可穿戴健康技术能否精确定位疾病发作？

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现注意事项，并评论了传感器数据的可靠性。这篇文章说明了前面讨论的概念，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，我们监测它们是否患有牛呼吸道疾病（BRD）。

牛呼吸系统疾病概述

BRD是畜牧业最昂贵的疾病之一。它也是研究最广泛的研究之一，其努力始于 1800 年代后期并一直持续到今天。仅考虑美国饲养场行业，BRD造成的年度损失总计达1亿美元。

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，这些感染会抑制宿主的免疫系统，使细菌在上呼吸道中迅速繁殖。

畜牧业经营者以多种方式遭受BRD的损失。首先，是治疗患病动物的费用，其中一些需要不止一个疗程的药物。其次，饲养场的动物应该尽可能增加最大的体重，每天四磅。当生病的动物未能以这种速度增加体重时，错过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，有些动物永远无法从BRD中恢复过来。BRD是美国饲养场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300亿头小牛，所有这些都可能成为BRD的受害者。由于BRD发病的原因是多因素的，尽管几十年来对动物福利进行了研究和改善，但养牛业仍无法减少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，该行业非常重视改善早发性检测。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，从而测试它们的体温。如果动物的核心温度高于 40.5 °C （104.9°F），则认为它患有 BRD。还有很大的改进余地。

首先，使用严格的温度阈值来诊断BRD忽略了每只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。其中一些的核心温度自然低于平均水平，即使它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提供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（并恢复）严重的呼吸道疾病，即使大多数从未接受过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能引起骑手不到两分钟的注意。此外，由于处理和测试可能生病的动物所需的人工成本，骑手接受过错误培训，可以错误地处理假阴性。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来监测每头奶牛头部的温度。这些尝试包括使用摄入的推注测量瘤胃遥测温度，测量耳道内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。这些方法要么数据可靠性非常低，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）。

兽医研究人员调查BRD的其他发病症状偶然报道了SpO2从BRD不同阶段的牛测量。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，因此SpO是有道理的2会随着呼吸道感染影响氧气摄入而下降。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，很明显，没有跟踪SpO。2在 BRD 感染过程中对奶牛进行值，以帮助我们了解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

将运行状况监测器连接到牛群必须符合饲养场中的工作流程。通过与行业专家合作，我们的团队很快就了解了其中的限制因素。

当牛被放入滑槽时，耳标会附在牛身上。将动物围起来将它们放入滑槽是劳动密集型的，并且在动物在饲养场的整个停留期间只进行几次 - 特别是在摄入期间和收获前对动物进行分类时。

笔骑手平均每天检查一次动物。动物在喂食过程中可能会受到一些关注，但在大型饲养场，该过程是半自动化的。

美国食品和药物管理局（FDA）的规定要求从动物尸体上移开外来物体，例如胃中的测温推注物，以免意外污染我们的食物供应。然而，头部，包括耳朵，不被认为是可食用的部分，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。动物在饲养场被标记作为其摄入程序的一部分，标签一直保留在动物身上，直到收获。

BRD在幼牛被运送到饲养场后立即在幼犊中最为普遍。这非常普遍，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，随着动物的死亡率随着时间的推移而增加，健康监测的价值并没有完全消失。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也非常感兴趣。

概念：智能畜牧系统

鉴于饲养场的既定工作流程，智能畜牧系统（见图1）可以通过提醒动物氧气读数低于该特定动物的纵向标准来帮助围栏骑手。该系统将由配备SpO的耳标组成2和其他传感器。与可穿戴健身设备不同，耳标永久安装在牛身上，因此每个耳标都会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成长和毛发长度的变化而变化，但我们推测这种变化很慢，可以用智能基线算法进行跟踪。

图1.智能牲畜监测系统示意图。

耳标将收集传感器数据，本地处理将提取包括SpO在内的生物标志物2.低功率无线电， 例如基于 LoRa 的无线电， 将这些生物标志物传输到基站，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送卡车上.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。生物标志物数据只需要每天最多生成一次评估，因此耳标可以在原电池上运行很长时间。

顺便说一下，动物毛发对于光学生物传感来说并不是一个重大问题。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至400磅的年轻小牛中，我们从小牛耳标的PPG信号中获得的灌注指数比从较小人类的健身手表中获得更好的灌注指数。

图3.从奶牛耳标收集的PPG数据。

可穿戴原型测试可行性

为了进行检查，我们创建了一个仿照牛上使用的商业标签的耳标。该标签包括一个光学PPG，采用MAX86141模拟前端，带有红色和红外LED。因为光学SpO2测量容易受到运动伪影的影响，我们提供了一个加速度计，因此我们可以检测运动并拒绝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采样。牛心率平均低于 84bpm，与人类心率相差不大。我们选择了高于必要的采样率，以确保我们捕获了PPG波形的高次谐波。我们将PPG和加速度计的所有原始数据存储在标签上的闪存中，并从实验中恢复标签以进行批处理。这种方法避免了无线传输造成的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志物数据。

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。我们能够使用我们的数据采集方案运行耳标约 10 天（见下文）。

基本事实及其困难

在创建传感器时，具有参考或基本事实非常重要。然而，获得SpO的基本真相2在牛身上很难。脉搏血氧仪设计用于临床环境中的固定患者，读数通常作为快照而不是连续拍摄。该团队毫不气馁，进行了脉搏血氧仪测量，并从少数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为参考。虽然血氧仪的读数在氧气浓度高时彼此一致，但当血氧水平下降到接近90%左右时，他们的结果彼此不一致。即使检查动脉血液的氧气浓度也容易出现人为错误，导致明显的重复性误差。我们第一次尝试建立地面真相是失败的。

退后一步，我们意识到我们的目标是检测BRD的发作，而BRD的下降只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，那么就有既定的程序来确定被挑战的动物何时生病，而不必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。通过一系列的设计变更，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。我们还通过测试一系列在3D打印机上生产的机械耳标设计来改善组织到光学传感器的耦合。事实证明，3D打印材料是脆弱的，我们的耳标组件通常经不起牛长时间磨损的粗暴处理。最后一个缺陷困扰着我们的实验，但我们相信可以通过放弃使用3D打印来轻松补救。尽管如此，3D打印是我们改变机械设计的最有效手段，这样我们就可以更快地学习和改进。

AgriLife团队带领我们按照众所周知的行业协议设计了一个BRD挑战实验4.该协议设置了两组动物：一组用于对照，另一组用于挑战。受挑战的动物接种牛疱疹病毒-1（BHV-1），三天后使用支气管选择性内窥镜检查给予曼海姆氏溶血菌（MH）。对照动物按照其他相同的程序用磷酸盐缓冲盐溶液处理。两组均监测瘤胃温度和摄食行为，并目视评估疾病的临床体征。这些日常监测器，尤其是任何瘤胃热疗事件（温度上升峰值），有助于为我们提供BRD发病的基本真相。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液样本。

我们监测了SpO2与已知动物健康的基线相比的水平。我们可以简单地使用R作为我们的生物标志物，其中

SpO2≈0+ 一个1R + a2R2

事实上，对于围绕一个范数的微小偏差，SpO之间的关系2R大致是线性的：常数a1是一个负数。所以，当SpO2下降，R 增加。

我们花时间为每只动物的参考、瘤胃温度和摄食行为建立了基线。在我们服用BHV-1的前一天，我们安装了耳标。耳标每天从晚上40点到早上40点每9分钟收集6秒的PPG和加速度计数据，直到它们被移除或移开。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毁，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），SaO2，在MH挑战后显示出与常态的小幅偏离。变化的幅度比生物标志物（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。 环境条件的变化不会影响我们的生物标志物。

图4a/4b：奶牛耳标监测器的实验结果，显示汇总数据（4a）和动脉SO2（4b）。

三. 意见和后续步骤

实验表明，R，并通过推断SpO2，是 BRD 发病的可测量但较弱的指标。从生理上讲，动物会以任何方式补偿缺氧。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，其肺部进一步受损，这些应对机制才会跟不上，血氧水平才会急剧下降。因此，通过推注测量瘤胃温度或使用 GrowSafe 系统监测饲喂行为为BRD挑战研究提供了更强的信号。不幸的是，这两种监测系统都不适合牛肉生产工作流程。

创建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。

结合 SpO2（或 R）与另一个生物标志物.使用单一生物标志物进行BRD检测容易受到错误触发的影响。虽然来自R的信号不明显，但受环境变化的影响可能较小。因此，将R与其他生物标志物（如温度和活性）相结合可能会提供更可靠的预测。

合格 SpO2（或 R）伴静息心率.我们耳标上的光学传感器还提供动物的心率。如前所述，静息心率应该随着动物补偿其受损的呼吸功能而增加。我们将不得不修改我们的数据收集协议，以便在打开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。

改进运动伪影缓解。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。

研究更大的人群。每种动物对疾病的反应不同。我们需要来自更多牛群的数据：不同品种、不同气候、不同海拔高度的数据，以验证任何健康监测方法以适应变化。

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，使用一系列挑战性研究开发的算法在生产饲养场环境中可能不那么有效。

这项研究得益于动物科学、兽医学、生物工程、光学设计、数据科学和算法等多个学科的专家，以及我们应用人员的奉献精神。在一个吹捧使用大数据的进步的时代，我们发现动物科学家和兽医往往缺乏与我们的用例相关的现有数据。在我们的情况下，缺乏数据可归因于可以收集纵向SpO的传感器2不存在对活体动物的一致测量。这种传感器之所以没有被开发出来，是因为在这个不同的专家小组开始一起工作之前，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，不仅要检测BRD，还要检测腹胀和压力等问题。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。激动人心的时代就在前方！

审核编辑：郭婷