可穿戴健康技术能否准确定位疾病发作

在全球大流行中，创新者和设计师对使用非侵入式健康监测设备表现出越来越大的兴趣。在之前的文章中，我探讨了光学生物传感器的实施注意事项并评论了传感器数据的可靠性。这篇文章说明了之前讨论的概念，介绍了我们团队在创建纵向健康监测器方面的挑战和成就。我们的受试者是小牛犊，我们监测它们对牛呼吸道疾病 （BRD）的发作。

牛呼吸道疾病概述

BRD 是畜牧业成本最高的疾病之一。它也是研究最广泛的一种，从 1800 年代后期开始，一直持续到今天。仅考虑美国饲养场行业，BRD 造成的年度损失总计达 10 亿美元。1

BRD是指导致牛呼吸道感染的疾病复合体。它特别难以控制，因为它可能由多种病原体引起。发病机制涉及许多因素，包括压力和可能的病毒或寄生虫感染，它们会抑制宿主的免疫系统，使细菌在上呼吸道迅速繁殖。

畜牧业经营者因 BRD 遭受多种损失。首先，治疗生病的动物是有成本的，其中一些需要不止一个疗程的药物。其次，饲养场中的动物应该尽可能增加体重，每天 4 磅。当生病的动物未能以这种速度增加体重时，错过的增加体重的机会就是生产力的永久性损失。第三，照顾生病的动物会增加劳动力成本。最后，一些动物永远不会从 BRD 中恢复过来。BRD 是美国饲养场中犊牛死亡率的主要原因。

美国饲养场的牛只占全球牛群的一小部分。美国牧场主每年收获近 3 亿头小牛，所有这些小牛都可能成为 BRD 的受害者。由于 BRD 发病的原因是多方面的，尽管经过数十年的研究和动物福利的改善，养牛业仍无法减少 BRD 造成的损害。

监测牛的生命体征

为了改善动物福利并降低与动物死亡率和发病率相关的成本，该行业非常重视改进早期发病检测。传统上，该行业依赖于经验丰富的笔骑手，他们可能会注意到特定动物行为的变化，并因此测试它们的温度。如果动物的核心温度高于 40.5 °C （104.9°F），则认为它患有 BRD。有很大的改进空间。

首先，使用严格的温度阈值来诊断 BRD 忽略了每个动物具有不同标称核心温度的现实。40.5 °C 只是一大群牛的平均发烧温度。他们中的一些人的核心温度自然低于平均水平，即使他们的核心温度低于阈值，也可能已经发烧。这与指导理解纵向和个性化健康监测为人类患者带来更好的医疗保健的原则相同。

其次，尽管大多数饲养场经营者对他们的围栏骑手的能力充满信心，但研究人员报告说，大多数被检查的收获牛的肺部都有病变，即患有严重的呼吸系统疾病（并康复），尽管大多数人从未接受过 BRD 治疗。 事实上，一个有经验的骑手每天可以照顾 8，000 到 12，000 头牛。因此，每只可能生病的动物只需要不到两分钟的时间就能引起骑手的注意。此外，由于处理和测试可能生病的动物所需的劳动力成本，骑手被训练在假阴性上犯错。更糟糕的是，笔骑手的劳动力正在老化，能够做出准确快速判断的经验丰富的手越来越少。2所有这些因素都为创建 BRD 的自动早发检测系统提供了合理的论据。

由于固定的核心温度阈值 40.5°C 一直是诊断 BRD 的黄金标准，因此已经有很多尝试监测每头奶牛头部的温度。这些尝试包括使用摄入的丸剂测量瘤胃遥测温度、测量耳道内的空气温度或鼓膜温度、测量皮肤温度以及应用热成像来估计眼温。这些方法要么具有非常低的数据可靠性，要么被证明与饲养场的工作流程不兼容（下一节将详细介绍）。

研究 BRD 其他发病症状的兽医研究人员偶然报告了从 BRD 不同阶段的牛测量的SpO 2 。数据显示，随着疾病变得更加严重，平均值下降。3由于 BRD 是一种呼吸系统疾病，SpO 2会下降是有道理的，因为呼吸道感染会影响氧气摄入量。事实上，我们咨询过的该领域的专家都同意 SpO 2应该是一种有价值的生物标志物。然而，也很明显，没有通过 BRD 感染过程跟踪奶牛的 SpO 2值，以帮助我们了解该生命体征可能如何变化以及它是领先指标还是滞后指标。

用例和工作流程：牛健康监测

将健康监视器连接到牛群必须符合饲养场的工作流程。通过与行业专家合作，我们的团队很快就了解了这些限制。

当牛被放入溜槽时，耳标会附在牛身上。圈养动物以将它们通过滑槽是劳动密集型的，并且在动物在饲养场的整个逗留期间仅执行几次 - 特别是在采食期间和在收获前对动物进行分类时。

笔骑手平均每天检查一次动物。动物在喂养过程中可能会受到一些关注，但该过程在大型饲养场中是半自动化的。

美国食品和药物管理局 （FDA） 法规要求从动物尸体中取出异物，例如胃中的温度测量丸，以免意外污染我们的食物供应。然而，包括耳朵在内的头部不被视为可食用部分，在屠宰后被丢弃。事实上，耳标已经用于识别和追踪饲养场动物。动物在饲养场的摄入过程中会被贴上标签，标签会一直留在动物身上，直到收获。

BRD 在刚被运送到饲养场的小牛身上最为普遍。这种情况非常普遍，以至于 BRD 也被称为航运热。一旦动物适应了饲养场，BRD 的风险就会显着降低。然而，健康监测的价值并没有完全消失，因为动物的死亡率会随着时间的推移而增加。最重要的是，该行业不仅对监测动物的 BRD 非常感兴趣，而且对监测它们的整体健康和福利非常感兴趣。

概念：智慧畜牧系统

鉴于饲养场的既定工作流程，智能牲畜系统（参见图 1）可以通过提醒他们注意氧气读数已低于该特定动物的纵向标准的动物来帮助围栏骑手。该系统将包括一个配备 SpO 2和其他传感器的耳标。与可穿戴健身设备不同，耳标永久安装在牛身上，因此每个耳标都将监控动物身上大致相同的位置，并减轻与设备日常佩戴方式相关的数据变化。即便如此，我们推测数据可能会随着小牛的生长和毛发长度的变化而变化，但我们推测这种变化是缓慢的，并且可以通过智能基线算法进行跟踪。

图 1. 智能家畜监控系统示意图。

耳标（图 2）将收集传感器数据，本地处理将提取包括 SpO 2在内的生物标志物。低功率无线电，例如基于 LoRa 的无线电，会将这些生物标记传输到基站，该基站可以方便地安置在饲养场的办公室或安装在饲料运输卡车上。然后，云中的算法可以处理生物标志物数据，维护每只动物的纵向记录，并在生物标志物明显偏离标准时发出警报。生物标志物数据每天最多只需要生成一次评估，因此耳标可以在原电池上运行很长时间。

顺便说一句，动物毛发对于光学生物传感来说不是一个重大问题。头发和组织一样，是一种蛋白质，很容易被 LED 灯穿透（图 3）。事实上，在体重至少 300 到 400 磅的小牛犊中，我们从小牛耳标中获得的 PPG 信号中的灌注指数比从体型较小的人的健身手表中获得的要好。

图 3. 从牛耳标收集的 PPG 数据。

可穿戴原型测试可行性

在我们的检查中，我们创建了一个模仿用于牛的商业标签的耳标。该标签包括一个光学 PPG，它使用带有红色和红外 LED的MAX86141 模拟前端。由于光学 SpO 2测量容易受到运动伪影的影响，因此我们包括了一个加速度计，因此我们可以检测运动并拒绝在标签移动时捕获的任何 PPG 数据。

由于我们可行性研究的目标是找到一种可行的牛监测算法，因此我们将 PPG 设置为 100sps 的采样率。牛的心率平均低于 84bpm，与人类的心率相差不大。我们选择了高于必要的采样率，以确保我们捕获 PPG 波形的高次谐波。我们将来自 PPG 和加速度计的所有原始数据存储在标签上的闪存中，并从我们的实验中恢复标签以进行批处理。这种方法避免了无线传输中数据丢失的任何复杂性。显然，在任何生产部署中，我们都必须在耳标上运行我们的算法，并且只传输一小部分生物标记数据。

为了在使用寿命和耳标重量之间取得平衡，我们使用了 1000mAh 电池。为了最大限度地降低功耗，我们没有在 PPG 中包含绿色 LED，因为我们也可以从红色或红外通道获得心率信息，尽管不是最佳的。使用我们的数据采集方案（见下文），我们能够运行耳标大约 10 天。

基本事实——及其困难

在创建传感器以具有参考或基本事实时，这一点很重要。然而，获得牛的 SpO 2的基本事实是困难的。脉搏血氧仪设计用于临床环境中的静止患者，读数通常作为快照而不是连续获取。该团队毫不畏惧地进行了脉搏血氧仪测量，并从几头麻醉的小母牛身上抽血，以将它们的血氧含量与我们的传感器读数相关联。

我们使用几种不同的临床级脉搏血氧仪进行读数，目的是将我们的耳标传感器校准到参考。当氧浓度高时，血氧仪的读数相互一致，而当血氧水平下降到 90% 左右时，它们的结果却大相径庭。即使检查动脉血的氧浓度也容易出现人为错误，从而导致显着的重复性错误。我们建立基本事实的第一次尝试失败了。

退后一步，我们意识到我们的目标是检测 BRD 的发作，而一滴 BRD 仅仅是我们正在追踪的症状。如果我们可以使用受控疾病挑战研究来控制动物何时被感染，则有既定程序可以确定受感染动物何时生病，而无需知道动物的血氧水平。

实验

我们与德克萨斯 A&M 大学 AgriLife Extension 的研究人员密切合作进行了一系列实验。通过一系列设计变更，我们在传感器设计中试验了 LED 和光电探测器之间的不同距离，以提高红光和红外光的灌注指数。我们还通过测试我们在 3D 打印机上制作的一系列机械耳标设计来改进组织与光学传感器的耦合。事实证明，3D 打印材料很脆弱，我们的耳标组件通常经受不住牛长时间佩戴的粗暴处理。最后一个缺陷一直困扰着我们的实验，但我们相信它可以通过放弃使用 3D 打印来轻松解决。尽管如此，

AgriLife 团队带领我们按照著名的行业协议4设计了一个 BRD 挑战实验。该协议设置了两组动物：一组用于控制，另一组用于挑战。给受攻击的动物接种牛疱疹病毒-1 （BHV-1），三天后给予溶血曼海姆氏菌（MH） 使用支气管选择性内窥镜检查。按照其他相同的程序，用磷酸盐缓冲盐溶液处理对照动物。监测两组的瘤胃温度和摄食行为，并目视评估疾病的临床症状。这些日常监测，尤其是任何瘤胃高温事件（温度升高），为我们提供了 BRD 发病的基本事实。为了更好地衡量，我们还在实验过程中从动物的耳朵中采集了几次动脉和静脉血样本。

我们监测了与已知动物健康时的基线相比的SpO 2水平。我们可以简单地使用 R 作为我们的生物标志物，其中

SpO 2 ≈ a 0 + a 1 R + a 2 R 2

事实上，对于范数周围的小偏差，SpO 2和 R 之间的关系大致是线性的：常数 a 1是一个负数。因此，当 SpO 2下降时，R 会增加。

我们花时间为我们的参考、瘤胃温度和每只动物的摄食行为建立基线。在我们使用 BHV-1 的前一天，我们安装了耳标。从晚上 9 点开始，耳标每 40 分钟收集 40 秒的 PPG 和加速度计数据。到早上 6 点 每天，直到它们被移除或移走。整个过程由 AgriLife 团队处理。

结果

许多耳标被证明太脆弱，无法承受动物的粗暴对待。因此，很大一部分传感器被破坏，无法提供有用的数据。在恢复的数据中，R（图 4a）和动脉血氧水平（图 4b）SaO 2在 MH 挑战后均显示与正常值略有不同。变化幅度比生物标志物（对照）的正常每日波动大约 50%。

值得注意的是，在实验期间，我们经历了两次明显的雷暴，夜间平均温度变化了约 15°C。环境条件的变化并没有影响我们的生物标志物。

图 4a/4b：牛耳标监测器的实验结果，显示汇总数据 （4a） 和动脉 SO 2 （4b）。

观察和后续步骤

实验表明，R 和推断 SpO 2是 BRD 发病的可测量但较弱的指标。从生理上讲，动物会尽其所能弥补缺氧。因此，如果在 BRD 发作期间呼吸功能受到影响，动物会增加呼吸频率和心率，以防止血氧水平严重下降。只有随着疾病的进展，肺部进一步受损，这些应对机制才会跟不上，血氧水平会急剧下降。因此，通过推注测量瘤胃温度或使用 GrowSafe Systems ®监测饲喂行为为 BRD 挑战研究提供了更强的信号。不幸的是，这两种监控系统都不适合牛肉生产工作流程。

创建一个自动化系统来监测动物健康的尝试仍在继续。我们的可行性研究有一些自然的后续行动。

将SpO 2（或 R）与另一种生物标志物相结合。使用单一生物标志物检测 BRD 容易受到错误触发的影响。虽然来自 R 的信号并不明显，但它可能受环境变化的影响较小。因此，将 R 与其他生物标志物（如温度和活动）结合起来可能会提供更可靠的预测

用静息心率确定 SpO 2 （或 R） 。我们耳标上的光学传感器还提供动物的心率。正如所讨论的，当动物补偿其受损的呼吸功能时，静息心率应该增加。我们将不得不修改我们的数据收集协议，以便在打开我们的光学传感器之前很久就捕获加速度计数据，以便我们可以识别静息心率。

改善运动伪影缓解。由于牛的耳朵不断移动，我们仍然可以针对预期的运动伪影改进我们的 R 生物标志物检测算法。

研究更多的人口。每只动物对疾病的反应都不同。我们需要来自更多牛群的数据：不同品种、不同气候、不同海拔的牛群，以验证任何适应变化的健康监测方法。

自然 BRD 发作与挑战。自然界中发生的 BRD 不遵循受控疾病挑战的模式。因此，使用一系列挑战研究开发的算法在生产饲养场设置中可能不那么有效。

这项研究得益于众多学科的专家，包括动物科学、兽医学、生物工程、光学设计、数据科学和算法，以及我们应用人员的奉献精神。在一个吹捧使用大数据取得进展的时代，我们发现动物科学家和兽医经常缺乏与我们的用例相关的现有数据。在我们的情况下，缺乏数据可能是由于不存在能够持续收集活体动物纵向 SpO 2测量值的传感器。之所以没有开发出这种传感器，是因为在这群不同的专家开始合作之前，工程师们并不知道任何潜在的用例。

尽管如此，研究人员仍然对评估动物健康和福利的远程和非侵入性方法感兴趣，不仅致力于检测 BRD，还致力于检测膨胀和压力等问题。了解如何监测个体动物的健康有助于我们了解如何为人类患者可靠地实施个性化医疗保健。生物传感器将继续发挥更大的作用。激动人心的时刻即将到来！

审核编辑：郭婷