力量。
每一次实验，都是理论与实践的碰撞，是科技与生活无缝对接的瞬间。无论你是深度科技爱好者，还是单纯的好奇宝宝，这里都有引人入胜的的视觉奇遇。让我们一起开启这场眼见为实的科技之旅吧！
当鸡蛋碰上OCT成像系统？
OCT成像系统
友思特 OQlabscope 3.0 系列 OCT 成像系统，利用 840nm 近红外光线的光学干涉成像技术，可以以类似于超声脉冲回波成像的方式，从检测样品外部轮廓或内部微结构返回光学散射信号，经过一系列运算处理得到多角度穿透截面图像以及3D图像。因为OCT基于光学信号，不像超声需要介质接触测试物体，因此具有无损检测的优点，且波长一般在近红外波段，因此也不像X射线CT那样有电离辐射。OCT具有微米级的纵向和横向空间分辨率和毫米级的穿透深度，红外光对透明、半透明、浑浊材料内部可以有很好的细节检测能力，对于不可穿透材质也可轻松实现表面轮廓扫描与精细测量，针对表面以及内部缺陷识别与测量应用具有强大优势。
鸡蛋
蛋壳：主要成分是碳酸钙，是鸡蛋抵御细菌侵入的第一道防线，覆盖着多达17000个微小的孔，因此在强光下是看起来半透的，允许水分和空气通过。蛋壳可以是白色或棕色，取决于母鸡的品种。
气室：鸡蛋在下蛋后冷却时在较宽的一端形成。鸡蛋越新鲜，气室越小。
胚盘：表现为蛋黄表面的轻微凹陷，这是卵子受精的切入点。
蛋壳膜：鸡蛋抵御细菌的第二道防线。蛋壳内部实际上有两层膜：一层粘在蛋壳上，另一层包裹着蛋白，这两层膜紧密连接。它们受酸碱性影响粘附性，有的鸡蛋煮熟后难剥皮或者容易顺带蛋白一起剥下便是壳膜的原因。
卵黄膜：也被称为蛋黄膜，包围并保持蛋黄。鸡蛋越新鲜，膜就越坚固。
蛋黄：鸡蛋中维生素和矿物质的主要来源。相当于鸡蛋重量的1/3。颜色根据母鸡的饲料从浅黄色到深橙色不等；这并不影响鸡蛋的营养价值。
系带：把蛋黄固定在鸡蛋中央的一对螺旋带。鸡蛋越新鲜，系带越明显。
蛋白/蛋清：占鸡蛋重量的2/3。蛋白主要由水、优质蛋白质和少量矿物质组成。
鸡蛋OCT成像检测实验
我们之前的实验已经证明，OCT可以用于人体牙齿检测，穿透1mm以上深度观察到其内部凸起、表面细节以及龋齿填充物状态（如下图）。因为牙齿的主要成分为羟基磷酸钙，在红外光线下有比较好的透过率。
牙齿组织（带填充物）OCT成像效果
而鸡蛋壳的主要成分是碳酸钙，它在OCT系统探头下会是什么样子呢？为了探究OCT对蛋壳材料的穿透性，我们首先研究了蛋壳的基本结构，看见了它在电镜下的扫描切面图：壳横截面由外到内可分为角质层、栅栏层、乳突层、壳膜，各层结构排列紧密，自外向里致密程度逐层降低，角质层晶体间的缝隙构成了大量微小的贯穿内外的气孔，使胚胎在发育的过程中得以进行内外气体交换。
鸡蛋壳的电镜图
1. 生鸡蛋OCT检测
理论上如上所述，这样致密的外壳给OCT的穿透效果带来了挑战。实践出真知！于是我们拿来了一颗生鸡蛋，开始动手设计实验观察验证。
我们使用的OCT系统为谱域光学相干断层扫描系统（SD-OCT），光源是中心波长为 840nm 的红外宽带超发光二极管（SLD），系统的 A-scan 点扫描速率为 34kHz，B-scan 截面（512*512px）扫描帧率为 22fps，深度分辨率为 5um，横向分辨率为 18um，最大成像深度为空气中 3mm、组织中 2mm，单次3D扫描成像范围为 5mm*5mm，灵敏度可达 100dB。
实验过程中，我们将样品臂扫描头安装在显微位移支架上，鸡蛋置于正下方 2cm 左右。
上图显示了拍摄场景与实际的OCT多维切面及3D图像，顶部黑色区域对应无反射信号的空气，白色像素在表面信号较强，那里便是鸡蛋壳的表面，可以看到OCT成功的穿透了蛋壳的一定深度，并能得到部分蛋壳下层细节。
但是如前所述，蛋壳表层由致密带微气孔的碳酸钙构成，下表面则是不规则乳突与蛋清薄膜接触，可以发现，鸡蛋的OCT影像的下表面并不如上表面清晰。分析认为可能的原因有：
下表面直接与蛋清液体接触，大量信号被吸收导致回波信号太弱；
对于蛋壳这类碳酸钙材料，该测试波长穿透能力不足，往返光程下信号已经难以探测。
2. 熟鸡蛋OCT检测
为了进一步验证这些分析，我们把鸡蛋煮熟，尝试对熟鸡蛋的多种蛋壳状态进行检测。
首先是普通裂开状态，我们使用手机的微距近红外摄像头拍摄探头扫描过程，可以发现肉眼看不到的扫描“十字线“（如右上图），这样可以快速定位需要的扫描区域。
*此外，我们也提供同轴集成OCT探头的定位检视相机的版本，即可省去这一步骤。
通过 OQlabscope 3.0 的3D渲染模式，可在几秒钟内拍摄512张切面图片重建并清晰还原表面形态（如中间图）；而2D截面（如右下图）则可以在扫描的过程中几乎实时（22帧）呈现。从成像结果来看，OCT系统可以实时检测并分辨um级尺寸裂纹，但对于蛋壳下的物质则无法直接观测。
我们需要掰开一小块蛋壳来观察壳膜、蛋白和蛋黄的情况。幸运的是，我们很快找到了一小块 5×5mm² 区域（如下图），满足同时观测蛋壳+壳膜+蛋白的条件。
从测试结果可以清晰分辨不同材质的OCT图像：蛋白表现为高透过率均匀的散射信号，成像深度明显增加；蛋壳仍然难以穿透看到下表面，但可以轻松通过高度差来测量蛋壳厚度；壳膜则表现为厚度分明的白色亮线条。
蛋白穿透深度、壳膜/蛋壳厚度测量结果
使用 OQlabcope3.0 软件自带的测量功能，通过鼠标直接拉取刻度即可测量蛋白穿透深度、壳膜厚度、蛋壳厚度。图中数据为空气中校准值，其中蛋壳轮廓高度为准确值，蛋白和壳膜的光程需要折合折射率换算。
接下来，我们验证了蛋白包裹的蛋黄的OCT图像，我们找到一处蛋白较浅的区域，可能更好的观测蛋黄。拍摄场景如下：
可以发现，蛋白和蛋黄的分界面十分清晰，也可以看到可能因为煮熟而使得蛋黄膜与蛋白之间产生的间隙。
3. 蛋壳厚度测量
为了验证所检测的蛋壳OCT图像厚度是否准确，以及仅有蛋壳的情况下，其下表面是否可以被探测，我们取下一小粒尺寸 1mm 的蛋壳碎屑放在一片更大的蛋壳上，并置于OCT系统的探头下方。
从测量结果可以看出，两层蛋壳的上表面均可清晰观测到反射信号，但是蛋壳的下表面仍然无法被探测到。而蛋壳的厚度则可以通过侧面轮廓的高度来测量，OCT测量软件显示多次测量结果为 338.1um，与使用游标卡尺测量的结果 0.34mm ，可以看出数据符合较好，证明了OCT成像测量的高精度特性。
也就是说，对于鸡蛋壳而言，想直接通过 840nm 的OCT系统测量厚度是难以实现的，但是可以通过测量碎裂或微创轮廓等方法，非接触地实现蛋壳厚度的精准测量。
OCT鸡蛋检测实验的现实意义
OCT检测方法的高分辨率和准确性可以使其在鸡蛋质量检测的流水线中有应用潜力，它可以监测蛋壳特征的微小差异，也能对被测鸡蛋的表面和部分深度进行三维重建，这些深度图像信息的特征可能有效反映了鸡蛋的储藏时间、质量状态等。
由于对于生鸡蛋蛋壳，OCT技术难以直接穿透并对鸡蛋内部成像，因此研究人员采用微创的方法，在鸡蛋壳对应位置开一个 0.5mm 直径的小洞，使用振镜系统通过扇形扫描的方式，获取未孵化生鸡蛋的内部信息。这种方式可以直接观测胚盘结构信息，对未孵化小鸡进行性别鉴定，以提前确定是可用的肉鸡还是蛋鸡。
这对于一些工业化孵化基地来说非常有价值，因为在传统的操作中，大量新孵化的非所需品类性别的鸡仔可能会被直接杀死，以确保效率和饲料资源利用率，而OCT检测则提供了一种快速鉴别鸡蛋性别可行方法。此外，也有研究人员证明，OCT检测方法还可以拓展到考古学，研究恐龙蛋的蛋壳结构等。
实验小结
我们希望通过浅显易懂的生活实验以及清晰直观的图像解释，唤起大家对OCT以及相关视觉成像领域的好奇心，鼓励更多有志者、有才者参与科技创新。
请相信，每一道光线背后都隐藏着无限可能，而新兴技术原理的机器视觉正引领着我们步入一个前所未有的感知时代。让我们一起期待，在光电与视觉交织的世界，创造出更多便捷生活的科技与融入科技的生活。
感谢您的关注，我们下期再见！
参考文献：
[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, Akdoğan, 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
审核编辑 黄宇
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