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智慧養牛科技:乳牛健康一把罩─紅外線體溫感測

利用非侵入式的紅外線熱像儀掃描牛隻頭部眼睛周圍、蹄部蹄冠帶與牛隻乳房等,可減少牛隻的緊迫感,且使乳牛的健康管理更為精準。
 
 
 
什麼是紅外線

紅外線是一種肉眼看不到的電磁波,依其波長和產生的輻射源可區分為:近紅外線750~1,500奈米;中紅外線1,500~4,000奈米和遠紅外線4,000~1,000,000奈米。

日常生活中所看到的太陽光,有一部分是人類肉眼可見的,但超過這區間的波長,肉眼就看不到了,這部分就稱為不可見光,如加熱的微波爐,電視或收音機廣播所產生的無線電波,都是電磁波的一部分,也都屬於不可見光。日常生活常見的物體,無論是冰塊、書本或是熱水,只要表面溫度高於絕對零度(攝氏零下273度),就會發射出熱輻射的電磁波,當中就包含了上述的紅外線,而且隨著物體的溫度不同,紅外線的波譜分布也會不同。

紅外線熱像儀

紅外線熱像儀是一種運用光電技術偵測物體發射出的熱輻射訊號,並把它轉換成可辨識影像圖形的儀器,而待測物體所發射的熱輻射,其強弱與頻率會決定成像品質的好壞。

一般熱紅外線的波長是3~15微米,在這波段內的電磁輻射主要來自物體本身的熱輻射,換句話說,熱像儀輸出的影像就表現了物體表面各點等效溫度的分布狀況。舉個例子,人的體溫約為攝氏36度,因此偵測到的熱輻射紅外線分布會在波長9.4微米處有最大的強度,惟若待測物的溫度改變,得到的紅外線波譜也會不同。

物體表面所發射的熱輻射在到達熱像儀前,得先穿過大氣,但因大氣中的氣體分子和微粒,如雨、雪、煙、霧等懸浮物,會將其吸收或使之散射,造成紅外線強度衰減,其中尤以地表附近的水氣、二氧化碳、臭氧對紅外線輻射造成的衰減程度最大。

依理論,物質所發出的熱輻射波長與溫度成反比,也就是當溫度愈高時,波長愈短。一般在室溫(約攝氏27度)環境下,熱輻射的中心波長會位於10微米左右,且分布範圍從5.5微米至23微米不等,唯當溫度提高至攝氏200度時,中心波長會移至7微米上下。因此理論上使用熱像儀器量測位於室溫或略高於室溫的物質時,只要能接收3~12微米區間的紅外線,便可產生熱影像。在實際應用上,5~8微米的區域因容易受水氣吸收的干擾,所以熱像儀設計上只採用3~5微米或8~14微米兩波段做為分析光源。

紅外線熱像儀輸出資料中包含實際的彩色圖及熱像圖,使用者可應用分析軟體(例如TAS熱像分析軟體)計算物體表面的實際溫度。此外,可得知物體表面各部位特定點的溫度或特定區域的平均溫度,並獲得最大及最小溫度值。紅外線熱像儀常用黑色代表低溫,白色表示高溫,為了讓使用者更了解冷熱分布情況,通常會把黑白之間加以套色,稱為虛擬顏色,使灰階程度由白至黑漸層改成紅至藍漸層,以便凸顯冷熱點位置之間的差異。

監控乳牛健康

偵測乳牛體溫 乳牛是恆溫動物,體溫約攝氏38.6度,因乳牛本身有體溫調節機制,不受外界溫度左右,但若因特殊原因傳染了疾病或病痛時,體溫會敏感地升高,尤以超過正常體溫3度以上,又歷時稍久時,甚至會導致死亡。乳牛體溫測定一般都由肛門插入體溫計,所測得的體溫稱為直腸溫度,測量相當費時費力,因此雖然是乳牛健康最重要的指標,但仍缺乏這些資料。

台灣氣候高熱高溼,容易助長牛舍中微生物侵襲牛隻的機會,常使牛隻致病,如流行熱、乳房炎、蹄病、生殖道發炎等,全身或局部體溫會上升至攝氏39度以上。但飼養人員若未量取直腸溫度,並不易發現乳牛已生病,直到牛隻表現出不採食、行動不便、乳量減少時才發現。這時病情已惡化,再量體溫也很高了,後果就是:牛隻治療成本的增加或被淘汰甚至死亡,使飼主遭受重大的損失。

有鑑於此,新竹分所嘗試利用紅外線熱像儀對52頭荷蘭乳牛(29頭泌乳牛與23頭乾乳牛)進行體溫測試。在牛隻採食時,從距離牛隻2公尺處照射牛隻側面全身,並於近距約0.5公尺處照射牛隻頭部,同時以體溫計測量牛隻當時的直腸溫度。

結果發現,以體溫計測量的牛隻直腸平均溫度是攝氏38.6度。以紅外線熱像儀測量牛隻不同部位的體表溫度則不盡相同,在牛隻的前胸、三角窩、臀部等部位的平均溫度分別是攝氏34.2度、34.8度及35.2度。此外,近距離掃描牛隻頭部所得的熱像圖,分析其眼睛周圍平均溫度是攝氏38.1度,與直腸溫度最為相近。

從以上的測試結果可以發現,利用紅外線熱像儀掃描牛隻頭部,得到眼睛周圍的溫度應可以代表牛隻的直腸溫度,可考慮發展為一種非侵入性牛隻體溫的檢測工具,用於早期且快速精準地監測乳牛體溫變化,做為其健康或疾病徵兆的管理防治措施。

監控乳牛蹄部健康 台灣乳牛業者普遍受到3種主要牛隻疾病的困擾,分別是乳房炎、蹄病與繁殖障礙。台灣屬溼熱氣候,若牛隻是密集飼養,再加上營養不均衡、畜舍不良,乳牛群蹄病的比率會偏高。蹄部問題會對牛隻造成不良的影響且不易復原,在惡性循環下,可能使乳牛因蹄部的劇烈疼痛減少其走到餵料槽採食的次數,直接影響產能。

再者,牛隻跛足後會影響其發情駕乘的行為,導致發情不明顯而未被發現,錯失了配種適期,因而延長母牛分娩到第一次配種時間、空胎期,以及產生比一般正常牛隻高8.4倍的淘汰風險。牛隻跛腳會造成牧場很大的經濟損失,治療費用也是最明顯的花費。此外,因額外的勞動成本支出,會降低員工的工作效率,甚至衍生出產乳量減少與繁殖力變差的問題。

患有急性蹄葉炎的牛隻體溫會升高、食欲及泌乳量降低、不願行走,站立時背部拱起且站姿異常。在徵狀初期,其站立姿勢和行動與平常無異,因此較難發覺,通常要到削蹄時才會發現。有學者注意到,若是牛隻腿部有發炎、損傷等情況,會造成特定部位的血流量改變,導致淺表面的溫度改變。由於紅外線熱像儀可用以偵測表面溫度,或許可用來預防牛隻腿蹄的病變。

在國外,熱像圖的應用不只當作分析工具,甚至已經成為牧場管理的例行工作。自2000年開始,便有文獻探討利用紅外線熱像儀做為腿蹄是否健康的評估工具。透過熱像圖固然可得知跛行牛隻腿蹄部位因發炎或受傷所致的變化,但是紅外線熱影像儀的精準度會受到外在環境及操作程序很大的影響,因此應特別注意外在環境的控制與標準化程序操作。

臨床應用—健康牛隻的前腳與後腳的溫度是不同的,一般而言,後腳的溫度較高,又以後腳外側溫度高於其他部位,至於前腳各部位的溫度則沒有太大的差異。蹄部表面溫度大多採取在蹄冠帶與周圍皮膚表面區域的溫度,其原因有3點:蹄冠帶布滿血管,若腿蹄產生發炎反應或有損傷,監測這部位的溫度變化可充分反映蹄部血液循環的情況,得以了解腿蹄的健康狀態;偵測這部位的溫度變化有快速、減少牛隻接觸、降低牛隻緊迫感等優點;這區域毛髮覆蓋較少,溫度偵測的誤差較低。

最近有學者表示,熱像儀可偵測足部病變所造成的溫度變化,但還無法精準辨識是何種足部病變。Stokes等人提出紅外線熱像儀可以辨識蹄部因出血性病變所造成的溫度上升,後腿足底最高溫度的變化也可代表部分足部病變,若溫度達攝氏27度,就表示足部可能有病變發生,例如趾間炎。另有研究團隊指出,若是牛隻罹患口蹄疫,腿部溫度有上升的情況(主要是蹄冠帶周圍),利用紅外線熱線儀測定其溫度可升至攝氏34.4度,並認為紅外線熱線儀可做為臨床偵測的工具。

上述情況可能是由於足部病變引發發炎反應,特定部位的血流量增加,導致局部表面溫度上升,使紅外線熱像儀偵測到溫度變化。在監控治療後蹄部修復情況方面,若連續觀察蹄部接受治療的牛隻6個星期,其足部平均溫度明顯下降,或許是由於發炎反應下降所造成的。從以上試驗,有人建議可用多重掃描熱影像搭配健康與足部病變牛隻蹄部之間的溫度比較,做為牛隻蹄部是否異常的參考,並做為監控牛隻蹄部健康的輔助工具。

腿蹄日常管理—乳牛削蹄是腿蹄例行性的重要管理項目之一,牛隻藉由削蹄來維持蹄部外側及內側的受力平衡,減少不必要的病變發生。同時在削蹄的過程中,可檢視蹄部健康,判斷是否需要進行必要的治療。Oikonomou等人的報告中顯示,後肢外側潰瘍部位的趾枕厚度與削蹄後蹄底溫度之間具關聯性,兩者間呈現負相關,而蹄底溫度與運動評分具正相關(運動評分是1~5分,1分表示健康腿蹄,5分表示腿蹄具嚴重病變)。

另外有學者利用紅外線熱像儀偵測削蹄前後蹄冠帶與表面皮膚溫度的變化,發現削蹄前後肢外側溫度明顯高於內側溫度,但在前肢則沒有這種現象。削蹄後,後肢蹄部因承受的壓力減輕,經由紅外線熱像儀偵測發現,後肢外側溫度與內側溫度差異變小。在例行性削蹄過程中,搭配由紅外線熱像儀偵測削蹄前後的後肢蹄部溫度變化,應可有效了解蹄部當下的健康狀況。

檢視乳牛乳房健康 乳房是乳牛重要的生產器官,乳牛如發生乳房炎便失去生產能力。乳房炎發生的原因相當複雜,有可能是乳牛的乳腺受到病原體侵入,而使一個分房或多個分房的乳腺產生物理、化學和病理的變化。乳房炎外觀特徵是乳房紅腫、發熱、疼痛或壞疽等症狀,嚴重時會體溫上升、呼吸加快、脈搏增加,甚至死亡等。罹患乳房炎的牛隻所產生的牛乳,其中的體細胞數會上升,對乳品的安全有不良的影響,會造成一定的經濟損失。

有學者研究發現,若乳牛的乳房受到微生物感染,受感染的乳房局部表面溫度會升高約1~1.5度,甚至會高2~3度。Polat等人在牛站立時,把牛尾巴舉起,紅外線熱像儀從距離乳房0.5米處開始掃描各分房,結果顯示紅外線熱像儀的精準度與加州乳房炎檢測(另一種檢測乳房炎的方法)的結果沒有太大的差異,因此建議利用紅外線熱像儀偵測牛隻是否罹患乳房炎具有可行性。

有趣的是,有學者利用紅外線熱像儀偵測罹患乳房炎牛隻的乳房溫度,發現其溫度低於一般牛隻的乳房溫度。對於這個現象,學者認為是由於分泌乳汁的乳泡上皮細胞受到不同程度的感染,若乳泡上皮細胞受損,導致其病變、萎縮,減少流經的血流量,會使溫度下降。換句話說,這些在溫度上差異的結果,可能是因乳房組織處在不同的感染階段所導致的。一般情況下,組織受到感染,晚期感染階段受損組織多處在修復的過程中,發炎反應沒有初期感染來得強烈,這或許是造成上述不同溫度結果的原因。

紅外線熱像儀的精準度

紅外線熱像儀是一種對熱變化非常敏感的工具,相對地容易受外界環境的干擾而產生不同的結果,因此使用紅外線熱像儀時,應在相同的環境條件下進行溫度比較才有意義。會影響紅外線熱像儀偵測結果的因素有,溫度、通風、陽光、溼度、牛隻毛髮長度、厚度、熱像儀鏡頭、腿蹄距離等。

使用熱像儀時,建議在沒有陽光照射、無風的室內進行,以減少外在環境因素的干擾。再者,牛隻腿蹄應乾淨且乾燥,如在蹄部表面有髒汙,會影響牛隻蹄部的熱輻射和表面溫度,降低儀器偵測的精準性。此外,牛隻是否處於興奮狀態或運動後都會造成熱像圖溫度上的差異,像剛活動完的牛隻,腿蹄的血液循環旺盛,會使蹄部溫度高估。因此,使用紅外線熱像儀前,應讓牛隻處於安靜的狀態下再掃描。

紅外線熱像儀最大的優點是非侵入式測量牛隻體溫或局部溫度變化,減少牛隻緊迫感。紅外線熱像儀是一種輔助監控牛隻健康的工具,但不建議完全取代現有的診斷工具及方法,未來或許可以考慮以傳統診斷方式再配合紅外線熱像儀的輔助,提供另一面向的資訊,將有助於疾病篩檢與追蹤。
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