在全球大流行中，創(chuàng)新者和設(shè)計師對使用非侵入式健康監(jiān)測設(shè)備表現(xiàn)出越來越大的興趣。在之前的文章中，我探討了光學(xué)生物傳感器的實施注意事項并評論了傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。這篇文章說明了之前討論的概念，介紹了我們團(tuán)隊在創(chuàng)建縱向健康監(jiān)測器方面的挑戰(zhàn)和成就。我們的受試者是小牛犢，我們監(jiān)測它們對牛呼吸道疾病 （BRD）的發(fā)作。

牛呼吸道疾病概述

BRD 是畜牧業(yè)成本最高的疾病之一。它也是研究最廣泛的一種，從 1800 年代后期開始，一直持續(xù)到今天。僅考慮美國飼養(yǎng)場行業(yè)，BRD 造成的年度損失總計達(dá) 10 億美元。1

BRD是指導(dǎo)致牛呼吸道感染的疾病復(fù)合體。它特別難以控制，因為它可能由多種病原體引起。發(fā)病機(jī)制涉及許多因素，包括壓力和可能的病毒或寄生蟲感染，它們會抑制宿主的免疫系統(tǒng)，使細(xì)菌在上呼吸道迅速繁殖。

畜牧業(yè)經(jīng)營者因 BRD 遭受多種損失。首先，治療生病的動物是有成本的，其中一些需要不止一個療程的藥物。其次，飼養(yǎng)場中的動物應(yīng)該盡可能增加體重，每天 4 磅。當(dāng)生病的動物未能以這種速度增加體重時，錯過的增加體重的機(jī)會就是生產(chǎn)力的永久性損失。第三，照顧生病的動物會增加勞動力成本。最后，一些動物永遠(yuǎn)不會從 BRD 中恢復(fù)過來。BRD 是美國飼養(yǎng)場中犢牛死亡率的主要原因。

美國飼養(yǎng)場的牛只占全球牛群的一小部分。美國牧場主每年收獲近 3 億頭小牛，所有這些小牛都可能成為 BRD 的受害者。由于 BRD 發(fā)病的原因是多方面的，盡管經(jīng)過數(shù)十年的研究和動物福利的改善，養(yǎng)牛業(yè)仍無法減少 BRD 造成的損害。

監(jiān)測牛的生命體征

為了改善動物福利并降低與動物死亡率和發(fā)病率相關(guān)的成本，該行業(yè)非常重視改進(jìn)早期發(fā)病檢測。傳統(tǒng)上，該行業(yè)依賴于經(jīng)驗豐富的筆騎手，他們可能會注意到特定動物行為的變化，并因此測試它們的溫度。如果動物的核心溫度高于 40.5 °C （104.9°F），則認(rèn)為它患有 BRD。有很大的改進(jìn)空間。

首先，使用嚴(yán)格的溫度閾值來診斷 BRD 忽略了每個動物具有不同標(biāo)稱核心溫度的現(xiàn)實。40.5 °C 只是一大群牛的平均發(fā)燒溫度。他們中的一些人的核心溫度自然低于平均水平，即使他們的核心溫度低于閾值，也可能已經(jīng)發(fā)燒。這與指導(dǎo)理解縱向和個性化健康監(jiān)測為人類患者帶來更好的醫(yī)療保健的原則相同。

其次，盡管大多數(shù)飼養(yǎng)場經(jīng)營者對他們的圍欄騎手的能力充滿信心，但研究人員報告說，大多數(shù)被檢查的收獲牛的肺部都有病變，即患有嚴(yán)重的呼吸系統(tǒng)疾?。ú⒖祻?fù)），盡管大多數(shù)人從未接受過 BRD 治療。 事實上，一個有經(jīng)驗的騎手每天可以照顧 8，000 到 12，000 頭牛。因此，每只可能生病的動物只需要不到兩分鐘的時間就能引起騎手的注意。此外，由于處理和測試可能生病的動物所需的勞動力成本，騎手被訓(xùn)練在假陰性上犯錯。更糟糕的是，筆騎手的勞動力正在老化，能夠做出準(zhǔn)確快速判斷的經(jīng)驗豐富的手越來越少。2所有這些因素都為創(chuàng)建 BRD 的自動早發(fā)檢測系統(tǒng)提供了合理的論據(jù)。

由于固定的核心溫度閾值 40.5°C 一直是診斷 BRD 的黃金標(biāo)準(zhǔn)，因此已經(jīng)有很多嘗試監(jiān)測每頭奶牛頭部的溫度。這些嘗試包括使用攝入的丸劑測量瘤胃遙測溫度、測量耳道內(nèi)的空氣溫度或鼓膜溫度、測量皮膚溫度以及應(yīng)用熱成像來估計眼溫。這些方法要么具有非常低的數(shù)據(jù)可靠性，要么被證明與飼養(yǎng)場的工作流程不兼容（下一節(jié)將詳細(xì)介紹）。

研究 BRD 其他發(fā)病癥狀的獸醫(yī)研究人員偶然報告了從 BRD 不同階段的牛測量的SpO 2 。數(shù)據(jù)顯示，隨著疾病變得更加嚴(yán)重，平均值下降。3由于 BRD 是一種呼吸系統(tǒng)疾病，SpO 2會下降是有道理的，因為呼吸道感染會影響氧氣攝入量。事實上，我們咨詢過的該領(lǐng)域的專家都同意 SpO 2應(yīng)該是一種有價值的生物標(biāo)志物。然而，也很明顯，沒有通過 BRD 感染過程跟蹤奶牛的 SpO 2值，以幫助我們了解該生命體征可能如何變化以及它是領(lǐng)先指標(biāo)還是滯后指標(biāo)。

用例和工作流程：牛健康監(jiān)測

將健康監(jiān)視器連接到牛群必須符合飼養(yǎng)場的工作流程。通過與行業(yè)專家合作，我們的團(tuán)隊很快就了解了這些限制。

當(dāng)牛被放入溜槽時，耳標(biāo)會附在牛身上。圈養(yǎng)動物以將它們通過滑槽是勞動密集型的，并且在動物在飼養(yǎng)場的整個逗留期間僅執(zhí)行幾次 - 特別是在采食期間和在收獲前對動物進(jìn)行分類時。

筆騎手平均每天檢查一次動物。動物在喂養(yǎng)過程中可能會受到一些關(guān)注，但該過程在大型飼養(yǎng)場中是半自動化的。

美國食品和藥物管理局 （FDA） 法規(guī)要求從動物尸體中取出異物，例如胃中的溫度測量丸，以免意外污染我們的食物供應(yīng)。然而，包括耳朵在內(nèi)的頭部不被視為可食用部分，在屠宰后被丟棄。事實上，耳標(biāo)已經(jīng)用于識別和追蹤飼養(yǎng)場動物。動物在飼養(yǎng)場的攝入過程中會被貼上標(biāo)簽，標(biāo)簽會一直留在動物身上，直到收獲。

BRD 在剛被運送到飼養(yǎng)場的小牛身上最為普遍。這種情況非常普遍，以至于 BRD 也被稱為航運熱。一旦動物適應(yīng)了飼養(yǎng)場，BRD 的風(fēng)險就會顯著降低。然而，健康監(jiān)測的價值并沒有完全消失，因為動物的死亡率會隨著時間的推移而增加。最重要的是，該行業(yè)不僅對監(jiān)測動物的 BRD 非常感興趣，而且對監(jiān)測它們的整體健康和福利非常感興趣。

概念：智慧畜牧系統(tǒng)

鑒于飼養(yǎng)場的既定工作流程，智能牲畜系統(tǒng)（參見圖 1）可以通過提醒他們注意氧氣讀數(shù)已低于該特定動物的縱向標(biāo)準(zhǔn)的動物來幫助圍欄騎手。該系統(tǒng)將包括一個配備 SpO 2和其他傳感器的耳標(biāo)。與可穿戴健身設(shè)備不同，耳標(biāo)永久安裝在牛身上，因此每個耳標(biāo)都將監(jiān)控動物身上大致相同的位置，并減輕與設(shè)備日常佩戴方式相關(guān)的數(shù)據(jù)變化。即便如此，我們推測數(shù)據(jù)可能會隨著小牛的生長和毛發(fā)長度的變化而變化，但我們推測這種變化是緩慢的，并且可以通過智能基線算法進(jìn)行跟蹤。

圖 1. 智能家畜監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。

耳標(biāo)（圖 2）將收集傳感器數(shù)據(jù)，本地處理將提取包括 SpO 2在內(nèi)的生物標(biāo)志物。低功率無線電，例如基于 LoRa 的無線電，會將這些生物標(biāo)記傳輸?shù)交?，該基站可以方便地安置在飼養(yǎng)場的辦公室或安裝在飼料運輸卡車上。然后，云中的算法可以處理生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)，維護(hù)每只動物的縱向記錄，并在生物標(biāo)志物明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)時發(fā)出警報。生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)每天最多只需要生成一次評估，因此耳標(biāo)可以在原電池上運行很長時間。

順便說一句，動物毛發(fā)對于光學(xué)生物傳感來說不是一個重大問題。頭發(fā)和組織一樣，是一種蛋白質(zhì)，很容易被 LED 燈穿透（圖 3）。事實上，在體重至少 300 到 400 磅的小牛犢中，我們從小牛耳標(biāo)中獲得的 PPG 信號中的灌注指數(shù)比從體型較小的人的健身手表中獲得的要好。

圖 3. 從牛耳標(biāo)收集的 PPG 數(shù)據(jù)。

可穿戴原型測試可行性

在我們的檢查中，我們創(chuàng)建了一個模仿用于牛的商業(yè)標(biāo)簽的耳標(biāo)。該標(biāo)簽包括一個光學(xué) PPG，它使用帶有紅色和紅外 LED的MAX86141 模擬前端。由于光學(xué) SpO 2測量容易受到運動偽影的影響，因此我們包括了一個加速度計，因此我們可以檢測運動并拒絕在標(biāo)簽移動時捕獲的任何 PPG 數(shù)據(jù)。

由于我們可行性研究的目標(biāo)是找到一種可行的牛監(jiān)測算法，因此我們將 PPG 設(shè)置為 100sps 的采樣率。牛的心率平均低于 84bpm，與人類的心率相差不大。我們選擇了高于必要的采樣率，以確保我們捕獲 PPG 波形的高次諧波。我們將來自 PPG 和加速度計的所有原始數(shù)據(jù)存儲在標(biāo)簽上的閃存中，并從我們的實驗中恢復(fù)標(biāo)簽以進(jìn)行批處理。這種方法避免了無線傳輸中數(shù)據(jù)丟失的任何復(fù)雜性。顯然，在任何生產(chǎn)部署中，我們都必須在耳標(biāo)上運行我們的算法，并且只傳輸一小部分生物標(biāo)記數(shù)據(jù)。

為了在使用壽命和耳標(biāo)重量之間取得平衡，我們使用了 1000mAh 電池。為了最大限度地降低功耗，我們沒有在 PPG 中包含綠色 LED，因為我們也可以從紅色或紅外通道獲得心率信息，盡管不是最佳的。使用我們的數(shù)據(jù)采集方案（見下文），我們能夠運行耳標(biāo)大約 10 天。

基本事實——及其困難

在創(chuàng)建傳感器以具有參考或基本事實時，這一點很重要。然而，獲得牛的 SpO 2的基本事實是困難的。脈搏血氧儀設(shè)計用于臨床環(huán)境中的靜止患者，讀數(shù)通常作為快照而不是連續(xù)獲取。該團(tuán)隊毫不畏懼地進(jìn)行了脈搏血氧儀測量，并從幾頭麻醉的小母牛身上抽血，以將它們的血氧含量與我們的傳感器讀數(shù)相關(guān)聯(lián)。

我們使用幾種不同的臨床級脈搏血氧儀進(jìn)行讀數(shù)，目的是將我們的耳標(biāo)傳感器校準(zhǔn)到參考。當(dāng)氧濃度高時，血氧儀的讀數(shù)相互一致，而當(dāng)血氧水平下降到 90% 左右時，它們的結(jié)果卻大相徑庭。即使檢查動脈血的氧濃度也容易出現(xiàn)人為錯誤，從而導(dǎo)致顯著的重復(fù)性錯誤。我們建立基本事實的第一次嘗試失敗了。

退后一步，我們意識到我們的目標(biāo)是檢測 BRD 的發(fā)作，而一滴 BRD 僅僅是我們正在追蹤的癥狀。如果我們可以使用受控疾病挑戰(zhàn)研究來控制動物何時被感染，則有既定程序可以確定受感染動物何時生病，而無需知道動物的血氧水平。

實驗

我們與德克薩斯 A&M 大學(xué) AgriLife Extension 的研究人員密切合作進(jìn)行了一系列實驗。通過一系列設(shè)計變更，我們在傳感器設(shè)計中試驗了 LED 和光電探測器之間的不同距離，以提高紅光和紅外光的灌注指數(shù)。我們還通過測試我們在 3D 打印機(jī)上制作的一系列機(jī)械耳標(biāo)設(shè)計來改進(jìn)組織與光學(xué)傳感器的耦合。事實證明，3D 打印材料很脆弱，我們的耳標(biāo)組件通常經(jīng)受不住牛長時間佩戴的粗暴處理。最后一個缺陷一直困擾著我們的實驗，但我們相信它可以通過放棄使用 3D 打印來輕松解決。盡管如此，

AgriLife 團(tuán)隊帶領(lǐng)我們按照著名的行業(yè)協(xié)議4設(shè)計了一個 BRD 挑戰(zhàn)實驗。該協(xié)議設(shè)置了兩組動物：一組用于控制，另一組用于挑戰(zhàn)。給受攻擊的動物接種牛皰疹病毒-1 （BHV-1），三天后給予溶血曼海姆氏菌（MH） 使用支氣管選擇性內(nèi)窺鏡檢查。按照其他相同的程序，用磷酸鹽緩沖鹽溶液處理對照動物。監(jiān)測兩組的瘤胃溫度和攝食行為，并目視評估疾病的臨床癥狀。這些日常監(jiān)測，尤其是任何瘤胃高溫事件（溫度升高），為我們提供了 BRD 發(fā)病的基本事實。為了更好地衡量，我們還在實驗過程中從動物的耳朵中采集了幾次動脈和靜脈血樣本。

我們監(jiān)測了與已知動物健康時的基線相比的SpO 2水平。我們可以簡單地使用 R 作為我們的生物標(biāo)志物，其中

SpO 2 ≈ a 0 + a 1 R + a 2 R 2

事實上，對于范數(shù)周圍的小偏差，SpO 2和 R 之間的關(guān)系大致是線性的：常數(shù) a 1是一個負(fù)數(shù)。因此，當(dāng) SpO 2下降時，R 會增加。

我們花時間為我們的參考、瘤胃溫度和每只動物的攝食行為建立基線。在我們使用 BHV-1 的前一天，我們安裝了耳標(biāo)。從晚上 9 點開始，耳標(biāo)每 40 分鐘收集 40 秒的 PPG 和加速度計數(shù)據(jù)。到早上 6 點 每天，直到它們被移除或移走。整個過程由 AgriLife 團(tuán)隊處理。

結(jié)果

許多耳標(biāo)被證明太脆弱，無法承受動物的粗暴對待。因此，很大一部分傳感器被破壞，無法提供有用的數(shù)據(jù)。在恢復(fù)的數(shù)據(jù)中，R（圖 4a）和動脈血氧水平（圖 4b）SaO 2在 MH 挑戰(zhàn)后均顯示與正常值略有不同。變化幅度比生物標(biāo)志物（對照）的正常每日波動大約 50%。

值得注意的是，在實驗期間，我們經(jīng)歷了兩次明顯的雷暴，夜間平均溫度變化了約 15°C。環(huán)境條件的變化并沒有影響我們的生物標(biāo)志物。

圖 4a/4b：牛耳標(biāo)監(jiān)測器的實驗結(jié)果，顯示匯總數(shù)據(jù) （4a） 和動脈 SO 2 （4b）。

觀察和后續(xù)步驟

實驗表明，R 和推斷 SpO 2是 BRD 發(fā)病的可測量但較弱的指標(biāo)。從生理上講，動物會盡其所能彌補(bǔ)缺氧。因此，如果在 BRD 發(fā)作期間呼吸功能受到影響，動物會增加呼吸頻率和心率，以防止血氧水平嚴(yán)重下降。只有隨著疾病的進(jìn)展，肺部進(jìn)一步受損，這些應(yīng)對機(jī)制才會跟不上，血氧水平會急劇下降。因此，通過推注測量瘤胃溫度或使用 GrowSafe Systems ?監(jiān)測飼喂行為為 BRD 挑戰(zhàn)研究提供了更強(qiáng)的信號。不幸的是，這兩種監(jiān)控系統(tǒng)都不適合牛肉生產(chǎn)工作流程。

創(chuàng)建一個自動化系統(tǒng)來監(jiān)測動物健康的嘗試仍在繼續(xù)。我們的可行性研究有一些自然的后續(xù)行動。

將SpO 2（或 R）與另一種生物標(biāo)志物相結(jié)合。使用單一生物標(biāo)志物檢測 BRD 容易受到錯誤觸發(fā)的影響。雖然來自 R 的信號并不明顯，但它可能受環(huán)境變化的影響較小。因此，將 R 與其他生物標(biāo)志物（如溫度和活動）結(jié)合起來可能會提供更可靠的預(yù)測

用靜息心率確定 SpO 2 （或 R） 。我們耳標(biāo)上的光學(xué)傳感器還提供動物的心率。正如所討論的，當(dāng)動物補(bǔ)償其受損的呼吸功能時，靜息心率應(yīng)該增加。我們將不得不修改我們的數(shù)據(jù)收集協(xié)議，以便在打開我們的光學(xué)傳感器之前很久就捕獲加速度計數(shù)據(jù)，以便我們可以識別靜息心率。

改善運動偽影緩解。由于牛的耳朵不斷移動，我們?nèi)匀豢梢葬槍︻A(yù)期的運動偽影改進(jìn)我們的 R 生物標(biāo)志物檢測算法。

研究更多的人口。每只動物對疾病的反應(yīng)都不同。我們需要來自更多牛群的數(shù)據(jù)：不同品種、不同氣候、不同海拔的牛群，以驗證任何適應(yīng)變化的健康監(jiān)測方法。

自然 BRD 發(fā)作與挑戰(zhàn)。自然界中發(fā)生的 BRD 不遵循受控疾病挑戰(zhàn)的模式。因此，使用一系列挑戰(zhàn)研究開發(fā)的算法在生產(chǎn)飼養(yǎng)場設(shè)置中可能不那么有效。

這項研究得益于眾多學(xué)科的專家，包括動物科學(xué)、獸醫(yī)學(xué)、生物工程、光學(xué)設(shè)計、數(shù)據(jù)科學(xué)和算法，以及我們應(yīng)用人員的奉獻(xiàn)精神。在一個吹捧使用大數(shù)據(jù)取得進(jìn)展的時代，我們發(fā)現(xiàn)動物科學(xué)家和獸醫(yī)經(jīng)常缺乏與我們的用例相關(guān)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。在我們的情況下，缺乏數(shù)據(jù)可能是由于不存在能夠持續(xù)收集活體動物縱向 SpO 2測量值的傳感器。之所以沒有開發(fā)出這種傳感器，是因為在這群不同的專家開始合作之前，工程師們并不知道任何潛在的用例。

盡管如此，研究人員仍然對評估動物健康和福利的遠(yuǎn)程和非侵入性方法感興趣，不僅致力于檢測 BRD，還致力于檢測膨脹和壓力等問題。了解如何監(jiān)測個體動物的健康有助于我們了解如何為人類患者可靠地實施個性化醫(yī)療保健。生物傳感器將繼續(xù)發(fā)揮更大的作用。激動人心的時刻即將到來！

審核編輯：郭婷