紅外熱成像在豬生物監(jiān)測中的應(yīng)用

孟 霞 譯自International Pig Topics，Vol.37(2022)，№1：24 ～25

張 濤 校

家畜現(xiàn)有和新發(fā)疾病威脅人類和動物的健康以及食品安全。畜禽疾病會給畜牧業(yè)帶來毀滅性的經(jīng)濟(jì)后果，這種后果不僅會造成動物生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)損失，而且對消費(fèi)者而言，還會造成食品短缺和價(jià)格上漲。

非洲豬瘟(African swine fever，ASF)已經(jīng)嚴(yán)重影響了歐洲和亞洲的養(yǎng)豬生產(chǎn)。2018年，非洲豬瘟傳入中國，隨后導(dǎo)致中國將近50%的豬死亡；2021年，非洲豬瘟病毒再次出現(xiàn)，導(dǎo)致中國北方地區(qū)的豬群大量減少。

在北美和歐洲，最嚴(yán)重的傳染病可能是豬流行性腹瀉(porcine epidemic diarrhoea，PED)。2013年至2015年期間，PED病毒在北美的豬群中迅速傳播，導(dǎo)致約700萬頭豬死亡。

1 人畜共患病對養(yǎng)豬業(yè)和人類健康的影響

豬的另一種重要疾病是豬繁殖和呼吸障礙綜合征(porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS)。據(jù)估計(jì)，該病是在經(jīng)濟(jì)上對美國養(yǎng)豬業(yè)影響最大的豬病之一，每年給美國養(yǎng)豬業(yè)造成的損失估計(jì)為6.64億美元。

畜禽的人畜共患病也會嚴(yán)重影響人類的健康。2009年，豬流感病毒(H1N1)在全球發(fā)生了大流行，美國是首先發(fā)現(xiàn)該病毒的國家。

在豬流感大流行的第1年，美國疾病控制與預(yù)防中心(centre for disease control，CDC)估計(jì)，大約有12 469人死亡，274 304人住院治療，4 300萬到8 300萬人感染。據(jù)美國疾病控制與預(yù)防中心估測，全球有151 700至575 400人死于甲型流感病毒H1N1。

所有這些豬的重要疾病都是由病毒引起的，并且人感染后都會出現(xiàn)發(fā)熱反應(yīng)。很明顯，豬的生物監(jiān)測對人類疾病的檢測和治療至關(guān)重要。

在大多數(shù)密集型生產(chǎn)系統(tǒng)中，飼養(yǎng)員不可能有效監(jiān)控成千上萬頭豬。在這種情況下，技術(shù)可以為密切監(jiān)測和生物監(jiān)視提供解決方案。

2 紅外熱成像

紅外熱成像 (infrared thermography，IRT) 是一種在研究環(huán)境中已經(jīng)存在了幾十年的技術(shù)，現(xiàn)在才開始進(jìn)行商業(yè)性應(yīng)用，導(dǎo)致出現(xiàn)這種延遲的原因主要是由于沒有可以在豬舍的惡劣環(huán)境中放置和運(yùn)行的小型、廉價(jià)的紅外攝像機(jī)。

熱像儀能夠檢測電磁光譜長紅外范圍(9 000～14 000 nm)內(nèi)的輻射，并繪制出相機(jī)每個(gè)像素的溫度，產(chǎn)生熱圖，即物體表面的溫度圖。

顯然，用于生物監(jiān)測的紅外熱像儀技術(shù)的發(fā)展方向在于技術(shù)的自動化，從圖像采集到圖像分析，再到數(shù)據(jù)分析和報(bào)告。

人們已經(jīng)為自動飼喂系統(tǒng)的單個(gè)動物和群養(yǎng)動物開發(fā)了自動圖像采集系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)全部采用非侵入性方式運(yùn)行，不需要處理動物，甚至不需要人進(jìn)入豬舍，從而完全避免了令人困擾的應(yīng)激反應(yīng)。它們還可以進(jìn)行大量測量，從而能夠更準(zhǔn)確地定義與生物監(jiān)視相關(guān)的動物生理狀態(tài)。

3 豬群

熱圖像可以收集豬欄中豬群的圖像，也可以收集單個(gè)動物的圖像。圖1顯示了斷奶仔豬的一組紅外圖像，該圖像由架空熱像儀拍攝，每隔5 min記錄一次圖像。對于群體成像，最有效的診斷變量是豬的最高體溫，這是因?yàn)橹恍枰i群中某一頭豬表現(xiàn)出發(fā)熱反應(yīng)，該豬的體溫就可以成為最高溫度。

圖1 聚集行為的紅外圖像和群大小對輻射溫度測量的影響

群體成像允許對聚集行為進(jìn)行量化。圖1還表明，當(dāng)一群豬聚集成一個(gè)群體時(shí)，它們的平均體溫最高。將溫度測量限制在單個(gè)集群上會大大減少溫度測量的差異。

聚集行為是一個(gè)重要的指標(biāo)，因?yàn)檫@種行為是豬對感染做出的適應(yīng)性反應(yīng)。

群體成像的另一個(gè)方面是，從動物占據(jù)的圖像面積來看，觀察群體的生長情況相對容易，生長速度受到抑制可能表明豬群存在慢性健康問題。

因此，紅外成像可用于在同一圖像中同時(shí)獲取同一頭(只)動物的熱、行為和生理數(shù)據(jù)，所有這些數(shù)據(jù)都具有診斷意義。

另一種方法是在個(gè)別動物訪問飼喂器或飲水器時(shí)自動捕獲它們的圖像。使用半雙重射頻識別標(biāo)簽 (radio frequency identification tags，RFID)識別動物。當(dāng)豬進(jìn)入飼喂系統(tǒng)時(shí)，RFID標(biāo)簽會用信號通知圖像捕獲軟件以開始記錄。

通常，飼養(yǎng)員會記錄動物背部表面的圖像(圖2)。請注意圖2中健康動物 (31.2 ℃)和患病動物 (39.9 ℃) 之間相對較大的溫差。

圖2 健康豬和發(fā)病豬背部表面的紅外圖像

前文給出的例子都與檢測全身性疾病有關(guān)，但I(xiàn)RT也可用于檢測局部損傷。圖3顯示了因咬尾而導(dǎo)致尾巴受傷豬的圖像。

圖3 咬尾導(dǎo)致豬的尾部損傷的紅外圖像

4 動物與環(huán)境溫度的關(guān)系

豬會根據(jù)主要的環(huán)境條件調(diào)節(jié)體溫，在分析測得的數(shù)據(jù)時(shí)考慮這些影響很重要。

動物與環(huán)境溫度之間的關(guān)系可以用線性或多項(xiàng)式方程描述，這可用于根據(jù)環(huán)境變量預(yù)測動物的溫度。

動物的預(yù)測體溫和實(shí)際體溫之間的差異是剩余溫度。因此，如果剩余溫度為正值，則動物消耗的能量超過了維持熱穩(wěn)態(tài)所需的能量。這是發(fā)生應(yīng)激和疾病的征兆。如果剩余溫度為負(fù)值，則動物正在保存熱量，這可能是感染的早期指標(biāo)，因?yàn)樗砻鲃游镎诒４鏌崃恳蕴岣吆诵臏囟?，或產(chǎn)生發(fā)燒的發(fā)病機(jī)制。

正是這些原因，通過IRT測量體表溫度不應(yīng)被視為通過其他方法(如導(dǎo)電溫度計(jì))測量核心體溫的同義詞。

5 監(jiān)測動物、豬舍基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境

無論豬場安裝了什么系統(tǒng)，生產(chǎn)者都不太能夠解釋原始體溫?cái)?shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)必須向終端用戶提供他們可以據(jù)此采取行動的信息。

我們的目標(biāo)是對動物、豬舍基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并將這些數(shù)據(jù)整合到能夠進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)決策的模型中。

相機(jī)設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、自動動物身份識別、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的進(jìn)步目前正在融合，以促進(jìn)將熱像儀納入動物生產(chǎn)。

原 題 名：The use of infrared thermography in the bio-surveillance of pigs(英文)

原 作 者：Jack Behan博 士、Nigel J Cook博士和Allan L Schaefer博士(Alpha Phenomics公司)