紅外熱成像在豬生物監(jiān)測中的應(yīng)用

孟霞

摘? 要：畜禽疾病尤其是人畜共患病會威脅人類和動物的健康，也會影響社會和經(jīng)濟發(fā)展，導(dǎo)致食品短缺。在密集型生產(chǎn)系統(tǒng)中，動物的疾病無法得到有效的監(jiān)控，而技術(shù)可以為密切監(jiān)測和生物監(jiān)視提供解決方案，走向商業(yè)性應(yīng)用市場的紅外熱成像正成為動物疾病的有效監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備，在確保人類健康和食品安全方面發(fā)揮著積極的作用。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；半雙重射頻識別標簽；紅外熱像儀；動物疾病

中圖分類號：S815.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2022）05-0023-04

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)濟后果，這種后果不僅會造成動物生產(chǎn)者的經(jīng)濟損失，而且對消費者而言，還會造成食品短缺和價格上漲。

非洲豬瘟（African swine fever，ASF）已經(jīng)嚴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，該病是在經(jīng)濟上對美國養(yǎng)豬業(yè)影響最大的豬病之一，每年給美國養(yǎng)豬業(yè)造成的損失估計為6.64億美元。

畜禽的人畜共患病也會嚴重影響人類的健康。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，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)境中放置和運行的小型、廉價的紅外攝像機。

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，并繪制出相機每個像素的溫度，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)分析和報告。

人們已經(jīng)為自動飼喂系統(tǒng)的單個動物和群養(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行，不需要處理動物，甚至不需要人進入豬舍，從而完全避免了令人困擾的應(yīng)激反應(yīng)。它們還可以進行大量測量，從而能夠更準確地定義與生物監(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，這是因為只需要豬群中某一頭豬表現(xiàn)出發(fā)熱反應(yīng)，該豬的體溫就可以成為最高溫度。

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

聚集行為是一個重要的指標，因為這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。

另一種方法是在個別動物訪問飼喂器或飲水器時自動捕獲它們的圖像。使用半雙重射頻識別標簽 （radio frequency identification tags，RFID）識別動物。當(dāng)豬進入飼喂系統(tǒng)時，RFID標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。

前文給出的例子都與檢測全身性疾病有關(guān)，但IRT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。

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。如果剩余溫度為負值，則動物正在保存熱量，這可能是感染的早期指標，因為它表明動物正在保存熱量以提高核心溫度，或產(chǎn)生發(fā)燒的發(fā)病機制。

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）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數(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。

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

相機設(shè)計、軟件開發(fā)、自動動物身份識別、云計算、機器學(xué)習(xí)和人工智能的進步目前正在融合，以促進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）