红外热成像在猪生物监测中的应用

孟霞

摘  要：畜禽疾病尤其是人畜共患病会威胁人类和动物的健康，也会影响社会和经济发展，导致食品短缺。在密集型生产系统中，动物的疾病无法得到有效的监控，而技术可以为密切监测和生物监视提供解决方案，走向商业性应用市场的红外热成像正成为动物疾病的有效监控监测设备，在确保人类健康和食品安全方面发挥着积极的作用。

关键词：红外热成像；半双重射频识别标签；红外热像仪；动物疾病

中图分类号：S815.4 文献标志码：A 文章编号：1001-0769（2022）05-0023-04

家畜现有和新发疾病威胁人类和动物的健康以及食品安全。畜禽疾病会给畜牧业带来毁灭性的经济后果，这种后果不仅会造成动物生产者的经济损失，而且对消费者而言，还会造成食品短缺和价格上涨。

非洲猪瘟（African swine fever，ASF）已经严重影响了欧洲和亚洲的养猪生产。2018年，非洲猪瘟传入中国，随后导致中国将近50％的猪死亡；2021年，非洲猪瘟病毒再次出现，导致中国北方地区的猪群大量减少。

在北美和欧洲，最严重的传染病可能是猪流行性腹泻（porcine epidemic diarrhoea，PED）。2013年至2015年期间，PED病毒在北美的猪群中迅速传播，导致约700万头猪死亡。

1  人畜共患病对养猪业和人类健康的影响

猪的另一种重要疾病是猪繁殖和呼吸障碍综合征（porcine reproductive and respiratory syndrome，PRRS）。据估计，该病是在经济上对美国养猪业影响最大的猪病之一，每年给美国养猪业造成的损失估计为6.64亿美元。

畜禽的人畜共患病也会严重影响人类的健康。2009年，猪流感病毒（H1N1）在全球发生了大流行，美国是首先发现该病毒的国家。

在猪流感大流行的第1年，美国疾病控制与预防中心（centre for disease control，CDC）估计，大约有12 469人死亡，274 304人住院治疗，4 300万到8 300万人感染。据美国疾病控制与预防中心估测，全球有151 700至575 400人死于甲型流感病毒H1N1。

所有这些猪的重要疾病都是由病毒引起的，并且人感染后都会出现发热反应。很明显，猪的生物监测对人类疾病的检测和治疗至关重要。

在大多数密集型生产系统中，饲养员不可能有效监控成千上万头猪。在这种情况下，技术可以为密切监测和生物监视提供解决方案。

2  红外热成像

红外热成像 （infrared thermography，IRT） 是一种在研究环境中已经存在了几十年的技术，现在才开始进行商业性应用，导致出现这种延迟的原因主要是由于没有可以在猪舍的恶劣环境中放置和运行的小型、廉价的红外摄像机。

热像仪能够检测电磁光谱长红外范围（9 000～14 000 nm）内的辐射，并绘制出相机每个像素的温度，产生热图，即物体表面的温度图。

显然，用于生物监测的红外热像仪技术的发展方向在于技术的自动化，从图像采集到图像分析，再到数据分析和报告。

人们已经为自动饲喂系统的单个动物和群养动物开发了自动图像采集系统。

这些系统全部采用非侵入性方式运行，不需要处理动物，甚至不需要人进入猪舍，从而完全避免了令人困扰的应激反应。它们还可以进行大量测量，从而能够更准确地定义与生物监视相关的动物生理状态。

3  猪群

热图像可以收集猪栏中猪群的图像，也可以收集单个动物的图像。图1显示了断奶仔猪的一组红外图像，该图像由架空热像仪拍摄，每隔5 min记录一次图像。对于群体成像，最有效的诊断变量是猪的最高体温，这是因为只需要猪群中某一头猪表现出发热反应，该猪的体温就可以成为最高温度。

群体成像允许对聚集行为进行量化。图1还表明，当一群猪聚集成一个群体时，它们的平均体温最高。将温度测量限制在单个集群上会大大减少温度测量的差异。

聚集行为是一个重要的指标，因为这种行为是猪对感染做出的适应性反应。

群体成像的另一个方面是，从动物占据的图像面积来看，观察群体的生长情况相对容易，生长速度受到抑制可能表明猪群存在慢性健康问题。

因此，红外成像可用于在同一图像中同时获取同一头（只）动物的热、行为和生理数据，所有这些数据都具有诊断意义。

另一种方法是在个别动物访问饲喂器或饮水器时自动捕获它们的图像。使用半双重射频识别标签 （radio frequency identification tags，RFID）识别动物。当猪进入饲喂系统时，RFID标签会用信号通知图像捕获软件以开始记录。

通常，饲养员会记录动物背部表面的图像（图2）。请注意图2中健康动物 （31.2 ℃） 和患病动物 （39.9 ℃） 之间相对较大的温差。

前文给出的例子都与检测全身性疾病有关，但IRT也可用于检测局部损伤。图3显示了因咬尾而导致尾巴受伤猪的图像。

4  动物与环境温度的关系

猪会根据主要的环境条件调节体温，在分析测得的数据时考虑这些影响很重要。

动物与环境温度之间的关系可以用线性或多项式方程描述，这可用于根据环境变量预测动物的温度。

动物的预测体温和实际体温之间的差异是剩余温度。因此，如果剩余溫度为正值，则动物消耗的能量超过了维持热稳态所需的能量。这是发生应激和疾病的征兆。如果剩余温度为负值，则动物正在保存热量，这可能是感染的早期指标，因为它表明动物正在保存热量以提高核心温度，或产生发烧的发病机制。

正是这些原因，通过IRT测量体表温度不应被视为通过其他方法（如导电温度计）测量核心体温的同义词。

5  监测动物、猪舍基础设施和环境

无论猪场安装了什么系统，生产者都不太能够解释原始体温数据，因此该系统必须向终端用户提供他们可以据此采取行动的信息。

我们的目标是对动物、猪舍基础设施和环境进行连续监测，并将这些数据整合到能够进行近乎实时决策的模型中。

相机设计、软件开发、自动动物身份识别、云计算、机器学习和人工智能的进步目前正在融合，以促进将热像仪纳入动物生产。

原题名：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）