修豪宇,李迎軍,原開敏,汪 超,楊書含,呂麗華,王 棟*

(1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所,北京 100193;2.山西農業大學動物科學學院,太谷 030801;3.內蒙古自治區赤峰市敖漢旗四道灣子鎮黨群服務中心,赤峰 024328;4.吉林農業大學動物科學技術學院,長春 130118)

傳統養殖條件下進行母牛發情鑒定,飼養員每日需巡場3次以上,每次不低于30 min[1],養殖場需投入大量人力物力,不僅費時費力,并且奶牛發情類型[2]、發情強度[3-4]與持續時間[5-7]存在個體差異,受人力視聽及活動時空范圍等因素限制,通過人工觀察進行發情鑒定很容易漏檢。并且,發情鑒定工作量隨養殖規模的增加而增大,但鑒定效果卻因群體增大而降低。截至2020年底,全國百頭以上規模養殖場占比67.2%[8-10],使用傳統人工觀察進行發情鑒定已難以適應當前的奶牛養殖形勢[11]。隨著生物傳感器技術的快速發展,母牛行為以及生理參數可進行自動化采集分析,為研究這些參數的變化規律提供了便利[12]。基于傳感器建立的母牛發情鑒定自動化技術更加準確便捷[13-14]。

采用計步器發情鑒定實現了發情鑒定自動化,但受活動空間大小[15]、蹄病[16]、安靜發情[17]等因素影響較大,發情檢出率較低,而溫度傳感器揭示的生理性變化受上述因素影響較小,自動化發情鑒定效果更好[18]。基于溫度傳感器的自動化發情鑒定技術,可能會突破多年來一直困擾產業的安靜發情鑒定難這一世界難題,具有更大研發與應用潛能。但母牛全身被毛,非接觸式測溫效果不理想,而接觸式測溫可采集的部位有限,穿戴設備研發難度較大,并且,采集部位不同,監測到的牛只體溫數據也有所差別。為此,本文綜述了前人利用母牛軀體不同部位體溫數據進行的發情鑒定結果,比較分析了發情母牛各部位體溫變化及體溫變化規律與發情的關系,希望這些分析結果能夠促進后續母牛發情鑒定技術的研發,提高監測效果。

1 基于體溫的母牛發情自動化鑒定技術研發進展

人工發情檢測費時費力,對繁殖員發情鑒定技術要求較高,并且,因夜間發情無人值守還存在發情漏檢問題。面對越來越多、越來越大的技術與管理壓力,“用數據說話”實行科學管理已是產業發展必然趨勢。為此,很多基于活動量傳感器的發情監測設備被研發和全世界推廣應用,并催生了阿菲金、利拉伐等跨國公司,在發情鑒定方面取得了良好的效果。但是,活動量檢測卻無法突破安靜發情鑒定瓶頸,而體溫檢測卻展示了很好的安靜檢出效果[19]。利用溫度傳感器借助于互聯網的高效數據分析,基于母牛發情體溫變化規律[20-21],構建自動化發情鑒定技術有望突破安靜發情檢出瓶頸。目前,基于體溫的母牛發情鑒定自動化技術,根據設備與身體的接觸方式,可分為接觸式與非接觸式兩種[22]。

1.1 接觸式體溫監測

傳統使用水銀體溫計或電子測溫計進行直腸測溫,無法實現連續、自動監測,測溫時間長、費力,還易引起應激反應或造成損傷,更無法對牛群實行批量化體溫連續監測,遠不能滿足規模不斷擴大的現代養殖業發展需求。研發母牛體溫自動采集技術,并比較母牛不同部位體溫發情周期變化規律,是發情鑒定自動化技術研發的基礎。

隨著傳感器技術的不斷發展,人們將溫度傳感器與牛只的身體部位相接觸,依靠傳感器技術來獲取牛只的體溫信息,即通過電子元件的參數變化檢測溫度,實現體溫信息的自動化監測。田富洋等[23]將溫度監測探頭緊貼母牛后腿跟內側的皮膚上,連續采集5頭牛的體溫變化,其設計的監測系統和神經網絡辨識算法檢測母牛發情的準確率可達100%,發情預測率達到70%以上。Wang等[19]將溫度傳感器安裝于陰道栓內,對42頭牛進行連續陰道溫度監測,預測到39頭發情,其發情檢出率為92%。

接觸式設備的優點在于設備的溫度采集端直接與需要采集溫度數據的牛只軀體直接接觸,準確性高,且結構簡單,成本低,被各大養殖場廣泛使用。但是,接觸式設備與牛只的軀體直接接觸,佩戴設備會對母牛舒適度帶來影響。牛舍和運動場中污物相對較多,糞便和墊料的附著、堆積會對設備造成影響,由于設備長期暴露在較為惡劣的環境下,母牛日常活動對設備的碰撞、水分滲入、天氣變化等因素都會造成損壞,進而影響其使用壽命[10]。

1.2 非接觸式體溫監測

隨著溫度監測技術的不斷發展,非接觸式的體溫監測方法也逐漸運用到牛只體溫監測方面。非接觸式測溫主要以紅外熱成像技術(infrared thermography, IRT)為主。紅外熱成像技術的原理是基于物體發射紅外輻射的特性,根據物體的溫度差異來進行熱成像[24-26]。隨著熱成像技術的發展和熱紅外相機的廣泛應用,這種對母牛無損、無接觸的測溫方式,為體溫檢測研究提供了新的方向[27]。Hellebrand等[28]通過IRT發現,母牛排卵前24 h的體溫升高與發情的時間相吻合。Talukder 等[29]使用熱成像儀連續2個月對20頭健康母牛的陰道、鼻鏡溫度進行檢測,監測發情檢出率為92%。

紅外熱成像技術的優點在于設備安裝方便,僅需少量設備即可實現對牛群的體溫監測,同時,監測母牛體溫時不需接觸,可以避免動物受到驚嚇,也減少了傳染疾病的風險。但是,動物身上沾染的墊料、泥污或糞便等污物可能會對需要監測的部位進行遮擋,影響設備對該部位的熱輻射采集,降低數據監測的準確性,同時,監測設備與牛只之間角度和距離的變化也會對溫度判斷產生影響[30]。而且,相較于接觸式體溫監測設備,外界環境的溫度以及濕度變化會對熱紅外相機的數據搜集準確性產生較大的影響[31]。

2 母牛發情時不同部位溫度變化

2.1 直腸溫度監測與發情鑒定

因為直腸接近深部組織,溫度相對穩定且容易測定,所以,直腸溫度成為最常用的家畜核心體溫(core body temperature,CBT)評價指標[32],廣泛用于大家畜體溫監測。

葛利江等[33]使用溫度計對22頭發情母牛早中晚各一次測量直腸溫度發現,母牛發情時直腸溫度升高到39.2 ℃,比發情前后直腸溫度平均高0.52 ℃(P<0.01),持續1 d后逐漸下降,接近排卵時達最低值(38.50 ℃),隨后逐漸上升到(38.70±0.20)℃,并持續到下個發情期前。Piccione等[34]使用水銀溫度計每日兩次(早晨8:00,傍晚17:00)監測母牛發情期間直腸溫度,同時提出了一個進行發情預測的計算方法,將過去5 d母牛早晨平均體溫與當日早晨體溫進行對比,如果當日體溫超過前5 d平均值3個標準差,則第2天牛只發情,使用此方法,該團隊在41次發情中32次正確預測了母牛發情,檢出率為78%。Liles等[35]發現,母牛定時輸精時,直腸溫度與妊娠結果呈正相關(P<0.000 1),直腸溫度每增加1 ℃,妊娠率增加1.9倍。Reuter等[36]設計了可佩戴在牛只尾根處的支架,搭載熱敏傳感器溫度監測設備,可連續監測牛只直腸溫度,但由于造價昂貴且會造成牛只不適,后續并未廣泛應用。Suthar等[37]將溫度傳感器置于陰道栓內,將牛只麻醉后放入直腸中,實現了對直腸溫度的連續記錄。但是,該方法的操作要求較高,且無法長時間、大批量地進行牛群體溫監測。李淦[38]對45頭高產荷斯坦奶牛呼吸頻率及直腸溫度進行測量分析發現,平均呼吸速率(mean respiration rate,MRR)與平均直腸溫度(mean rectal temperature,MRT)高度相關,且MRT=0.021×MRR+37.6(R2=0.925),這表明MRR每增加4.8 bpm,MRT就會增加0.1 ℃。相較于直腸溫度無法連續穩定監測,呼吸頻率則可長時間監測且不影響牛只日常活動,該設備已初見雛形,但并沒有對母牛發情期間呼吸頻率變化的研究,或許利用二者之間的相互聯系可以尋找出新的發情鑒定指標。

2.2 陰道溫度監測與發情鑒定

監測陰道溫度為母牛發情鑒定技術提供了重要技術支撐。Wang等[19]研究發現,陰道溫度在發情前逐漸升高,發情結束前4 h達到峰值,而后逐漸恢復至正常水平。對不同季節母牛間情期體溫變化規律研究發現,夏季陰道溫度((39.13±0.51)℃)顯著高于秋季((38.68±0.19)℃)以及冬季((38.71±0.25)℃)(P<0.05),同時,自然發情母牛陰道溫度顯著高于同期發情牛((38.92±0.44)℃vs.(38.63±0.19)℃,P<0.05)[21]。有研究發現,當陰道溫度較前1 d同期升高0.30 ℃,且持續升高3 h以上時,可判定母牛發情,發情時體溫最早升高0.30 ℃前的溫度采集時間點記為發情開始,當兩個連續時間點溫度變化小于0.30 ℃時,應記為發情結束[39-41]。Higaki 等[42]使用可穿戴式無線傳感器設備連續監測17頭牛發情周期陰道溫度,并開發發情檢測模型,結果表明,使用人工神經網絡(artificial neural network,ANN)具有最佳檢測性能,檢出率為94.1%,靈敏度、精確率為94%。Gavan和Riza[40]將溫度傳感器安裝到陰道栓(controlled internal drug release,CIDR)中進行陰道溫度連續監測,并同時佩戴計步器記錄發情期間活動量數據,發現前列腺素(prostaglandin,PG)同期發情處理母牛,發情檢出率高于活動量數據檢出結果(96.9%vs.82.7%)。

相對于直腸溫度監測,陰道溫度采集設備可長時間監測母牛陰道溫度變化。但是,使用陰道溫度監測設備會造成母牛不適感,并且設備容易排出,供電以及維修問題也難以解決。因此,設計與研發更符合母牛陰道生理結構的設備外形,或采用其他檢測陰道溫度的方法,是未來亟待解決的問題。

2.3 瘤胃溫度監測與發情鑒定

瘤胃溫度也被用于母牛發情時體溫監測[32,43]。Andrade等[44]通過瘤胃丸連續監測母牛發情期間瘤胃溫度變化,發現發情前1 d瘤胃溫度為(39.30±0.05)℃,發情當天為(39.37±0.04)℃,發情后1 d溫度為(39.17±0.05)℃,發情前1 d與后1 d的瘤胃平均溫度差為0.13 ℃,發情當天與發情后1 d的平均溫度差為0.20 ℃,檢測到的溫度變化比陰道溫度監測結果小。Kim等[45]對比間情期與發情期間母牛瘤胃溫度發現,發情期瘤胃平均溫度升高0.13 ℃;發情期與間情期瘤胃最低溫度無顯著差異(34.60 ℃ vs 34.70 ℃,P>0.05),但發情期最高瘤胃溫度(39.91 ℃)比休情期(39.67 ℃)高0.24 ℃(P=0.03)。Cooper-Prado等[46]發現,在發情后的0～8 h內,瘤胃平均溫度((38.98±0.09)℃)高于發情前1 d((38.37±0.11)℃)和發情后1 d((38.30±0.09)℃)的相同時間段(P<0.001)。一般認為,由于微生物發酵產熱,瘤胃溫度通常比其他部位高約0.5 ℃[47],而飲水會導致瘤胃溫度較大波動[48-50]。或許,利用這種瞬時數據波動統計母牛發情期間的飲水次數變化,可能會提高牛只發情鑒定率。對瘤胃溫度的深入研究或許能促進發情檢出效率進一步提升。

2.4 眼部溫度監測與發情鑒定

母牛發情時,可觀察到興奮不安,兩眼充血現象[51],而充血則代表血流量增加,溫度升高。研究發現,牛眼部與直腸及陰道溫度呈中度相關(r=0.52,r=0.58)[52],意味著眼部溫度或許可用以指示母牛CBT。眼睛不適合接觸式體溫測量,但可通過IRT進行監測[53-55]。Vicentini等[56]對57頭同期發情母牛眼部(眼球區,淚小管區)進行IRT監測發現,發情前36～24 h,眼球區溫度由38.10 ℃下降到37.40 ℃,淚小管區由39.10 ℃下降到37.60 ℃,溫度明顯下降(P<0.05);在發情前24～12 h,眼球區由37.40 ℃上升到38.20 ℃,淚小管區由37.60 ℃上升到38.70 ℃,溫度明顯上升(P<0.05);在發情前12 h到發情后12 h,中眼球區(38.20 ℃)和淚小管區(38.70 ℃)溫度相對穩定,總體溫度變化呈現出先下降后上升,隨后保持平穩的趨勢。王禎[57]通過紅外熱像儀采集10頭自然發情泌乳牛眼部與外陰溫度,分別利用 Logistic 模型與SVM模型建立母牛發情識別模型,結果表明:以眼部和外陰處最高溫度為輸入量,基于Logistic模型發情檢出率為82.37%,基于SVM模型發情檢出率為81.42%。雖然IRT對牛只無應激,但受場內環境、母牛體毛、設備所放位置等因素影響,且不能實現自動化和實時監測[32],對該技術的研發還有待完善。

2.5 耳部溫度監測與發情鑒定

溫度傳感器還被集成在母牛耳標中進行發情監測。Stevenson[58]監測母牛發情期間耳表溫度發現,發情前2 d((25.58±0.30)℃)、1 d((25.69±0.30)℃)以及發情后1 d((25.43±0.30)℃)均高于發情當天((25.00±0.30)℃),且差異極顯著(P<0.001),統計發現,發情前24 h,耳表溫度降低了1.7%(P<0.05),同時,發情當天低產奶牛(產奶量≤46 kg)耳表溫度((25.20±0.50)℃)比高產奶牛(產奶量>46 kg)耳表溫度((26.60±0.50)℃)低,但沒有監測到妊娠及胎次與耳表溫度的相關性。Randi等[15]使用熱敏探頭耳標監測44頭同期發情母牛耳道溫度發現,發情前2 d到發情后2 d期間呈現先升高后降低趨勢,并且,在發情開始前48 h觀察到最低溫度(37.93 ℃),牛只發情持續時間(16.00±5.67) h,從發情開始到排卵平均時間間隔為(27.90±7.68) h。兩個團隊觀察到不同溫度變化規律,主要原因是耳部溫度采集位置不同,Reynolds等[59]所采用的溫度采集位于牛只耳郭中心位置[60],耳表溫度與環境溫度相關性較高(r=0.99)[58],而Randi等[15]則沿耳道向里貼近鼓膜處,相較于耳郭,耳鼓膜離體軀更近,受外環境影響更小,所以,檢測結果也更接近軀體溫度。母牛發情時,活動量升高,代謝旺盛,血液流動加快,導致溫度升高,耳郭處溫度下降,可能是耳廓兩側向外界的輻射以及與外界的傳導、對流熱交換較強,汗液蒸發使耳郭降溫更多所致。進行耳部溫度監測時,需要借助耳標將傳感器固定在牛只耳部,佩戴時應進行消毒處理,防止傷口感染發炎,而且,耳部神經分布多而廣,異物感是否影響母牛健康等問題,也應認真考慮,耳部作為母牛發情溫度監測部位還要進行深入研究。

3 小 結

不同軀體部位體溫差異很大,發情監測結果同樣差異很大,甚至耳部不同位置發情期間溫度監測結果呈現相反的變化趨勢。不同部位母牛發情期間溫度監測結果差異,可能主要取決于生殖系統的生理變化,比如雌孕激素水平的變化以及軀體各部位器官功能狀態的變化、生殖道的充血腫脹等;也受神經、免疫系統等不同程度的調節,軀體不同部位和器官的功能狀態還因功能不同影響到血流速度和溫度,各器官、部位的溫度變化可能會表現出一定差異性,并影響到發情鑒定結果和效果。

就目前的母牛體溫監測技術而言,直腸位置沒有很好的連續溫度監測手段,瘤胃內溫度因牛只進食飲水有劇烈變化,眼睛處目前無法實現批量化監測,耳部溫度因所選位置不同會有相反的監測結果。在母牛軀體的各個部位中,最直接,也是最有效反映牛只發情期間體溫變化的部位是陰道。陰道在牛只發情期間可以明顯反映出牛只體溫的變化規律,并且可以批量化對牛群體溫進行監測。但是該部位的特殊生理構造對接觸式體溫監測設備有著較高的要求,設備不但要小巧舒適不會對奶牛造成傷害,并且要安裝牢固不掉出,而非接觸式的溫度監測方法中使用的設備成本較高,并且對操作人員有較高的技術要求,在我國的推廣度不高。在今后的研究中如何對陰道溫度更好的監測是一個值得研究的問題。

除了本文敘述的幾個常見部位之外,還有團隊對牛尾腹部[61]、后腿跟內側的皮膚[23]、脖子[62]、腹部皮下[63]等位置進行了溫度監測。但是,由于其所選位置因為設備固定難度較大,設備會給牛只帶來較大的不適感,數據采集準確性較低等原因,這些監測部位并沒有在后續推廣開。隨著傳感器技術以及IRT的不斷發展,母牛的蹄殼、背脊、腹部、腸道等部位在未來或許也可以作為指示牛只發情的溫度變化來源。因此,需要深入研究不同部位體溫變化機制與規律以及與母牛發情行為的相關性,為獲得更高效自動化發情鑒定效果提供重要技術支撐,促進畜牧業向精準化、現代化、信息化、智能化發展。