環(huán)境溫濕度及測量部位對奶牛紅外熱成像溫度的影響

何金成，張鮮，李素青，甘乾福

（1.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福州350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福州350002；3.福建農(nóng)林大學動物科學學院，福州350002）

體溫是奶牛機體重要的生理指標，奶牛體溫會在相對恒定的范圍內(nèi)波動[1-2]。特定的體溫能夠反映機體特定的生理或病理狀態(tài)，是機體疾病預警、繁殖管理的重要依據(jù)，比如應(yīng)激[3-4]、口蹄病變[5]、乳腺炎[6]、呼吸道感染[7]等發(fā)生時，奶牛的體溫會發(fā)生不同程度的變化。因此，簡便、準確、有效地監(jiān)測奶牛體溫變化，不僅有助于準確地對奶牛進行發(fā)情鑒定、妊娠診斷及分娩時間預測，科學合理地進行輸精，并針對妊娠、分娩等繁殖環(huán)節(jié)組織生產(chǎn)和進行管理，而且還可以積極有效地對疫病進行監(jiān)測、預防及控制。

目前，很多奶牛場依然以水銀溫度計測量直腸溫度的方式來直接測量奶牛的體溫，耗時耗力，效率低下，并且重復使用水銀溫度計容易引起奶牛疾病的交叉感染，無法滿足大型現(xiàn)代化牧場管理的需求。隨著科技的發(fā)展，已有不少研究人員將生物傳感器和無線傳感技術(shù)應(yīng)用于動物體溫的測量中，并取得了一定的成果。KYLE 等[8]和SAKATANI 等[9]在奶牛陰道內(nèi)植入無線溫度傳感器，以實現(xiàn)對奶牛陰道內(nèi)溫度的實時采集；MORAIS 等[10]通過外科手術(shù)將與會陰肌肉組織無排斥反應(yīng)的無線溫度傳感器植入奶牛會陰部肌肉，以監(jiān)測會陰部溫度，進行發(fā)情鑒定；ALZAHAL 等[11]和TIMSIT 等[12]將無線電瘤胃丸通過牛口腔投入瘤胃，以實現(xiàn)瘤胃溫度變化的自動監(jiān)測。不過，無論皮下埋置傳感器還是投入瘤胃丸都可能會對奶牛造成一定傷害，引起奶牛的應(yīng)激反應(yīng)，不符合實驗動物福利要求。

紅外熱成像（infrared thermography, IRT）技術(shù)具有非接觸、無損、便捷、快速等優(yōu)勢，近年來已被用于動物醫(yī)學和動物科學領(lǐng)域，主要用于動物體表或核心溫度的波動監(jiān)測[13-17]、早期疾病的監(jiān)測預測[18-21]、動物應(yīng)激水平的監(jiān)測[22-24]、與恐懼和疼痛相關(guān)的生理反應(yīng)的評估[25-27]，這些研究對于提高動物福利有著重要的作用。但是，影響IRT 現(xiàn)場測量的因素很多，尤其是環(huán)境因素的影響使得IRT 測量精度并不高。本研究旨在研究環(huán)境溫度、濕度等對IRT測溫的影響，以及檢驗通過奶牛體表、眼部和鼻鏡的IRT 溫度來預測奶牛體溫的方法的有效性，并分析影響IRT溫度準確性的因素。

1 材料與方法

1.1 試驗動物

試驗于2015年5月至2016年1月在福建省長富乳業(yè)集團股份有限公司第二十七和三十三牧場進行，每次選取40頭健康、生長發(fā)育良好、泌乳期相近的3周齡荷斯坦奶牛作為試驗對象。所有試驗奶牛個體之間不存在血緣關(guān)系。該奶牛場為規(guī)?；翀?，牛舍為開放式牛舍，散欄式飼養(yǎng)，自由采食，自由飲水，自由活動。每日投料3 次（08:00、14:00、20:00），自動飲水，集中擠奶，每天擠奶3 次（08:30、15:00、20:30）。

奶牛體溫測量分別于每日10:30、12:30、17:00進行。測量人員分成4組，1組采用紅外熱成像技術(shù)對奶牛體溫進行測量，3 組采用獸用水銀溫度計直接對奶牛直腸溫度進行測量，且在每次紅外熱成像拍攝完后馬上進行。

1.2 奶牛紅外熱成像圖片的采集

本試驗采用FLIR E60便攜式紅外熱像儀（美國FLIR Systems公司）獲取奶牛的紅外熱成像圖片，拍攝時無風、無太陽直射，沒有對奶牛采取任何限制措施。在拍攝過程中，使用TES-1360A便攜式溫濕度計（泰仕電子工業(yè)股份有限公司）每30 min 記錄一次牛舍內(nèi)的環(huán)境溫度和相對濕度。采用FLIR Tools V3.1.1（美國FLIR Systems 公司）對采集到的紅外熱成像圖進行目標區(qū)域溫度提取。

1.2.1 奶牛體表溫度的紅外熱成像測定

奶牛體表皮膚溫度（Tskin）由不同部位測定值及該部位皮膚面積占全身皮膚面積的百分比來計算。取點方式和計算公式參照MCLEAN等[28]的方法，如圖1所示，在牛的身體一側(cè)設(shè)置6個測量部位（軀干上部、軀干下部、四肢上部、四肢下部、垂皮、耳），11個測量點。同一部位有2 個測量點及以上的，取測量溫度的平均值。牛身體兩側(cè)共22個測量點。式中：TUT為軀干上部（upper trunk）的皮膚溫度，測量點A和B；TLT為軀干下部（lower trunk）的皮膚溫度，測量點C 和D；TUL為四肢上部（upper limbs）的皮膚溫度，測量點E、F和G；TLL為四肢下部（lower limbs）的皮膚溫度，測量點H 和J；TDEW為垂皮（dewlap）的皮膚溫度，測量點K；TEAR為耳（ear）的皮膚溫度，測量點L；系數(shù)0.25、0.25、0.32、0.12、0.02、0.04 分別代表軀干上部、軀干下部、四肢上部、四肢下部、垂皮、耳等部位面積占全身皮膚面積的系數(shù)。

圖1 奶牛體表皮膚溫度的紅外熱成像測量位置Fig.1 Sites of surface skin of dairy cow under IRT measurement

測量時，被測量部位應(yīng)保持干燥、無污染，紅外熱像儀鏡頭距被測部位0.5～1.0 m，并垂直于被測部位，22個取樣點逐個測量，由式（1）計算得到奶牛體表皮膚的紅外熱成像溫度Tskin，后文稱IRT-S。

1.2.2 奶牛眼部溫度的紅外熱成像測定

分別對奶牛的左眼和右眼進行拍攝，紅外熱像儀鏡頭距奶牛眼部0.5～1.0 m，并垂直于被測部位。選取緊挨眼球的下眼瞼且寬度約1 cm 的半圓環(huán)形區(qū)域作為眼部溫度測量區(qū)，如圖2 所示。以眼瞼區(qū)平均溫度作為該頭奶牛的眼部紅外熱成像溫度（IRT-E）。

1.2.3 奶牛鼻鏡溫度的紅外熱成像測定

圖2 奶牛眼部溫度紅外熱成像測量位置Fig.2 Site of eye of dairy cow under IRT measurement

取奶牛鼻上沒有毛發(fā)覆蓋的、寬度約3 cm的矩形區(qū)域作為鼻鏡部溫度測量區(qū)，如圖3 所示。取測量區(qū)平均溫度作為該頭奶牛的鼻鏡紅外熱成像溫度（IRT-N）。

圖3 奶牛鼻鏡溫度紅外熱成像測量位置Fig.3 Site of nose of dairy cow under IRT measurement

1.3 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗共測量200頭奶牛，每頭奶牛拍攝25張紅外熱成像圖并測定直腸溫度，其中，涉及平均皮膚溫度的4 400張、平均眼部溫度的400張（左、右眼各200 張）、平均鼻鏡溫度的200 張。剔除由于部分奶牛在測量過程中情緒暴躁或紅外測量區(qū)域有明顯污漬的圖片，最終獲得171頭奶牛的4 275張有效紅外熱成像圖。同時，記錄了測量時的環(huán)境溫度和相對濕度，共獲得171組數(shù)據(jù)。

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 22.0 進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗，并使用Origin 9.0繪制數(shù)據(jù)圖。

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境因素對奶牛皮膚、眼部、鼻鏡、直腸平均溫度的影響

2.1.1 環(huán)境溫度的影響

171 頭奶牛在不同環(huán)境溫度下，IRT-E、IRT-N、IRT-S 和直腸溫度的變化情況如圖4 所示。環(huán)境溫度為－1～36 ℃，基本涵蓋了該地區(qū)最低到最高的所有氣溫。

由圖4 可知，IRT 溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，呈正相關(guān)關(guān)系。其中：環(huán)境溫度對IRT-S影響最大，其次是對IRT-N；環(huán)境溫度對眼部IRT 測溫也有影響，但影響較小；直腸溫度基本不受環(huán)境溫度的影響。在同一環(huán)境溫度下，直腸溫度變化最小，偏差在0～0.49 ℃之間，平均偏差為0.16 ℃；其次是IRT-E的變化，偏差在0.06～0.64 ℃之間，平均偏差為0.27 ℃；再次是體表平均溫度的變化，偏差在0.08～1.99 ℃之間，平均偏差為0.89 ℃；鼻鏡IRT溫度變化最大，偏差在0.06～3.60 ℃之間，平均偏差為1.30 ℃。在不同的環(huán)境溫度段，偏差的幅度也不一樣，當環(huán)境溫度小于10 ℃時，IRT-E、IRT-N、IRT-S的平均偏差分別為0.37、2.06、1.22 ℃，當環(huán)境溫度大于26 ℃時，IRT-E、IRT-N、IRT-S的平均偏差分別為0.18、0.22、0.42 ℃。

圖4 環(huán)境溫度對奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S和直腸溫度的影響Fig.4 Influence of ambient temperature on the IRT temperatures of eye,nose,skin and rectal temperature

以環(huán)境溫度為自變量，分別以IRT-E、IRT-N、IRT-S、直腸溫度為因變量，做一元線性回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度對IRT-E、IRT-N、IRT-S的影響顯著（P＜0.000 1），對直腸溫度影響不顯著（P＞0.1）；環(huán)境溫度與IRT-S的線性相關(guān)最明顯，回歸系數(shù)R2=0.927 4；與IRT-E、IRT-N 呈中等線性相關(guān)，回歸系數(shù)R2分別為0.683 4、0.615 0；與直腸溫度基本無線性相關(guān)性，回歸系數(shù)R2=0.000 3。

2.1.2 環(huán)境濕度的影響

以空氣相對濕度為自變量，以IRT-E、IRT-N、IRT-S、直腸溫度為因變量，做一元線性回歸分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：環(huán)境相對濕度對IRT-E、IRT-N、IRT-S影響顯著（P＜0.000 1），回歸系數(shù)R2分別為0.110 6、0.265 3、0.174 7；對直腸溫度影響不顯著（P＞0.1），回歸系數(shù)R2為0.002 3。與環(huán)境溫度相比，環(huán)境相對濕度對IRT測溫的影響要小得多。

2.2 奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S 與直腸溫度（RT）的相關(guān)性分析

對171頭奶牛的直腸溫度（RT）與IRT-E、IRT-N、IRT-S做皮爾遜相關(guān)分析，結(jié)果見表1。RT與IRT-E、IRT-N、IRT-S顯著相關(guān)（P＜0.01），其中：RT與IRT-E的相關(guān)性最強，相關(guān)系數(shù)r=0.705；RT與IRT-N、IRT-S的相關(guān)系數(shù)接近，為中等相關(guān)強度。

對171 頭奶牛直腸溫度（RT）與IRT-E、IRT-N、IRT-S的差值進行分析，統(tǒng)計結(jié)果見表2和圖5。奶牛RT與IRT-E、IRT-S、IRT-N的差值平均值分別為1.41、9.61、5.63 ℃，溫度差值最大值分別為2.71、17.30、15.22 ℃，溫度差值相對標準偏差分別0.40、0.46、0.61 ℃。說明IRT-E 比IRT-N、IRT-S 與RT 更接近。

2.3 奶牛IRT 溫度與直腸溫度的回歸分析

2.3.1 一元線性回歸分析

分別以IRT-E、IRT-N、IRT-S為自變量，以直腸溫度為因變量，做一元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)眼部、鼻鏡、表皮的IRT 溫度對直腸溫度有顯著影響（P＜0.000 1），R2分別為0.494 0、0.328 0、0.273 1，標準誤分別為0.17、0.19、0.20 ℃。

2.3.2 非線性擬合

2.3.3 多元線性回歸分析

以環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和直腸溫度為自變量，以IRT-E、IRT-N、IRT-S為因變量，做多元線性回歸分析，結(jié)果見表3。從中可以看出，環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和直腸溫度對IRT-E、IRT-N、IRT-S的3個多元線性回歸方程的線性關(guān)系均顯著（P＜0.000 1），R2分別為0.821 2、0.684 9、0.927 7。若以顯著水平P＜0.01 對回歸系數(shù)進行檢驗，自變量環(huán)境溫度和直腸溫度在3 個方程的回歸系數(shù)檢驗中均顯著（P＜0.000 1），而環(huán)境濕度均不顯著（P＞0.01）。當其他變量保持不變時，1 ℃的環(huán)境溫度變化預示著IRT溫度的顯著變化（P＜0.000 1），IRT-E、IRT-N、IRT-S的變化量分別為0.04、0.35、0.19 ℃；而當其他變量保持不變時，1 ℃的直腸溫度變化預示著IRT溫度的顯著變化（P＜0.000 1），此時IRT-E、IRT-N、IRT-S的變化分別為1.18、2.38、4.36 ℃。說明環(huán)境溫度和直腸溫度均對眼部、鼻鏡、皮膚的IRT溫度有顯著影響，而且，直腸溫度對IRT溫度的影響比環(huán)境溫度對其的影響分別大29.5倍、6.8倍、12.5倍。因此，在一定程度上，IRT-E、IRT-N、IRT-S 溫度均指示直腸溫度。

表1 奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S與直腸溫度（RT）的相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Correlation analysis results between IRT-E,IRT-N,IRT-S and rectal temperature(RT)in dairy cows

表2 奶牛直腸溫度與紅外熱成像溫度差值的統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Comparison of the temperature differences between RT and IRT temperatures℃

圖5 直腸溫度與紅外熱成像溫度差值的箱線圖Fig.5 Box plots of the differences between RT and IRT temperatures

2.3.4 按溫度分段的一元線性回歸分析

環(huán)境溫度（T）值按T≤10 ℃、10 ℃＜T≤26 ℃、T＞26 ℃分成3 段，分別以IRT-E、IRT-N、IRT-S 為自變量，以直腸溫度為因變量，做一元線性回歸分析，結(jié)果如圖6 所示。各分段回歸線性關(guān)系顯著（P＜0.000 1）。各分段擬合直線的斜率呈現(xiàn)出溫度越高斜率越大的趨勢。當T≤10 ℃時，眼部、鼻鏡、表皮的IRT溫度對直腸溫度的回歸判斷系數(shù)R2分別為0.604 8、0.545 6、0.386 3；當0 ℃＜T≤26 ℃時，R2分別為0.732 3、0.318 6、0.303 4；當T＞26 ℃時，R2分別為0.825 9、0.557 3、0.363 3。各分段的擬合優(yōu)度R2均高于未按環(huán)境溫度數(shù)據(jù)分段的一元線性擬合，也優(yōu)于指數(shù)擬合。在這3個溫度分段中，IRT-E對直腸溫度的擬合優(yōu)度均高于IRT-S和IRT-N。

表3 環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、直腸溫度與IRT溫度之間的多元線性回歸分析結(jié)果Table 3 Results of multivariate linear regression analysis among ambient temperature, relative humidity, rectal temperature and IRT temperatures

3 討論

體溫的測量對于動物具有重要的意義，尤其是馬、牛等大型動物，因此，簡單高效的體溫檢測方式的獲得非常必要。紅外熱成像技術(shù)具有快速、非接觸、無損傷等優(yōu)勢。目前報道的利用紅外熱成像技術(shù)快速檢測動物疾病、炎癥、應(yīng)激、恐懼等的研究，都是在動物身體局部（或全部）區(qū)域溫度的基礎(chǔ)上，再建立相關(guān)預測模型。使用紅外熱成像技術(shù)測量奶牛體溫，首先需要考慮測量過程中影響紅外熱成像測量的諸多因素；其次是選擇正確的測量部位。

3.1 環(huán)境溫度、濕度對IRT 測溫的影響

在動物體溫的紅外熱成像測量過程中，影響因素包括環(huán)境溫度，濕度，光照，風速，太陽輻射量，相機與測量目標之間的距離、角度等，已有不少學者在這些方面進行了相關(guān)研究[5,14,17,29-31]。但是在大部分IRT測溫研究中，所記錄的環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，僅被作為紅外熱像相機輸入的溫度補償參數(shù)，沒有把它們作為影響測溫的重要因素來單獨研究。本研究的試驗對象奶牛為溫血動物，其體表溫度受環(huán)境溫度的影響大，因此，輸入相機中的環(huán)境溫度和濕度參數(shù)無法完全校正其對測溫的影響。從本研究結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度和濕度均對IRT 測溫有顯著影響（P＜0.000 1），但環(huán)境濕度比環(huán)境溫度帶來的影響更小。奶牛IRT 溫度平均值受環(huán)境溫度影響極大，且隨其增加而增加，其中IRT-S 的變化尤為突出，與環(huán)境溫度的擬合優(yōu)度R2達0.927 4。IRT 溫度的偏差幅度也隨環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度越低，IRT 溫度的偏差幅度就越大。這可能是由于環(huán)境溫度與動物體內(nèi)溫度差異越大，體表熱交換速率越高，對風速、環(huán)境熱輻射等越敏感，空氣稍有擾動，即會影響體表溫度，造成IRT 溫度偏差的變化。因此，環(huán)境溫度對IRT 測溫的影響不容忽視。在－1～36 ℃整個溫度區(qū)間，環(huán)境溫度對奶牛IRT溫度的影響表現(xiàn)出較強的非線性，但是，使用非線性（指數(shù)）擬合時，擬合優(yōu)度R2提高不多。為降低環(huán)境溫度對奶牛IRT 測溫的影響，通過簡單地對環(huán)境溫度分段，可有效地提高IRT-E、IRT-N、IRT-S對直腸溫度預測的精度。本研究把環(huán)境溫度值按T≤10 ℃、10 ℃＜T≤26 ℃、T＞26 ℃分成3 段，使用IRT-E、IRT-N、IRT-S 溫度分別對直腸溫度做一元線性回歸分析，極大地提高了IRT 測量的精度。但是對于分段的個數(shù)、各分段的臨界溫度點等，還需要進一步的研究。

圖6 眼部、鼻鏡、皮膚的IRT溫度對直腸溫度的回歸結(jié)果Fig.6 Regression results of IRT temperatures of eyes, nose,skin to rectal temperature

3.2 紅外熱成像技術(shù)測量奶牛體溫時測量部位的選擇

不同的研究目的，對于IRT測量部位的選擇也不一樣。對于局部病變?nèi)缣闫ぱ譡18]、乳腺炎[32]，則針對患病部位進行測量，較為簡單、直接；而對于身體核心溫度[17]，以及應(yīng)激[25-26]、發(fā)情[15]等生理反應(yīng)時，測量部位的選擇差異性則較大。本研究另外一個目的是，通過試驗尋找一個最佳的測量部位，該部位溫度能更好地代替體溫又便于IRT測量。因此，本試驗選擇了眼部、鼻鏡、皮膚3 種紅外熱成像溫度測量方法。由一元線性回歸分析結(jié)果可知，IRT-E、IRT-N、IRT-S與直腸溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.702 9、0.572 7 和0.522 6。按環(huán)境溫度分段后回歸，IRT-E、IRT-N、IRT-S 與直腸溫度的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.887 2、0.683 2 和0.591 7。從統(tǒng)計學的角度看，測量點越多，越可以消除更多的隨機噪聲，本研究中皮膚測溫法采用全身22個局部區(qū)域的平均溫度，具有更強的穩(wěn)定性，且IRT-S 可以更全面地反映奶牛的體溫狀況，可以避免因奶牛局部病變引起的溫度異常而帶來的誤差[33]。但是，這種方法需要的測量點多，測量過程復雜、費時，且受到許多因素的干擾，如毛發(fā)沾染污染物和毛發(fā)的長短等。在與直腸溫度進行回歸分析時，IRT-S 的擬合優(yōu)度R2不如IRT-E 和IRT-N。眼部和鼻鏡測量基本不受毛發(fā)覆蓋的干擾，且測量也更便捷。IRT-N的擬合優(yōu)度R2比IRT-E的小。仔細查看與紅外熱成像圖同時拍攝的可見光圖像發(fā)現(xiàn)，奶牛進食時在鼻鏡上留下的食物殘渣，或飲水殘留的水珠，都會導致鼻鏡溫度降低，在環(huán)境溫度較低時尤為突出。在同一時刻，IRT-E 大于IRT-S，也大于IRT-N，受外界氣溫的影響相對更小，溫度波動更小，更接近于體內(nèi)溫度。因為皮膚的溫度在很大程度上取決于流經(jīng)周圍血管的血流量[34]，眼瞼后緣和淚腺周圍的小區(qū)有豐富的由交感系統(tǒng)支配的毛細血管床，血流量相對較大，使得該區(qū)域溫度較為穩(wěn)定，且接近于體內(nèi)溫度。因此，在這3種測量奶牛體溫的方法中，選擇IRT-E替代體溫最佳。

4 結(jié)論

1）環(huán)境溫度對IRT 測溫的影響不容忽視。IRT溫度的偏差幅度也隨環(huán)境溫度變化而變化，環(huán)境溫度越低，IRT 溫度的偏差幅度越大。通過簡單地對環(huán)境溫度進行分段，可有效地提高IRT-E、IRT-N、IRT-S對直腸溫度預測的精度。但是對于分段的個數(shù)、各分段的臨界溫度點等，還需要進一步研究。

2）在一定程度上IRT-E、IRT-N、IRT-S 都可以指示直腸溫度。其中IRT-E受環(huán)境溫度影響相對最小，測量精度高，溫度更接近于體內(nèi)溫度。因此，在這3 種測量奶牛體溫的方法中，選擇IRT-E 替代體溫最佳。