灘羊紅外熱成像溫度與直腸溫度的關系研究

摘 要：為提高對羊場灘羊健康、發(fā)情、應激和疫病的監(jiān)測預警能力，實現(xiàn)灘羊體溫的快速、非接觸、無應激獲取，采集50只6月齡母灘羊直腸溫度，以及特征區(qū)域眼睛、耳朵和鼻子紅外熱成像（Infrared thermography， IRT）溫度數(shù)據(jù)，研究利用局部IRT溫度替代體溫（直腸溫度）的測量方法。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，直腸溫度和眼睛IRT溫度離散度較小、穩(wěn)定性較強，眼睛IRT溫度受直腸溫度影響最大，與直腸溫度呈顯著正相關關系，也最接近直腸溫度且方便測量。因此，將眼睛作為灘羊紅外熱成像測溫部位，采用線性模型和多項式數(shù)學模型構建灘羊IRT溫度與直腸溫度關系模型，并進行測試組數(shù)據(jù)擬合比較，結果表明，線性模型平均絕對誤差為0.215 ℃，平均相對誤差為0.548%，擬合度最優(yōu)，精準度最高，可用于檢測灘羊體溫。

關鍵詞：灘羊； 紅外熱成像； 直腸溫度； 體溫預測模型

中圖分類號：S823； TP391.41； TN219" 文獻標識碼：A" " "文章編號：1002-204X（2024）02-0052-05

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.02.012

Relationship between Infrared Thermal Imaging Temperature and Rectal Temperature of Tan Sheep

Zhang Jianhua， Zhang Xuejian， Li Feng

（Institute of Agricultural Economy and Information Technology， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract In order to improve the monitoring and early warning ability of health， estrus， stress and epidemic diseases of Tan sheep in sheep farms， and to achieve rapid， non-contact and stress-free acquisition of Tan sheep body temperature， 50 six-month-old Tan ewes were collected， and the rectal temperature and characteristic Infrared thermography （IRT） temperature data of eyes， ears and nose were collected to study the measurement method of using local IRT temperature instead of body temperature （rectal temperature）. Through statistical analysis， it was found that the rectal temperature and eye IRT temperature have small dispersion and strong stability. The eye IRT temperature is most affected by the rectal temperature， which is significantly positively correlated with the rectal temperature， and is also the closest to the rectal temperature and easy to measure. Therefore， the eye is used as the temperature measurement site for Tan sheep infrared thermal imaging， and then the linear model and polynomial mathematical model are used to construct the relationship model between Tan sheep IRT temperature and rectal temperature， and the test group data fitting comparison found that the average absolute error of the linear model is 0.215 ℃， The average relative error is 0.548%， and the fitting degree is the best and the accuracy is the highest， which can be used to detect the body temperature of Tan sheep.

Key words Tan sheep; Infrared thermal imaging; Rectal temperature; Body temperature prediction model

灘羊產(chǎn)業(yè)是寧夏回族自治區(qū)“六特”產(chǎn)業(yè)之一，截至2022年，寧夏灘羊飼養(yǎng)量達1 221萬只，存欄量達596萬只，出欄量達625萬只，寧夏灘羊肉產(chǎn)量達11.1萬t，灘羊產(chǎn)業(yè)寧夏農業(yè)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一張靚麗名片。近年，灘羊養(yǎng)殖由傳統(tǒng)零散養(yǎng)殖向規(guī)?；?、精細化和智能化養(yǎng)殖快速轉變，這對灘羊健康信息的智能采集提出了更高要求，灘羊各項生理參數(shù)通常反映其生理狀態(tài)和健康情況，體溫是最具有代表性的生理參數(shù)。灘羊正常體溫為38.5～40.5 ℃，疾病、發(fā)情、熱應激等因素均會使灘羊體溫產(chǎn)生大幅變化，如羊痘、寄生蟲病、乳房炎和流產(chǎn)型衣原體病等疾病均會導致羊只體溫顯著升高[1-3]，所以對灘羊進行體溫監(jiān)測和分析能有效發(fā)現(xiàn)疾病早期癥狀，以便及時通知養(yǎng)殖人員處理，減少養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟損失[4]。因此，灘羊體溫檢測對于灘羊疾病診斷和健康管理等具有重要意義。

羊場主要采用水銀體溫計或電子體溫計測量灘羊體溫，耗時耗力，效率低下，容易造成個體間的交叉感染，無法滿足規(guī)?；翀龉芾淼男枨?。紅外熱成像測溫技術（Infrared thermography， IRT）采用非接觸式測溫，具有非侵入、精度高、范圍大、快速和高靈敏度等優(yōu)點，不會引起個體應激反應，對畜禽疫病能夠及早發(fā)現(xiàn)，及早干預，在畜禽疾病快速診斷和智慧化健康管理等方面有廣闊的應用前景。目前，MARTINS R F S等[5]驗證了母羊乳房炎的IRT診斷的可能性，TALUKDER S等[6-8]利用IRT開展了公羊足病和羔羊蹄腐病診斷研究，ARFUSO F等[9-10]通過IRT評估剪毛過程中綿羊急性應激反應和綿羊在熱帶環(huán)境的適應性。國外關于綿羊IRT測溫研究較多，國內相關研究卻很少?；诖?，本文以我國優(yōu)秀地方綿羊品種——灘羊作為研究對象，開展灘羊直腸溫度與其IRT溫度的關系研究，為灘羊無接觸測溫和疫病診斷提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗動物

2023年5—8月，在寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣花馬池鎮(zhèn)永清源家庭農牧場，選擇開放式羊舍飼養(yǎng)、生長發(fā)育良好、體重相近的6月齡母灘羊50只，其中：30只作為訓練組，20只作為測試組。

1.2 試驗儀器

熱紅外圖像采集采用美國FLIR Systems公司生產(chǎn)的FLIR E8便攜式紅外熱像儀，光譜范圍為7.5～13 μm，采集的圖片為7.68萬（320×240）像素，熱靈敏度＜0.05 ℃，精度為±2 ℃，測溫范圍在-20～250 ℃之間。

體溫測量采用的是山東尚農電子科技有限公司生產(chǎn)的獸用電子體溫計，測溫范圍為32～43 ℃，測溫誤差為±0.1 ℃。

環(huán)境信息采集采用環(huán)境信息采集傳感器，試驗采集的環(huán)境數(shù)據(jù)主要有環(huán)境溫度、濕度、光照強度和風速。環(huán)境溫度和濕度采集使用石家莊雷神電子儀器有限責任公司生產(chǎn)的ST-ATH系列環(huán)境溫濕度傳感器，溫度量程為-30～70 ℃，精度為±0.2 ℃，濕度量程為0～100 %RH，精度為±3 %RH。光照強度采集采用石家莊雷神電子儀器有限責任公司生產(chǎn)的ST-GZ型光照度傳感器，量程為0～200 000 lx，精度為±3 %FS。風速采集使用石家莊雷神電子儀器有限責任公司生產(chǎn)的ST-FS型風速傳感器，量程為0～60 m·s-1，精度為0.1 m·s-1。測量時，傳感器安裝于距離羊只50～80 cm處。

1.3 紅外熱像儀測溫試驗

2023年5—8月，羊群每日分別在8：00和20：00進行投料飼喂。早晨采食結束后，從20只6月齡母灘羊隨機選取3只灘羊放置到試驗籠中，等待1 h，試驗羊只應激消失且適應環(huán)境后開始數(shù)據(jù)采集。拍攝時將紅外熱像儀固定在試驗籠前1 m處，并且將輻射率設定為0.98[11]，同時設定好環(huán)境溫度和濕度參數(shù)，待羊只無應激反應時，分別采集灘羊眼睛、鼻子和耳朵熱紅外圖像，每個部位連拍3張照片，拍攝結束后立刻利用獸用電子體溫計采集羊只直腸溫度。每隔1 h，采集1次數(shù)據(jù)。

1.4 特征區(qū)域選擇與分析

灘羊IRT圖像如圖1所示，灘羊體表不同區(qū)域溫度差異很大，背部、兩側、肩頸和臀等部位溫度最低，腹部次之，頭部和腿部/足部溫度最高。這是由于背部、兩側、肩頸和臀等部位均被厚厚長長的羊毛所覆蓋，腹部羊毛較短，而頭部和腿部/足部的羊毛最短[12-13]，所以頭部和腿部/足部的紅外溫度明顯高于其他部位。并且，由于羊躺臥時腿部/足部不便于拍攝，因此選取灘羊頭部羊毛覆蓋較少且溫度特征明顯的眼睛、鼻子和耳朵作為灘羊紅外熱成像測溫特征區(qū)域。

眼睛IRT溫度分布如圖2（a）所示，眼睛測溫區(qū)選取包括眼球、眼瞼和眼角在內的矩形區(qū)域。由于該區(qū)域內高溫區(qū)分布不規(guī)則，且眼睛的最高溫度易于被提取，但平均溫度易受測溫區(qū)選擇大小影響。因此，綜合考慮測溫區(qū)選擇和羊只個體差異，為更加準確刻畫眼睛的溫度特征，選擇測溫區(qū)最高溫度作為眼睛的IRT溫度。鼻子紅外熱成像溫度分布如圖2（b）所示，選取毛發(fā)稀疏的鼻腔及周圍的矩形區(qū)域作為鼻子的測溫區(qū)，由于羊鼻子與嘴緊挨，且嘴唇交接的中間高溫區(qū)域很容易混入鼻子測溫區(qū)，所以測溫區(qū)劃分要重點注意。測溫區(qū)域內高溫主要集中在鼻尖、人中和兩側鼻翼，最高溫度易于提取，但平均溫度易受測溫區(qū)選擇影響，綜合考慮，選擇最高溫度作為鼻子的IRT溫度。灘羊耳朵測溫選擇便于拍攝的耳朵外側，其IRT溫度分布如圖2（c）所示，耳朵外側分布有靜脈血管和毛細血管分布，越靠近耳朵尖毛細血管分布越多，所以高溫區(qū)集中在靠近耳朵尖部分，測溫區(qū)選取矩形框內靠近耳朵尖側2/3耳朵部分，綜合考慮溫度提取難易情況、溫度分布特點和灘羊個體差異等，選擇測溫區(qū)最高溫度作為耳朵的IRT溫度。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

每只灘羊拍攝90張紅外熱成像圖片并測定直腸溫度，其中：眼睛、耳朵和鼻子紅外熱成像圖片各1 500張。同時，測量環(huán)境溫度、濕度、光照強度和風速，獲得數(shù)據(jù)864條。利用FLIR E8便攜式紅外熱像儀自帶的FLIR Tools V3.1.1（美國 FLIR Systems公司）對灘羊熱紅外圖像中特征區(qū)域最高溫度進行提取，取羊只各部位3張熱紅外圖像最高溫度的平均值作為灘羊IRT溫度指標。

利用Excel對數(shù)據(jù)進行整理，利用Origin Pro 2019進行統(tǒng)計和分析。利用直腸溫度與灘羊IRT溫度差值與其方差初步衡量直腸溫度對灘羊眼睛、耳朵和鼻子IRT溫度的影響，并通過Pearson相關性研究分析直腸溫度與灘羊各特征區(qū)域IRT溫度的線性關系，基于線性模型和多項式模型構建灘羊IRT溫度與直腸溫度關系模型。

2 結果與分析

2.1 灘羊直腸溫度和IRT溫度的分析

本試驗所選羊只均為健康且無應激的6月齡母灘羊，不同時刻灘羊直腸溫度和各特征區(qū)域IRT溫度平均值如圖3所示，直腸溫度和眼睛IRT溫度隨時間變化較小，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，耳朵和鼻子IRT溫度波動較大。

對訓練組中的30只灘羊4個月來直腸溫度和IRT溫度進行統(tǒng)計分析，結果如表1所示。灘羊直腸溫度變化一直處在正常范圍內，且直腸溫度標準差和方差最小，說明其離散度最小，穩(wěn)定性較強；其次為眼睛IRT溫度，穩(wěn)定性最差的是耳朵IRT溫度，方差為直腸溫度方差的12倍。對3個特征區(qū)域IRT溫度數(shù)據(jù)和直腸溫度進行方差分析，發(fā)現(xiàn)眼睛和耳朵的IRT溫度均與直腸溫度差異極顯著，具有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），但鼻子IRT溫度與直腸溫度的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.146，＞0.05）。

2.2 直腸溫度對灘羊IRT溫度的影響

本試驗選取直腸溫度與灘羊各特征區(qū)域IRT溫度差值的方差來衡量直腸溫度對灘羊眼睛、耳朵和鼻子IRT溫度的影響，得出如下結論：直腸溫度影響越大，差值變動范圍越小，方差越小。選取訓練組數(shù)據(jù)進行灘羊直腸溫度與特征區(qū)域IRT溫度差值統(tǒng)計，結果如表2和圖4所示，直腸溫度與眼睛IRT溫度的差值服從正態(tài)分布，離散度最小，差值變動范圍最小，平均差值、標準差和方差也最小，而直腸溫度與耳朵IRT溫度差值變動范圍最大，其方差是直腸溫度與眼睛IRT溫度差值方差的5倍，說明眼睛IRT溫度最接近直腸溫度，且受直腸溫度影響也最大，耳朵和鼻子IRT溫度受直腸溫度影響較小，但不能完全忽略。

對灘羊直腸溫度和灘羊特征區(qū)域IRT溫度進行Pearson線性相關性分析，結果如表3所示，直腸溫度與眼睛IRT溫度強相關，相關性極顯著（P＜0.01）；直腸溫度與耳朵IRT溫度中等相關，相關性極顯著（P＜0.01）；直腸溫度與鼻子IRT溫度弱相關，相關性極顯著（P＜0.01）。在灘羊各特征區(qū)域之間，眼睛與耳朵IRT溫度顯著線性相關（P＜0.01），而鼻子與眼睛和耳朵IRT溫度相關性較弱，且均極顯著（P＜0.01）。因此，選擇眼睛作為灘羊體溫紅外熱成像測溫部位。

2.3 灘羊IRT溫度與直腸溫度關系模型

通過Pearson相關性分析發(fā)現(xiàn)，灘羊直腸溫度與眼睛IRT溫度顯著正相關，兩者成線性關系，基于此，采用線性模型和多項式數(shù)學模型構建灘羊IRT溫度與直腸溫度關系模型，并以決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（RMSE）作為模型質量指標進行初步評價，結果如表4所示。對比3種模型，模型3 R2最大，RMSE最小，擬合效果最好，但3種模型質量評價指標差距不大，模型3優(yōu)勢并不顯著，需進一步對比。

為進一步比較模型性能，從測試組選取60組數(shù)據(jù)進行擬合，并將預測值與實測值進行對比，計算相對誤差。如表5所示，對比3種模型絕對誤差和相對誤差指標可知，線性模型擬合度最優(yōu)，具有更高的精準度，更能反映灘羊直腸溫度。線性模型下60組測試數(shù)據(jù)的實測值與預測值的對比結果圖見圖5。

3 討論與結論

體溫是判斷動物肌體健康的基本指標，所以體溫測量對畜禽養(yǎng)殖有重要意義，紅外熱成像測溫技術具有快速、無接觸、無損傷等特點，是最簡單高效的測溫方法。不同研究目的，對于IRT測量部位選擇也不同，對于局部病變如蹄腐病和乳腺炎[5-7]，針對患病部位進行測量，較為簡單直接；針對發(fā)情、應激等[14-15]身體核心溫度發(fā)生變化的情況，測量部位的選擇差異很大。本試驗以6月齡母灘羊為試驗對象，在5—8月期間，采集50只灘羊的直腸溫度和眼睛、耳朵和鼻子IRT溫度數(shù)據(jù)。

（1）灘羊直腸溫度和各特征區(qū)域IRT溫度中，直腸溫度和眼睛IRT溫度離散度較小，穩(wěn)定性較強，且眼睛IRT溫度受直腸溫度影響最大，也最接近直腸溫度。Pearson分析表明，直腸溫度與眼睛IRT溫度線性相關性最大。因此，將眼睛作為灘羊紅外熱成像測溫部位，不僅易于操作，且結果的準確性和穩(wěn)定性都會相對較高，可以作為灘羊健康狀況預警的無接觸診斷方法。

（2）基于線性模型和多項式數(shù)學模型構建灘羊IRT溫度與直腸溫度關系模型可知，三次多項式的決定系數(shù)最大，均方根誤差最小，擬合效果最好，但3種模型質量評價指標差距不大。選取測試組數(shù)據(jù)對模型性能進一步比較發(fā)現(xiàn)線性模型擬合度最優(yōu)，具有更高的精準度，更能反映灘羊直腸溫度。

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責任編輯：周慧