在全球大流行中，創(chuàng)新者和設(shè)計(jì)師對(duì)使用非侵入式健康監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)注意事項(xiàng)，并評(píng)論了傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。這篇文章說明了前面討論的概念，介紹了我們團(tuán)隊(duì)在創(chuàng)建縱向健康監(jiān)測(cè)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(cè)它們是否患有牛呼吸道疾?。˙RD）。

牛呼吸系統(tǒng)疾病概述

BRD是畜牧業(yè)最昂貴的疾病之一。它也是研究最廣泛的研究之一，其努力始于 1800 年代后期并一直持續(xù)到今天。僅考慮美國飼養(yǎng)場(chǎng)行業(yè)，BRD造成的年度損失總計(jì)達(dá)1億美元。

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?yàn)樗赡苡啥喾N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，這些感染會(huì)抑制宿主的免疫系統(tǒng)，使細(xì)菌在上呼吸道中迅速繁殖。

畜牧業(yè)經(jīng)營者以多種方式遭受BRD的損失。首先，是治療患病動(dòng)物的費(fèi)用，其中一些需要不止一個(gè)療程的藥物。其次，飼養(yǎng)場(chǎng)的動(dòng)物應(yīng)該盡可能增加最大的體重，每天四磅。當(dāng)生病的動(dòng)物未能以這種速度增加體重時(shí)，錯(cuò)過增加體重的機(jī)會(huì)就是生產(chǎn)力的永久性損失。第三，照顧生病的動(dòng)物會(huì)增加勞動(dòng)力成本。最后，有些動(dòng)物永遠(yuǎn)無法從BRD中恢復(fù)過來。BRD是美國飼養(yǎng)場(chǎng)犢牛死亡率的主要原因。

美國飼養(yǎng)場(chǎng)的牛只占全球牛群的一小部分。美國牧場(chǎng)主每年收獲近300億頭小牛，所有這些都可能成為BRD的受害者。由于BRD發(fā)病的原因是多因素的，盡管幾十年來對(duì)動(dòng)物福利進(jìn)行了研究和改善，但養(yǎng)牛業(yè)仍無法減少BRD造成的損害。

監(jiān)測(cè)牛的生命體征

為了改善動(dòng)物福利并降低與動(dòng)物死亡率和發(fā)病率相關(guān)的成本，該行業(yè)非常重視改善早發(fā)性檢測(cè)。傳統(tǒng)上，該行業(yè)依賴于經(jīng)驗(yàn)豐富的筆騎手，他們可能會(huì)注意到特定動(dòng)物行為的變化，從而測(cè)試它們的體溫。如果動(dòng)物的核心溫度高于 40.5 °C （104.9°F），則認(rèn)為它患有 BRD。還有很大的改進(jìn)余地。

首先，使用嚴(yán)格的溫度閾值來診斷BRD忽略了每只動(dòng)物具有不同標(biāo)稱核心溫度的現(xiàn)實(shí)。40.5°C只是一大群牛的平均發(fā)燒溫度。其中一些的核心溫度自然低于平均水平，即使它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(gè)性化健康監(jiān)測(cè)為人類患者提供更好的醫(yī)療保健的原則相同。

其次，盡管大多數(shù)飼養(yǎng)場(chǎng)經(jīng)營者對(duì)他們的圍欄騎手的能力充滿信心，但研究人員報(bào)告說，大多數(shù)被檢查的收獲牛的肺部都有病變，即患有（并恢復(fù)）嚴(yán)重的呼吸道疾病，即使大多數(shù)從未接受過BRD治療。事實(shí)上，一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)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(dòng)物只能引起騎手不到兩分鐘的注意。此外，由于處理和測(cè)試可能生病的動(dòng)物所需的人工成本，騎手接受過錯(cuò)誤培訓(xùn)，可以錯(cuò)誤地處理假陰性。更糟糕的是，筆騎手的勞動(dòng)力正在老化，能夠做出準(zhǔn)確快速判斷的經(jīng)驗(yàn)豐富的手越來越少。2所有這些因素都為創(chuàng)建BRD的自動(dòng)早發(fā)檢測(cè)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)有很多嘗試來監(jiān)測(cè)每頭奶牛頭部的溫度。這些嘗試包括使用攝入的推注測(cè)量瘤胃遙測(cè)溫度，測(cè)量耳道內(nèi)空氣溫度或鼓膜溫度，測(cè)量皮膚溫度，以及應(yīng)用熱成像來估計(jì)眼溫。這些方法要么數(shù)據(jù)可靠性非常低，要么被證明與飼養(yǎng)場(chǎng)的工作流程不兼容（下一節(jié)將詳細(xì)介紹）。

獸醫(yī)研究人員調(diào)查BRD的其他發(fā)病癥狀偶然報(bào)道了SpO2從BRD不同階段的牛測(cè)量。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，因此SpO是有道理的2會(huì)隨著呼吸道感染影響氧氣攝入而下降。事實(shí)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(jià)值的生物標(biāo)志物。然而，很明顯，沒有跟蹤SpO。2在 BRD 感染過程中對(duì)奶牛進(jìn)行值，以幫助我們了解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(cè)

將運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)器連接到牛群必須符合飼養(yǎng)場(chǎng)中的工作流程。通過與行業(yè)專家合作，我們的團(tuán)隊(duì)很快就了解了其中的限制因素。

當(dāng)牛被放入滑槽時(shí)，耳標(biāo)會(huì)附在牛身上。將動(dòng)物圍起來將它們放入滑槽是勞動(dòng)密集型的，并且在動(dòng)物在飼養(yǎng)場(chǎng)的整個(gè)停留期間只進(jìn)行幾次 - 特別是在攝入期間和收獲前對(duì)動(dòng)物進(jìn)行分類時(shí)。

筆騎手平均每天檢查一次動(dòng)物。動(dòng)物在喂食過程中可能會(huì)受到一些關(guān)注，但在大型飼養(yǎng)場(chǎng)，該過程是半自動(dòng)化的。

美國食品和藥物管理局（FDA）的規(guī)定要求從動(dòng)物尸體上移開外來物體，例如胃中的測(cè)溫推注物，以免意外污染我們的食物供應(yīng)。然而，頭部，包括耳朵，不被認(rèn)為是可食用的部分，屠宰后被丟棄。事實(shí)上，耳標(biāo)已經(jīng)用于識(shí)別和追蹤飼養(yǎng)場(chǎng)動(dòng)物。動(dòng)物在飼養(yǎng)場(chǎng)被標(biāo)記作為其攝入程序的一部分，標(biāo)簽一直保留在動(dòng)物身上，直到收獲。

BRD在幼牛被運(yùn)送到飼養(yǎng)場(chǎng)后立即在幼犢中最為普遍。這非常普遍，以至于BRD也被稱為航運(yùn)熱。一旦動(dòng)物適應(yīng)了飼養(yǎng)場(chǎng)，BRD的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)顯著降低。然而，隨著動(dòng)物的死亡率隨著時(shí)間的推移而增加，健康監(jiān)測(cè)的價(jià)值并沒有完全消失。最重要的是，該行業(yè)不僅對(duì)監(jiān)測(cè)動(dòng)物的BRD非常感興趣，而且對(duì)監(jiān)測(cè)它們的整體健康和福利也非常感興趣。

概念：智能畜牧系統(tǒng)

鑒于飼養(yǎng)場(chǎng)的既定工作流程，智能畜牧系統(tǒng)（見圖1）可以通過提醒動(dòng)物氧氣讀數(shù)低于該特定動(dòng)物的縱向標(biāo)準(zhǔn)來幫助圍欄騎手。該系統(tǒng)將由配備SpO的耳標(biāo)組成2和其他傳感器。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(gè)耳標(biāo)都會(huì)監(jiān)控動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)隨著小牛的成長(zhǎng)和毛發(fā)長(zhǎng)度的變化而變化，但我們推測(cè)這種變化很慢，可以用智能基線算法進(jìn)行跟蹤。

圖1.智能牲畜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。

耳標(biāo)將收集傳感器數(shù)據(jù)，本地處理將提取包括SpO在內(nèi)的生物標(biāo)志物2.低功率無線電， 例如基于 LoRa 的無線電， 將這些生物標(biāo)志物傳輸?shù)交?，該基站可以方便地安置在飼養(yǎng)場(chǎng)的辦公室或安裝在飼料運(yùn)送卡車上.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(dòng)物的縱向記錄，并在生物標(biāo)志物明顯偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)發(fā)出警報(bào)。生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)只需要每天最多生成一次評(píng)估，因此耳標(biāo)可以在原電池上運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間。

順便說一下，動(dòng)物毛發(fā)對(duì)于光學(xué)生物傳感來說并不是一個(gè)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(shí)上，在體重至少300至400磅的年輕小牛中，我們從小牛耳標(biāo)的PPG信號(hào)中獲得的灌注指數(shù)比從較小人類的健身手表中獲得更好的灌注指數(shù)。

圖3.從奶牛耳標(biāo)收集的PPG數(shù)據(jù)。

可穿戴原型測(cè)試可行性

為了進(jìn)行檢查，我們創(chuàng)建了一個(gè)仿照牛上使用的商業(yè)標(biāo)簽的耳標(biāo)。該標(biāo)簽包括一個(gè)光學(xué)PPG，采用MAX86141模擬前端，帶有紅色和紅外LED。因?yàn)楣鈱W(xué)SpO2測(cè)量容易受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響，我們提供了一個(gè)加速度計(jì)，因此我們可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)并拒絕標(biāo)簽移動(dòng)時(shí)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(cè)算法，因此我們將PPG設(shè)置為100sps采樣。牛心率平均低于 84bpm，與人類心率相差不大。我們選擇了高于必要的采樣率，以確保我們捕獲了PPG波形的高次諧波。我們將PPG和加速度計(jì)的所有原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在標(biāo)簽上的閃存中，并從實(shí)驗(yàn)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造成的數(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(yùn)行我們的算法，并且只傳輸一小部分生物標(biāo)志物數(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?yàn)槲覀円部梢詮募t色或紅外通道獲得心率信息，盡管不是最佳的。我們能夠使用我們的數(shù)據(jù)采集方案運(yùn)行耳標(biāo)約 10 天（見下文）。

基本事實(shí)及其困難

在創(chuàng)建傳感器時(shí)，具有參考或基本事實(shí)非常重要。然而，獲得SpO的基本真相2在牛身上很難。脈搏血氧儀設(shè)計(jì)用于臨床環(huán)境中的固定患者，讀數(shù)通常作為快照而不是連續(xù)拍攝。該團(tuán)隊(duì)毫不氣餒，進(jìn)行了脈搏血氧儀測(cè)量，并從少數(shù)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(jí)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)為參考。雖然血氧儀的讀數(shù)在氧氣濃度高時(shí)彼此一致，但當(dāng)血氧水平下降到接近90%左右時(shí)，他們的結(jié)果彼此不一致。即使檢查動(dòng)脈血液的氧氣濃度也容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，導(dǎo)致明顯的重復(fù)性誤差。我們第一次嘗試建立地面真相是失敗的。

退后一步，我們意識(shí)到我們的目標(biāo)是檢測(cè)BRD的發(fā)作，而BRD的下降只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(dòng)物何時(shí)被感染，那么就有既定的程序來確定被挑戰(zhàn)的動(dòng)物何時(shí)生病，而不必知道動(dòng)物的血氧水平。

實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)。通過一系列的設(shè)計(jì)變更，我們?cè)趥鞲衅髟O(shè)計(jì)中試驗(yàn)了LED和光電探測(cè)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(cè)試一系列在3D打印機(jī)上生產(chǎn)的機(jī)械耳標(biāo)設(shè)計(jì)來改善組織到光學(xué)傳感器的耦合。事實(shí)證明，3D打印材料是脆弱的，我們的耳標(biāo)組件通常經(jīng)不起牛長(zhǎng)時(shí)間磨損的粗暴處理。最后一個(gè)缺陷困擾著我們的實(shí)驗(yàn)，但我們相信可以通過放棄使用3D打印來輕松補(bǔ)救。盡管如此，3D打印是我們改變機(jī)械設(shè)計(jì)的最有效手段，這樣我們就可以更快地學(xué)習(xí)和改進(jìn)。

AgriLife團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)我們按照眾所周知的行業(yè)協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)BRD挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)4.該協(xié)議設(shè)置了兩組動(dòng)物：一組用于對(duì)照，另一組用于挑戰(zhàn)。受挑戰(zhàn)的動(dòng)物接種牛皰疹病毒-1（BHV-1），三天后使用支氣管選擇性內(nèi)窺鏡檢查給予曼海姆氏溶血菌（MH）。對(duì)照動(dòng)物按照其他相同的程序用磷酸鹽緩沖鹽溶液處理。兩組均監(jiān)測(cè)瘤胃溫度和攝食行為，并目視評(píng)估疾病的臨床體征。這些日常監(jiān)測(cè)器，尤其是任何瘤胃熱療事件（溫度上升峰值），有助于為我們提供BRD發(fā)病的基本真相。為了更好地衡量，我們還在實(shí)驗(yàn)過程中從動(dòng)物的耳朵中采集了幾次動(dòng)脈和靜脈血液樣本。

我們監(jiān)測(cè)了SpO2與已知?jiǎng)游锝】档幕€相比的水平。我們可以簡(jiǎn)單地使用R作為我們的生物標(biāo)志物，其中

SpO2≈0+ 一個(gè)1R + a2R2

事實(shí)上，對(duì)于圍繞一個(gè)范數(shù)的微小偏差，SpO之間的關(guān)系2R大致是線性的：常數(shù)a1是一個(gè)負(fù)數(shù)。所以，當(dāng)SpO2下降，R 增加。

我們花時(shí)間為每只動(dòng)物的參考、瘤胃溫度和攝食行為建立了基線。在我們服用BHV-1的前一天，我們安裝了耳標(biāo)。耳標(biāo)每天從晚上40點(diǎn)到早上40點(diǎn)每9分鐘收集6秒的PPG和加速度計(jì)數(shù)據(jù)，直到它們被移除或移開。整個(gè)過程由AgriLife團(tuán)隊(duì)處理。

結(jié)果

許多耳標(biāo)被證明太脆弱，無法承受動(dòng)物的粗暴對(duì)待。因此，很大一部分傳感器被毀，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(dòng)脈血氧水平（圖4b），SaO2，在MH挑戰(zhàn)后顯示出與常態(tài)的小幅偏離。變化的幅度比生物標(biāo)志物（對(duì)照）的正常每日波動(dòng)大約50%。

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)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)境條件的變化不會(huì)影響我們的生物標(biāo)志物。

圖4a/4b：奶牛耳標(biāo)監(jiān)測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示匯總數(shù)據(jù)（4a）和動(dòng)脈SO2（4b）。

三. 意見和后續(xù)步驟

實(shí)驗(yàn)表明，R，并通過推斷SpO2，是 BRD 發(fā)病的可測(cè)量但較弱的指標(biāo)。從生理上講，動(dòng)物會(huì)以任何方式補(bǔ)償缺氧。因此，如果在BRD發(fā)作期間呼吸功能受到影響，動(dòng)物會(huì)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，其肺部進(jìn)一步受損，這些應(yīng)對(duì)機(jī)制才會(huì)跟不上，血氧水平才會(huì)急劇下降。因此，通過推注測(cè)量瘤胃溫度或使用 GrowSafe 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)飼喂行為為BRD挑戰(zhàn)研究提供了更強(qiáng)的信號(hào)。不幸的是，這兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都不適合牛肉生產(chǎn)工作流程。

創(chuàng)建自動(dòng)化系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)動(dòng)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(dòng)。

結(jié)合 SpO2（或 R）與另一個(gè)生物標(biāo)志物.使用單一生物標(biāo)志物進(jìn)行BRD檢測(cè)容易受到錯(cuò)誤觸發(fā)的影響。雖然來自R的信號(hào)不明顯，但受環(huán)境變化的影響可能較小。因此，將R與其他生物標(biāo)志物（如溫度和活性）相結(jié)合可能會(huì)提供更可靠的預(yù)測(cè)。

合格 SpO2（或 R）伴靜息心率.我們耳標(biāo)上的光學(xué)傳感器還提供動(dòng)物的心率。如前所述，靜息心率應(yīng)該隨著動(dòng)物補(bǔ)償其受損的呼吸功能而增加。我們將不得不修改我們的數(shù)據(jù)收集協(xié)議，以便在打開光學(xué)傳感器之前很久就捕獲加速度計(jì)數(shù)據(jù)，以便我們可以識(shí)別靜息心率。

改進(jìn)運(yùn)動(dòng)偽影緩解。由于牛的耳朵不斷移動(dòng)，我們?nèi)匀豢梢葬槍?duì)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)偽影改進(jìn)我們的R生物標(biāo)志物檢測(cè)算法。

研究更大的人群。每種動(dòng)物對(duì)疾病的反應(yīng)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、不同海拔高度的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證任何健康監(jiān)測(cè)方法以適應(yīng)變化。

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)性研究開發(fā)的算法在生產(chǎn)飼養(yǎng)場(chǎng)環(huán)境中可能不那么有效。

這項(xiàng)研究得益于動(dòng)物科學(xué)、獸醫(yī)學(xué)、生物工程、光學(xué)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)科學(xué)和算法等多個(gè)學(xué)科的專家，以及我們應(yīng)用人員的奉獻(xiàn)精神。在一個(gè)吹捧使用大數(shù)據(jù)的進(jìn)步的時(shí)代，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物科學(xué)家和獸醫(yī)往往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)可歸因于可以收集縱向SpO的傳感器2不存在對(duì)活體動(dòng)物的一致測(cè)量。這種傳感器之所以沒有被開發(fā)出來，是因?yàn)樵谶@個(gè)不同的專家小組開始一起工作之前，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(duì)評(píng)估動(dòng)物健康和福利的遠(yuǎn)程和非侵入性方法感興趣，不僅要檢測(cè)BRD，還要檢測(cè)腹脹和壓力等問題。了解如何監(jiān)測(cè)個(gè)體動(dòng)物的健康有助于我們了解如何為人類患者可靠地實(shí)施個(gè)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(dòng)人心的時(shí)代就在前方！

審核編輯：郭婷