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(lái)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)施注意事項(xiàng)并評(píng)論了傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。這篇文章說(shuō)明了之前討論的概念，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)它們對(duì)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(kāi)始，一直持續(xù)到今天。僅考慮美國(guó)飼養(yǎng)場(chǎng)行業(yè)，BRD 造成的年度損失總計(jì)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?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(chóng)感染，它們會(huì)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(yíng)者因 BRD 遭受多種損失。首先，治療生病的動(dòng)物是有成本的，其中一些需要不止一個(gè)療程的藥物。其次，飼養(yǎng)場(chǎng)中的動(dòng)物應(yīng)該盡可能增加體重，每天 4 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(guò)的增加體重的機(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，一些動(dòng)物永遠(yuǎn)不會(huì)從 BRD 中恢復(fù)過(guò)來(lái)。BRD 是美國(guó)飼養(yǎng)場(chǎng)中犢牛死亡率的主要原因。

美國(guó)飼養(yǎng)場(chǎng)的牛只占全球牛群的一小部分。美國(guó)牧場(chǎng)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(guò)數(shù)十年的研究和動(dòng)物福利的改善，養(yǎng)牛業(yè)仍無(wú)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)非常重視改進(jìn)早期發(fā)病檢測(cè)。傳統(tǒng)上，該行業(yè)依賴(lài)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，并因此測(cè)試它們的溫度。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。有很大的改進(jìn)空間。

首先，使用嚴(yán)格的溫度閾值來(lái)診斷 BRD 忽略了每個(gè)動(dòng)物具有不同標(biāo)稱(chēng)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。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(gè)性化健康監(jiān)測(cè)為人類(lèi)患者帶來(lái)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(yíng)者對(duì)他們的圍欄騎手的能力充滿(mǎn)信心，但研究人員報(bào)告說(shuō)，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)疾病（并康復(fù)），盡管大多數(shù)人從未接受過(guò) 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)物只需要不到兩分鐘的時(shí)間就能引起騎手的注意。此外，由于處理和測(cè)試可能生病的動(dòng)物所需的勞動(dòng)力成本，騎手被訓(xùn)練在假陰性上犯錯(cuò)。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(lái)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)有很多嘗試監(jiān)測(cè)每頭奶牛頭部的溫度。這些嘗試包括使用攝入的丸劑測(cè)量瘤胃遙測(cè)溫度、測(cè)量耳道內(nèi)的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(lái)估計(jì)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(chǎng)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(bào)告了從 BRD 不同階段的牛測(cè)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(huì)下降是有道理的，因?yàn)楹粑栏腥緯?huì)影響氧氣攝入量。事實(shí)上，我們咨詢(xún)過(guò)的該領(lǐng)域的專(zhuān)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，也很明顯，沒(méi)有通過(guò) BRD 感染過(guò)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(cè)

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

當(dāng)牛被放入溜槽時(shí)，耳標(biāo)會(huì)附在牛身上。圈養(yǎng)動(dòng)物以將它們通過(guò)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)逗留期間僅執(zhí)行幾次 - 特別是在采食期間和在收獲前對(duì)動(dòng)物進(jìn)行分類(lèi)時(shí)。

筆騎手平均每天檢查一次動(dòng)物。動(dòng)物在喂養(yǎng)過(guò)程中可能會(huì)受到一些關(guān)注，但該過(guò)程在大型飼養(yǎng)場(chǎng)中是半自動(dòng)化的。

美國(guó)食品和藥物管理局 （FDA） 法規(guī)要求從動(dòng)物尸體中取出異物，例如胃中的溫度測(cè)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(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)的攝入過(guò)程中會(huì)被貼上標(biāo)簽，標(biāo)簽會(huì)一直留在動(dòng)物身上，直到收獲。

BRD 在剛被運(yùn)送到飼養(yǎng)場(chǎng)的小牛身上最為普遍。這種情況非常普遍，以至于 BRD 也被稱(chēng)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，健康監(jiān)測(cè)的價(jià)值并沒(méi)有完全消失，因?yàn)閯?dòng)物的死亡率會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。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非常感興趣。

概念：智慧畜牧系統(tǒng)

鑒于飼養(yǎng)場(chǎng)的既定工作流程，智能牲畜系統(tǒng)（參見(jiàn)圖 1）可以通過(guò)提醒他們注意氧氣讀數(shù)已低于該特定動(dòng)物的縱向標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)物來(lái)幫助圍欄騎手。該系統(tǒng)將包括一個(gè)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(gè)耳標(biāo)都將監(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)隨著小牛的生長(zhǎng)和毛發(fā)長(zhǎng)度的變化而變化，但我們推測(cè)這種變化是緩慢的，并且可以通過(guò)智能基線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電，例如基于 LoRa 的無(wú)線(xiàn)電，會(huì)將這些生物標(biāo)記傳輸?shù)交荆摶究梢苑奖愕匕仓迷陲曫B(yǎng)場(chǎng)的辦公室或安裝在飼料運(yùn)輸卡車(chē)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)每天最多只需要生成一次評(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(shuō)一句，動(dòng)物毛發(fā)對(duì)于光學(xué)生物傳感來(lái)說(shuō)不是一個(gè)重大問(wèn)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 到 400 磅的小牛犢中，我們從小牛耳標(biāo)中獲得的 PPG 信號(hào)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(cè)試可行性

在我們的檢查中，我們創(chuàng)建了一個(gè)模仿用于牛的商業(yè)標(biāo)簽的耳標(biāo)。該標(biāo)簽包括一個(gè)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(cè)量容易受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響，因此我們包括了一個(gè)加速度計(jì)，因此我們可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)并拒絕在標(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 的采樣率。牛的心率平均低于 84bpm，與人類(lèi)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(lái)自 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，并從我們的實(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(wú)線(xiàn)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(yùn)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(méi)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。使用我們的數(shù)據(jù)采集方案（見(jiàn)下文），我們能夠運(yùn)行耳標(biāo)大約 10 天。

基本事實(shí)——及其困難

在創(chuàng)建傳感器以具有參考或基本事實(shí)時(shí)，這一點(diǎn)很重要。然而，獲得牛的 SpO 2的基本事實(shí)是困難的。脈搏血氧儀設(shè)計(jì)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(duì)毫不畏懼地進(jìn)行了脈搏血氧儀測(cè)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(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)到參考。當(dāng)氧濃度高時(shí)，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(shí)，它們的結(jié)果卻大相徑庭。即使檢查動(dòng)脈血的氧濃度也容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致顯著的重復(fù)性錯(cuò)誤。我們建立基本事實(shí)的第一次嘗試失敗了。

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(lái)控制動(dòng)物何時(shí)被感染，則有既定程序可以確定受感染動(dòng)物何時(shí)生病，而無(wú)需知道動(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(guò)一系列設(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(guò)測(cè)試我們?cè)?3D 打印機(jī)上制作的一系列機(jī)械耳標(biāo)設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)組織與光學(xué)傳感器的耦合。事實(shí)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(zhǎng)時(shí)間佩戴的粗暴處理。最后一個(gè)缺陷一直困擾著我們的實(shí)驗(yàn)，但我們相信它可以通過(guò)放棄使用 3D 打印來(lái)輕松解決。盡管如此，

AgriLife 團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)我們按照著名的行業(yè)協(xié)議4設(shè)計(jì)了一個(gè) BRD 挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)。該協(xié)議設(shè)置了兩組動(dòng)物：一組用于控制，另一組用于挑戰(zhàn)。給受攻擊的動(dòng)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?xún)?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(duì)照動(dòng)物。監(jiān)測(cè)兩組的瘤胃溫度和攝食行為，并目視評(píng)估疾病的臨床癥狀。這些日常監(jiān)測(cè)，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(shí)。為了更好地衡量，我們還在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從動(dòng)物的耳朵中采集了幾次動(dòng)脈和靜脈血樣本。

我們監(jiān)測(cè)了與已知?jiǎng)游锝】禃r(shí)的基線(xiàn)相比的SpO 2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

SpO 2 ≈ a 0 + a 1 R + a 2 R 2

事實(shí)上，對(duì)于范數(shù)周?chē)男∑睿琒pO 2和 R 之間的關(guān)系大致是線(xiàn)性的：常數(shù) a 1是一個(gè)負(fù)數(shù)。因此，當(dāng) SpO 2下降時(shí)，R 會(huì)增加。

我們花時(shí)間為我們的參考、瘤胃溫度和每只動(dòng)物的攝食行為建立基線(xiàn)。在我們使用 BHV-1 的前一天，我們安裝了耳標(biāo)。從晚上 9 點(diǎn)開(kāi)始，耳標(biāo)每 40 分鐘收集 40 秒的 PPG 和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。到早上 6 點(diǎn) 每天，直到它們被移除或移走。整個(gè)過(guò)程由 AgriLife 團(tuán)隊(duì)處理。

結(jié)果

許多耳標(biāo)被證明太脆弱，無(wú)法承受動(dòng)物的粗暴對(duì)待。因此，很大一部分傳感器被破壞，無(wú)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）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(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)境條件的變化并沒(méi)有影響我們的生物標(biāo)志物。

圖 4a/4b：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 SO 2 （4b）。

觀察和后續(xù)步驟

實(shí)驗(yàn)表明，R 和推斷 SpO 2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)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(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，肺部進(jìn)一步受損，這些應(yīng)對(duì)機(jī)制才會(huì)跟不上，血氧水平會(huì)急劇下降。因此，通過(guò)推注測(cè)量瘤胃溫度或使用 GrowSafe Systems ?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)控系統(tǒng)都不適合牛肉生產(chǎn)工作流程。

創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)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)。

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(cè) BRD 容易受到錯(cuò)誤觸發(fā)的影響。雖然來(lái)自 R 的信號(hào)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(dòng)）結(jié)合起來(lái)可能會(huì)提供更可靠的預(yù)測(cè)

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(dòng)物的心率。正如所討論的，當(dāng)動(dòng)物補(bǔ)償其受損的呼吸功能時(shí)，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(kāi)我們的光學(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。

改善運(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。

研究更多的人口。每只動(dòng)物對(duì)疾病的反應(yīng)都不同。我們需要來(lái)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(yàn)證任何適應(yīng)變化的健康監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)的算法在生產(chǎn)飼養(yǎng)場(chǎng)設(shè)置中可能不那么有效。

這項(xiàng)研究得益于眾多學(xué)科的專(zhuān)家，包括動(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，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)取得進(jìn)展的時(shí)代，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)物縱向 SpO 2測(cè)量值的傳感器。之所以沒(méi)有開(kāi)發(fā)出這種傳感器，是因?yàn)樵谶@群不同的專(zhuān)家開(kāi)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(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，不僅致力于檢測(cè) BRD，還致力于檢測(cè)膨脹和壓力等問(wèn)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(lèi)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)刻即將到來(lái)！

審核編輯：郭婷