早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在奶牛繁殖中的應(yīng)用

李明 談為忠 劉家榮 陳志

摘要：奶牛的繁殖管理涉及眾多方面，是影響奶牛產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素，并決定著奶牛能否提供持久的生產(chǎn)力和充足優(yōu)質(zhì)的后備力量。在國(guó)內(nèi)奶牛養(yǎng)殖不斷走向規(guī)?；同F(xiàn)代化的進(jìn)程中，早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在產(chǎn)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。盡早和及時(shí)地對(duì)奶牛繁殖進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測(cè)，能夠指導(dǎo)所采取的預(yù)防和處理措施，提高收益和減少損失。目前，早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在整個(gè)畜牧行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和長(zhǎng)足發(fā)展，綜述了早期檢測(cè)與預(yù)警在奶牛繁殖各個(gè)環(huán)節(jié)中最新的應(yīng)用情況，旨在為其發(fā)展提供思路和參考。

關(guān)鍵詞：早期監(jiān)測(cè);預(yù)警;奶牛;繁殖

奶牛養(yǎng)殖業(yè)對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、帶動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加居民收入、提高國(guó)民營(yíng)養(yǎng)水平具有重要意義。但目前，我國(guó)大多數(shù)奶牛場(chǎng)只能依靠傳統(tǒng)的人工方法對(duì)奶牛的各種狀態(tài)做出判斷，這對(duì)于大型奶牛場(chǎng)來(lái)說(shuō)需要復(fù)雜且大量的額外勞動(dòng)，降低了牛場(chǎng)的生產(chǎn)效率。同時(shí)，傳統(tǒng)方法的檢測(cè)有時(shí)并不十分準(zhǔn)確，漏檢和錯(cuò)檢的情況時(shí)有發(fā)生，這對(duì)奶牛繁殖率和產(chǎn)奶量的提高是非常不利的，直接影響奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。而自動(dòng)化傳感器數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，在為這個(gè)新時(shí)代帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)的同時(shí)，也為評(píng)估和最大限度地發(fā)揮奶牛的生產(chǎn)潛力帶來(lái)了新機(jī)遇。因此，本文將重點(diǎn)闡述適合我國(guó)國(guó)情的奶牛自動(dòng)化傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期為改善奶牛場(chǎng)的生產(chǎn)效率提供優(yōu)質(zhì)方案。

一、早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在奶牛發(fā)情鑒定中的應(yīng)用

在現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖中，有高達(dá)50%的發(fā)情排卵沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，未能充分識(shí)別養(yǎng)殖動(dòng)物的可育發(fā)情是現(xiàn)代生產(chǎn)動(dòng)物系統(tǒng)（尤其是牛）長(zhǎng)期存在的低生育率問(wèn)題的主要原因。究其根源是由于奶牛發(fā)情行為減弱，而且缺乏高精度的發(fā)情檢測(cè)方法。這大大降低了牛群的整體生產(chǎn)力，給奶牛業(yè)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

目前，傳統(tǒng)的鑒定方法是對(duì)奶牛定期進(jìn)行人工目視發(fā)情檢查。一些現(xiàn)代奶牛場(chǎng)則選用更復(fù)雜的方法包括測(cè)量奶牛黃體酮、熱負(fù)荷檢測(cè)器和活動(dòng)監(jiān)測(cè)器與目視觀察相結(jié)合進(jìn)行鑒定。然而，多份報(bào)告一致認(rèn)為，即使組合使用這些方法，大約30%的發(fā)情奶牛仍可能無(wú)法被檢測(cè)到。因此，人們對(duì)開(kāi)發(fā)新的奶牛發(fā)情檢測(cè)方法越來(lái)越重視。大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)情期的奶牛生理體征方面會(huì)發(fā)生明顯變化，如體溫有顯著升高、活動(dòng)量增大和陰部紅腫等，利用這些生理特征的變化可以對(duì)母牛進(jìn)行監(jiān)測(cè)。例如，針對(duì)活動(dòng)量增大，一些公司利用該體征變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，采用相應(yīng)裝置對(duì)奶牛腿部或頸部的活動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，計(jì)算其活動(dòng)量和躺臥時(shí)間等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)智能程序分析，以推測(cè)奶牛是否發(fā)情及預(yù)測(cè)其發(fā)情時(shí)間，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)其準(zhǔn)確率明顯高于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，這對(duì)牧場(chǎng)繁殖水平的提高提供了極大的幫助。

奶牛體溫的變化也被應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)中，徐曉慧等[1]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外測(cè)溫儀，利用紅外技術(shù)通過(guò)S-BUS協(xié)議與微控制器進(jìn)行通訊，并使微控制器驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏顯示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)奶牛體溫進(jìn)行非接觸式測(cè)量，進(jìn)而能夠快速鑒別奶牛是否發(fā)情。馮濤等[2]在對(duì)牛的反芻時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)奶牛在發(fā)情和非發(fā)情時(shí)有顯著差別，證明奶牛反芻時(shí)間的變化可成為發(fā)情鑒定的一個(gè)新指標(biāo)。張宇等[3]基于該研究成果，將活動(dòng)量和反芻時(shí)間進(jìn)行結(jié)合，開(kāi)發(fā)出可以有效提高檢測(cè)概率，并提高發(fā)情檢測(cè)精度的方法，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。諸如其他特征也有許多研究報(bào)道，例如，可通過(guò)監(jiān)測(cè)母牛陰道黏液電阻值變化來(lái)判斷奶牛發(fā)情和輸精時(shí)間。這也啟示我們奶牛在發(fā)情時(shí)有大量的體征變化，對(duì)其體征進(jìn)行的探索尚不能停止。

現(xiàn)如今，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、傳感器收集現(xiàn)代數(shù)據(jù)、快速數(shù)據(jù)傳輸以及通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已經(jīng)為我們開(kāi)啟了先進(jìn)的精準(zhǔn)畜牧業(yè)時(shí)代。如王少華等[4]在收集大量數(shù)據(jù)后開(kāi)發(fā)了人工智能軟件，利用大數(shù)據(jù)對(duì)奶牛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)有可能的發(fā)情行為進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)奶牛發(fā)情行為的識(shí)別率接近100%。劉忠超[5]等對(duì)奶牛發(fā)情進(jìn)行了多指標(biāo)綜合分析并開(kāi)發(fā)了可使用的軟件，該軟件對(duì)提高奶牛發(fā)情鑒定的敏感性和準(zhǔn)確性方面有很重要的作用。應(yīng)用云端時(shí)代、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)奶牛養(yǎng)殖進(jìn)行改善是一個(gè)跨學(xué)科的研究和推廣項(xiàng)目，涉及多學(xué)科的科學(xué)家、奶農(nóng)和行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士。在未來(lái)，奶牛場(chǎng)還會(huì)接受傳感器和機(jī)器人系統(tǒng)等大型和多樣化的技術(shù)創(chuàng)新，并獲得大量持續(xù)的數(shù)據(jù)流，以改善整個(gè)奶牛場(chǎng)的養(yǎng)殖水平與經(jīng)濟(jì)效益。

二、早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在奶牛妊娠鑒定中的應(yīng)用

妊娠是影響奶牛場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，早期妊娠診斷對(duì)于縮短產(chǎn)犢間隔至關(guān)重要，能夠使奶牛場(chǎng)及時(shí)識(shí)別未妊娠的奶牛，以便盡早治療、發(fā)情管理和重新配種。通常建議在奶牛分娩后60d進(jìn)行配種。在配種后奶農(nóng)需要盡早識(shí)別未懷孕奶牛，以便在下一個(gè)可配期重新進(jìn)行配種以提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)分析，牛的早期胚胎期在授精后持續(xù)約42d，包括一系列從受精開(kāi)始直至著床的過(guò)程。在胚胎著床后，由于非感染性原因?qū)е屡咛p失的概率極小，意味著這個(gè)時(shí)期的妊娠變得更加安全。針對(duì)妊娠相關(guān)糖蛋白（PAGs）、干擾素-Tau和早孕因子進(jìn)行妊娠檢測(cè)，是臨床上檢測(cè)母牛妊娠常用的方法。

許多直接和間接的妊娠診斷方法正在奶牛繁殖中得到應(yīng)用，如直腸檢查診斷法（通過(guò)觸摸妊娠子宮質(zhì)地、胎兒和子宮動(dòng)脈變化情況判斷），這是大型奶牛早期妊娠診斷使用最廣泛的方法之一。傳統(tǒng)上，為了在妊娠第30d左右確認(rèn)妊娠，需要依靠觸診羊膜囊和拇指與食指之間的絨毛尿囊膜滑脫來(lái)確定。但是研究發(fā)現(xiàn)該方法僅從妊娠第45d開(kāi)始使用比較準(zhǔn)確，而且?guī)醉?xiàng)研究表明，使用直腸檢查診斷法在母牛妊娠早期檢查會(huì)增加醫(yī)源性胚胎死亡的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)直腸檢查診斷法只能在妊娠第45d后準(zhǔn)確診斷妊娠，但超聲波檢查診斷法（利用超聲波診斷儀捕捉胎兒發(fā)育信號(hào)強(qiáng)度）可以在授精后第28d甚至更早進(jìn)行檢測(cè)。目前，超聲波檢查診斷法已成為研究奶牛生殖生物學(xué)的既定研究工具，而且該方法可以最大限度地降低宮縮人流的發(fā)生率。直腸檢查診斷法和直腸超聲檢查是目前診斷妊娠的直接而準(zhǔn)確的方法。但兩者都需要大量的技能和經(jīng)驗(yàn)，且需要高額的初始成本，在一定程度上限制了其實(shí)際實(shí)施。在間接法方面，孕酮、硫酸雌酮、干擾素-τ等都是常見(jiàn)的被檢測(cè)因子，因此，早期可視孕檢試劑盒診斷法也常在奶牛場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)中使用。但迄今為止，由于其固有的局限性或其他問(wèn)題，均不符合理想的妊娠診斷方法。監(jiān)測(cè)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展與應(yīng)用使得通過(guò)生理指標(biāo)對(duì)奶牛妊娠實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控變成現(xiàn)實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，空懷母牛與妊娠母牛相比在授精后第一個(gè)發(fā)情周期活動(dòng)量無(wú)明顯增加。同樣的，利用體溫的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在奶牛的發(fā)情鑒定中也有相應(yīng)的應(yīng)用，多篇報(bào)道稱(chēng)成功受精的奶牛體溫在第5d到第12d明顯升高，而空懷牛無(wú)明顯變化。這為借助溫度傳感技術(shù)早期診斷奶牛妊娠提供了思路和應(yīng)用前景。

隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，其可以做到在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)分析來(lái)自各種體液中復(fù)雜蛋白質(zhì)混合物的數(shù)千種蛋白質(zhì)。這將有助于鑒定滿(mǎn)足妊娠診斷分子的特異性和敏感生物標(biāo)志物。例如，Jin[6]等在人工授精后21d和35d使用妊娠和非妊娠荷斯坦奶牛的血清樣本進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析，檢測(cè)到白蛋白和IgG的妊娠特異性亞基或片段，以及攜帶差異表達(dá)的小蛋白，結(jié)果顯示，這些片段具有妊娠檢測(cè)的潛力。還有更多分子是與早期胚胎發(fā)育的生理學(xué)及其母體識(shí)別妊娠和持續(xù)存活的信號(hào)傳導(dǎo)一致所必需的，這些分子與復(fù)雜的母體代謝改變相關(guān)，這有待進(jìn)一步研究，盡管這些技術(shù)在動(dòng)物科學(xué)研究中還處于起步階段，但它們?yōu)榻鉀Q家畜妊娠診斷方面的突破帶來(lái)了巨大希望。

三、早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在奶牛分娩中的應(yīng)用

盡管獸醫(yī)產(chǎn)科學(xué)取得了非?？焖俚倪M(jìn)展，但難產(chǎn)和受損新生兒的出生仍然是奶牛繁殖中的主要問(wèn)題。不僅給奶牛場(chǎng)造成經(jīng)濟(jì)損失，還需要從動(dòng)物倫理、動(dòng)物福利和動(dòng)物情感等方面進(jìn)行考慮，這些都要求我們?cè)陬A(yù)測(cè)母牛分娩時(shí)間時(shí)提高準(zhǔn)確率，以提高母牛及其后代的存活率。在計(jì)算分娩日期時(shí)，如果分娩日期未知或不清楚，經(jīng)常采用胎兒形態(tài)測(cè)量以評(píng)估胎兒發(fā)育、估計(jì)孕周和預(yù)測(cè)分娩。但在妊娠晚期，由于胎兒的大小及其在母體中的位置不同，使得確定孕周變得更加困難?？梢愿鶕?jù)臨床癥狀來(lái)預(yù)測(cè)分娩，例如，妊娠母牛的骨盆韌帶松弛被認(rèn)為是臨產(chǎn)的最佳個(gè)體征兆，數(shù)據(jù)顯示，骨盆韌帶在產(chǎn)犢前一天達(dá)到最大值，與硫酸雌酮濃度的增加相對(duì)應(yīng)。但與發(fā)情不同，如果使用兩個(gè)以上的臨床參數(shù)預(yù)測(cè)產(chǎn)犢不僅不會(huì)提高準(zhǔn)確性，反而增加了錯(cuò)誤率，不利于精確度。從一定意義上來(lái)說(shuō)，最準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)是“12小時(shí)內(nèi)不產(chǎn)犢”，這一預(yù)測(cè)在99%的奶牛身上都是正確的?？偟膩?lái)看，不同奶牛的妊娠情況受品種、胎次等因素的影響可能存在較大差異。有時(shí)即將分娩的臨床體征雖然已經(jīng)很明顯，但仍難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)犢時(shí)間。對(duì)于產(chǎn)犢時(shí)間的監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法和技術(shù)仍需進(jìn)一步的探索。

四、早期監(jiān)測(cè)與預(yù)警在奶牛繁殖疾病中的應(yīng)用

母牛的產(chǎn)科疾病同樣會(huì)給繁殖工作帶來(lái)諸多影響和一定經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)如今“防大于治”已成為牛場(chǎng)養(yǎng)殖管理中的重要原則。以分娩為界，研究發(fā)現(xiàn)，很多圍產(chǎn)期奶牛在產(chǎn)后會(huì)患病，這個(gè)現(xiàn)象目前是具有群發(fā)性和亞臨床性特點(diǎn)的，這對(duì)于疾病的診斷和治療是個(gè)難題，為克服這個(gè)難題，可以在產(chǎn)前對(duì)易患牛進(jìn)行提前監(jiān)測(cè)與預(yù)警，以減少產(chǎn)后患病的可能性。

隨著研究的不斷深入，疾病預(yù)警系統(tǒng)（Disease Alerting System，DAS）被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其可在疾病發(fā)生之前發(fā)出健康警報(bào)，使得牛場(chǎng)能夠及時(shí)采取針對(duì)性預(yù)防措施，將疾病可能造成的損失降到最低限度。早期預(yù)警的工作原理主要是通過(guò)對(duì)血液指標(biāo)水平進(jìn)行受試者工作曲線(xiàn)（ROC曲線(xiàn)）分析來(lái)建立系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的。因?yàn)镽OC曲線(xiàn)的精準(zhǔn)性，該系統(tǒng)可以用于為獸醫(yī)提供最佳的診斷界限值[7]，判定疾病發(fā)病的界限值[8]，以及對(duì)兩種或兩種以上不同疾病同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如王艷輝等[9]通過(guò)ROC曲線(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)后奶牛繁殖障礙性疾病中，能量代謝指標(biāo)的對(duì)比有顯著變化，具有提前預(yù)警的作用，因此，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)針對(duì)該指標(biāo)的軟件并進(jìn)行商業(yè)化使用。白云龍等[10]在ROC曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上研究并建立了ITIH3和ApoA4對(duì)卵巢靜止單一和聯(lián)合的預(yù)警體系。疾病預(yù)警系統(tǒng)的出現(xiàn)為牛場(chǎng)管理繁殖疾病及群發(fā)性疾病的防控帶來(lái)了新的手段。研究顯示，奶牛場(chǎng)中使用該系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化健康監(jiān)測(cè)可以提供早期和成功的防范與治療。但另一方面，Tim[11]報(bào)道，在丹麥地區(qū)，因?yàn)槭褂妙A(yù)警系統(tǒng)反而增加了可引起流產(chǎn)傳染病的發(fā)生率，其原因是該預(yù)警體系無(wú)法預(yù)測(cè)絕大多數(shù)流產(chǎn)，更無(wú)法起到預(yù)防作用。

五、總結(jié)與展望

生產(chǎn)繁殖工作作為奶牛養(yǎng)殖持續(xù)發(fā)展的中心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需不斷地優(yōu)化管理和與時(shí)俱進(jìn)，隨著奶牛場(chǎng)中不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的原理和方法來(lái)管理畜牧業(yè)生產(chǎn)，“精準(zhǔn)、精確”在未來(lái)的奶牛業(yè)不只是理想化，而應(yīng)該是即將達(dá)成的現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，高新的技術(shù)可能意味著高額的成本，如何選擇最佳的方法和技術(shù)是奶牛場(chǎng)需要面臨的實(shí)際問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：李明（1984-），男，江蘇徐州人，獸醫(yī)師，研究方向：獸醫(yī)。

（責(zé)任編輯馮會(huì)利）