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

牛呼吸道疾病概述

BRD 是畜牧業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，一直持續到今天。僅考慮美國飼養場行業，BRD 造成的年度損失總計達 10 億美元。1

BRD是指導致牛呼吸道感染的疾病復合體。它特別難以控制，因為它可能由多種病原體引起。發病機制涉及許多因素，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，使細菌在上呼吸道迅速繁殖。

畜牧業經營者因 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，飼養場中的動物應該盡可能增加體重，每天 4 磅。當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會就是生產力的永久性損失。第三，照顧生病的動物會增加勞動力成本。最后，一些動物永遠不會從 BRD 中恢復過來。BRD 是美國飼養場中犢牛死亡率的主要原因。

美國飼養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 發病的原因是多方面的，盡管經過數十年的研究和動物福利的改善，養牛業仍無法減少 BRD 造成的損害。

監測牛的生命體征

為了改善動物福利并降低與動物死亡率和發病率相關的成本，該行業非常重視改進早期發病檢測。傳統上，該行業依賴于經驗豐富的筆騎手，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），則認為它患有 BRD。有很大的改進空間。

首先，使用嚴格的溫度閾值來診斷 BRD 忽略了每個動物具有不同標稱核心溫度的現實。40.5 °C 只是一大群牛的平均發燒溫度。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，也可能已經發燒。這與指導理解縱向和個性化健康監測為人類患者帶來更好的醫療保健的原則相同。

其次，盡管大多數飼養場經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，大多數被檢查的收獲牛的肺部都有病變，即患有嚴重的呼吸系統疾?。ú⒖祻停?，盡管大多數人從未接受過 BRD 治療。 事實上，一個有經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，能夠做出準確快速判斷的經驗豐富的手越來越少。2所有這些因素都為創建 BRD 的自動早發檢測系統提供了合理的論據。

由于固定的核心溫度閾值 40.5°C 一直是診斷 BRD 的黃金標準，因此已經有很多嘗試監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、測量耳道內的空氣溫度或鼓膜溫度、測量皮膚溫度以及應用熱成像來估計眼溫。這些方法要么具有非常低的數據可靠性，要么被證明與飼養場的工作流程不兼容（下一節將詳細介紹）。

研究 BRD 其他發病癥狀的獸醫研究人員偶然報告了從 BRD 不同階段的牛測量的SpO 2 。數據顯示，隨著疾病變得更加嚴重，平均值下降。3由于 BRD 是一種呼吸系統疾病，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，我們咨詢過的該領域的專家都同意 SpO 2應該是一種有價值的生物標志物。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先指標還是滯后指標。

用例和工作流程：牛健康監測

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

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

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

美國食品和藥物管理局 （FDA） 法規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。然而，包括耳朵在內的頭部不被視為可食用部分，在屠宰后被丟棄。事實上，耳標已經用于識別和追蹤飼養場動物。動物在飼養場的攝入過程中會被貼上標簽，標簽會一直留在動物身上，直到收獲。

BRD 在剛被運送到飼養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。一旦動物適應了飼養場，BRD 的風險就會顯著降低。然而，健康監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，該行業不僅對監測動物的 BRD 非常感興趣，而且對監測它們的整體健康和福利非常感興趣。

概念：智慧畜牧系統

鑒于飼養場的既定工作流程，智能牲畜系統（參見圖 1）可以通過提醒他們注意氧氣讀數已低于該特定動物的縱向標準的動物來幫助圍欄騎手。該系統將包括一個配備 SpO 2和其他傳感器的耳標。與可穿戴健身設備不同，耳標永久安裝在牛身上，因此每個耳標都將監控動物身上大致相同的位置，并減輕與設備日常佩戴方式相關的數據變化。即便如此，我們推測數據可能會隨著小牛的生長和毛發長度的變化而變化，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行跟蹤。

圖 1. 智能家畜監控系統示意圖。

耳標（圖 2）將收集傳感器數據，本地處理將提取包括 SpO 2在內的生物標志物。低功率無線電，例如基于 LoRa 的無線電，會將這些生物標記傳輸到基站，該基站可以方便地安置在飼養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志物數據，維護每只動物的縱向記錄，并在生物標志物明顯偏離標準時發出警報。生物標志物數據每天最多只需要生成一次評估，因此耳標可以在原電池上運行很長時間。

順便說一句，動物毛發對于光學生物傳感來說不是一個重大問題。頭發和組織一樣，是一種蛋白質，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，我們從小牛耳標中獲得的 PPG 信號中的灌注指數比從體型較小的人的健身手表中獲得的要好。

圖 3. 從牛耳標收集的 PPG 數據。

可穿戴原型測試可行性

在我們的檢查中，我們創建了一個模仿用于牛的商業標簽的耳標。該標簽包括一個光學 PPG，它使用帶有紅色和紅外 LED的MAX86141 模擬前端。由于光學 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簽移動時捕獲的任何 PPG 數據。

由于我們可行性研究的目標是找到一種可行的牛監測算法，因此我們將 PPG 設置為 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據存儲在標簽上的閃存中，并從我們的實驗中恢復標簽以進行批處理。這種方法避免了無線傳輸中數據丟失的任何復雜性。顯然，在任何生產部署中，我們都必須在耳標上運行我們的算法，并且只傳輸一小部分生物標記數據。

為了在使用壽命和耳標重量之間取得平衡，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。使用我們的數據采集方案（見下文），我們能夠運行耳標大約 10 天。

基本事實——及其困難

在創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。脈搏血氧儀設計用于臨床環境中的靜止患者，讀數通常作為快照而不是連續獲取。該團隊毫不畏懼地進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相關聯。

我們使用幾種不同的臨床級脈搏血氧儀進行讀數，目的是將我們的耳標傳感器校準到參考。當氧濃度高時，血氧儀的讀數相互一致，而當血氧水平下降到 90% 左右時，它們的結果卻大相徑庭。即使檢查動脈血的氧濃度也容易出現人為錯誤，從而導致顯著的重復性錯誤。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是檢測 BRD 的發作，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 AgriLife Extension 的研究人員密切合作進行了一系列實驗。通過一系列設計變更，我們在傳感器設計中試驗了 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。我們還通過測試我們在 3D 打印機上制作的一系列機械耳標設計來改進組織與光學傳感器的耦合。事實證明，3D 打印材料很脆弱，我們的耳標組件通常經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 團隊帶領我們按照著名的行業協議4設計了一個 BRD 挑戰實驗。該協議設置了兩組動物：一組用于控制，另一組用于挑戰。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。這些日常監測，尤其是任何瘤胃高溫事件（溫度升高），為我們提供了 BRD 發病的基本事實。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 作為我們的生物標志物，其中

SpO 2 ≈ a 0 + a 1 R + a 2 R 2

事實上，對于范數周圍的小偏差，SpO 2和 R 之間的關系大致是線性的：常數 a 1是一個負數。因此，當 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。從晚上 9 點開始，耳標每 40 分鐘收集 40 秒的 PPG 和加速度計數據。到早上 6 點 每天，直到它們被移除或移走。整個過程由 AgriLife 團隊處理。

結果

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

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

圖 4a/4b：牛耳標監測器的實驗結果，顯示匯總數據 （4a） 和動脈 SO 2 （4b）。

觀察和后續步驟

實驗表明，R 和推斷 SpO 2是 BRD 發病的可測量但較弱的指標。從生理上講，動物會盡其所能彌補缺氧。因此，如果在 BRD 發作期間呼吸功能受到影響，動物會增加呼吸頻率和心率，以防止血氧水平嚴重下降。只有隨著疾病的進展，肺部進一步受損，這些應對機制才會跟不上，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 ?監測飼喂行為為 BRD 挑戰研究提供了更強的信號。不幸的是，這兩種監控系統都不適合牛肉生產工作流程。

創建一個自動化系統來監測動物健康的嘗試仍在繼續。我們的可行性研究有一些自然的后續行動。

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

用靜息心率確定 SpO 2 （或 R） 。我們耳標上的光學傳感器還提供動物的心率。正如所討論的，當動物補償其受損的呼吸功能時，靜息心率應該增加。我們將不得不修改我們的數據收集協議，以便在打開我們的光學傳感器之前很久就捕獲加速度計數據，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，我們仍然可以針對預期的運動偽影改進我們的 R 生物標志物檢測算法。

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

自然 BRD 發作與挑戰。自然界中發生的 BRD 不遵循受控疾病挑戰的模式。因此，使用一系列挑戰研究開發的算法在生產飼養場設置中可能不那么有效。

這項研究得益于眾多學科的專家，包括動物科學、獸醫學、生物工程、光學設計、數據科學和算法，以及我們應用人員的奉獻精神。在一個吹捧使用大數據取得進展的時代，我們發現動物科學家和獸醫經常缺乏與我們的用例相關的現有數據。在我們的情況下，缺乏數據可能是由于不存在能夠持續收集活體動物縱向 SpO 2測量值的傳感器。之所以沒有開發出這種傳感器，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療保健。生物傳感器將繼續發揮更大的作用。激動人心的時刻即將到來！

審核編輯：郭婷