CC BY
13
УДК 637.112 DOI 10.22314/27132064-2023-1-27
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ТЕРМОГРАФИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ЗДОРОВЬЯ ЖИВОТНЫХ
Ю.А. Ракевич, магистр технических наук И.И. Гируцкий, доктор технических наук, профессор УО «Белорусский государственный аграрный технический университет» E-mail: rakevich.1991@mail.ru
Реферат. Идентификация состояния доильного оборудования и раннее выявление заболевания дойных коров в условиях беспривязного содержания животных на молочнотоварных фермах требуют разработки системы бесстрессовых методов экспериментальных исследований в режиме реального времени. При этом состояние доильного оборудования, образующего вместе с дойной коровой биотехническую систему, важно определять по степени его воздействия на биологический объект - дойную корову. Получение и анализ термографических снимков вымени коровы позволяет осуществлять мониторинг теплового поля вымени коровы и выявлять воздействие доильного оборудования и степень заболевания коровы маститом. Рассмотрены факторы, которые необходимо учитывать при проведении экспериментальных исследований методом термографии: выбор и место проведения эксперимента, адаптация животного, микроклимат доильного зала, настройка параметров тепловизора. Применение термографического метода для диагностики дольного оборудования, здоровья вымени коров, оценки эффективности функциональных процессов машинного доения позволяет получить следующие информационные параметры: температура сосков и вымени коров, разность температур между симметричными участками, динамика изменения температуры вымени и сосков, анализ термографического снимка (цветовая палитра, контрольные точки, линии или области). Система удаленного автоматизированного мониторинга позволяет осуще-ствлять неинвазивный, бесконтактный сбор данных, которые можно передавать в режиме реального времени или загружать для предоставления информации о биологическом состоянии животного. Ключевые слова: крупный рогатый скот, молочная железа, машинное доение, доильный аппарат, метод, анализ, термография, тепловизор.
Для цитирования: Ракевич Ю.А., Гируцкий И.И. Использование метода термографии для оценки здоровья животных // Техника и технологии в животноводстве. 2023. № 1(49). С. 27-34. EDN KLAROM
Введение. В настоящее время в мире одним из приоритетных направлений в системе ценностей человечества является обеспечение продовольственной безопасности. Республика Беларусь - флагман молочной отрасли, поставки молочной продукции осуществляются во все ведущие страны мира. Страна входит в пятерку мировых лидеров по производству молока на душу населения за год - 840 кг. Залогом успешного экономического развития молочного животноводства является получение качественного молока от здорового технологического стада [1]. Одной из причин получения молока низкого качества на молочно-товарных фермах является заболевание коров маститом. По данным многочисленных исследований, число коров, больных маститом в клинической форме, может достигать 25-30% поголовья стада, а в
субклинической - до 40-50%; преждевременная выбраковка может составлять до 3-8%. Снижение молочной продуктивности за лактацию - от 10 до 25% в зависимости от возраста, продуктивности и длительности болезни [2].
Несоблюдение технологии машинного доения, неудовлетворительное техническое состояние доильного оборудования негативно влияют на продуктивность и долголетие животного. При выборе доильного оборудования необходимо учитывать биологические характеристики животных. В частности, при оценке доильной техники в первую очередь приходится учитывать интенсивность и полноту рефлекса молокоотдачи, другие физиологические параметры. Одним из наиболее перспективных методов физиологической оценки доильных аппаратов является тепло-
визионный. Данный метод позволяет определить физиологические показатели животного до и после доения, а также дать оценку изменений этих показателей. При помощи тепловизора у исследуемого животного дистанционно измеряют и фиксируют температурные поля контрольных точек на вымени и сосках до и после доения, а оценку работы доильного аппарата осуществляют путем сравнения полученных цифровых данных, причем измерения температуры проводят с точностью до 0,02°С [3, 4].
Материалы и методы исследований. Для проведения экспериментальных исследований термографическим методом и получения качественных и достоверных термограмм необходимо учитывать ряд факторов, которые могут повлиять на результат: выбор и место проведения эксперимента, микроклимат доильного зала, адаптация животного, настройка параметров тепловизора, особенности проведения эксперимента.
I. Выбор и место проведения эксперимента - необходимо постараться создать максимальный контраст между инфракрасным фоном и исследуемым объектом:
- нежелательно проводить исследование на открытом воздухе, особенно при наличии ветра или тумана. В жаркое время года температура измеряемого объекта может незначительно отличаться от температурного фона окружающей среды, что также не позволяет получить качественное изображение на тепловизоре;
- недопустимо наличие рядом с исследуемым животным источника более сильного теплового излучения (например, радиаторы отопления, бойлеры, тепловентиляторы и т. п.), способного перекрыть таковое от самого животного - этот источник будет искажать и размывать тепловизионную картинку;
- необходимо избегать исследования рядом с полированным покрытием, так как блестящая поверхность способна отражать
инфракрасные лучи в различные стороны, в том числе и в объектив тепловизора, что исказит результаты тепловизионного изображения;
- исследователь не должен находиться в зоне измерения, потому что сам является источником излучения теплоты и может оказать влияние на результаты тепловизионной съемки [5, 6].
II. Микроклимат доильного зала. Температура доильного зала для проведения экспериментального исследования должна быть в пределах 20-25°С и постоянной. Обследование в более жарких помещениях снижает контрастность термограмм, а при температуре выше 30°С проведение исследования становится практически невозможным. Кроме того, в жарком помещении включаются механизмы терморегуляции животного, такие, как потоотделение, что приводит к резкому изменению тепловизионной картины, а следовательно, и к ошибкам (рис. 1).
Рис. 1. Тепловая мощность крупного рогатого скота
Инфракрасное излучение, исходящее от объекта исследования, подвергается воздействию ряда факторов, искажающих конечную картинку на тепловизоре как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения ее качества. Движение воздуха в помещении рассеивает тепловое излучение, поэтому работающие в помещении вентиляторы и кон-
Испаренпе
Дыхание [_
Ветер
Конвекция
диционеры, а также сквозняки сводят на нет возможность получения объективной тепло-визионной картинки. Перепад температур в животноводческих помещениях при недостаточном их утеплении и высокая влажность могут приводить к конденсации влаги и появлению тумана, который также недопустим при проведении исследований. В экспериментальной комнате должны отсутствовать посторонние источники инфракрасного излучения, такие как нагревательные приборы, лампы накаливания, отсутствовать прямой солнечный свет. Для борьбы с потоками воздуха желательно наличие кабинки, ограждающей животное с трех сторон. Источники инфракрасного излучения отключены, окна задрапированы [7].
III. Адаптация животного играет важную роль в тепловизионном обследовании. Необходимость пребывания животного в течение определенного времени перед исследованием в условиях проведения эксперимента необходимо для стабилизации температурного режима, нарушение которого может быть вызвано стрессовой ситуацией либо пребыванием животного в температурных условиях, резко несовпадающих с температурой помещения, в которой производится эксперимент.
Следует помнить, что адаптационный период при переходе от холода к теплу длится не менее 15...20 мин. (наличие фаз сужения и расширения кожных сосудов). Животное находится в стоячем положении [8].
IV. Настройка параметров тепловизора. Наиболее приемлемый диапазон выбирают с таким расчетом, чтобы все значения температуры объекта были внутри этого диапазона. Внесение поправочных коэффициентов теплоотдачи:
- внесение поправочного коэффициента температуры окружающей среды (помещения), в которой проводятся измерения. Данный параметр можно вводить, измерив температуру на рядом расположенных объектах. Однако более объективным методом является использование фильтра Ламберта, представляющего собой поверхность из скомкан-
ной, а затем расправленной фольги. Данный фильтр позволяет создать рассеянный равномерный поток инфракрасного излучения, дающий наиболее точные представления об «инфракрасном фоне» помещения;
- внесение поправочного коэффициента температуры тела животного. Методика измерения коэффициента: пвх-изоленту наклеить на тело животного в области проведения измерения и сравнить разницу в показаниях температуры; если она имеется, то, вводя поправочный коэффициент, добиться одинаковых показаний на приборе в области пвх-изоленты и соседнем участке тела.
При обследовании животного устанавливается ширина диапазона - 10-15°С. Оптимальное значение начальной температуры рассчитывается с тем, чтобы средние значения температуры объекта находились по возможности в центре температурного диапазона. При обследовании животного начальное значение температуры - 28-30°С (изменять начальную температуру следует после получения первого кадра). Для удобства и наглядности обработки данных в будущем необходимо проводить фотографирование объектов исследования обычной камерой или применять функцию «комбинированная съемка» на тепловизоре (термограмма накладывается на обычную фотографию). Это поможет в описании клинических признаков патологического процесса (размер, наличие и вид истечений и т. д.). Коэффициент теплового излучения для животных - 0,98. Подбор палитры: подбор (изменение) наилучшей для восприятия палитры термограммы следует после получения первого кадра (рис. 2) [9].
V. Особенностью проведения эксперимента является то, что при проведении эксперимента нет необходимости создавать группы животных-аналогов, поскольку исследуется индивидуальная реакция на изменение внешних условий (технология машинного доения, способ доения, доильный аппарат и т. д. ) каждого животного, участвующего в эксперименте [10]. При изучении инфракрасных изображений самая теплая область выглядит белой, а самая холодная - синей.
Режим вывода изображений Рис. 2. Основной интерфейс тепловизора марки БТ-9875
При величине угла исследования более 15° не получается качественного снимка. Инфракрасные изображения снимаются в положении коровы стоя, на расстоянии 0,31,0 м. Изображения передней части делаются с боковой стороны животного, а задней части - с задней стороны (рис. 3) [11].
Рис. 3. Расположение тепловизора относительно дойной коровы
Применение термографического метода для диагностики дольного оборудования,
здоровья вымени коров, оценки эффективности функциональных процессов машинного доения позволяют получить информационные параметры: температура вымени и сосков коров, разность температур между симметричными участками, динамика изменения температуры вымени и сосков, анализ термографического снимка (цветовая палитра, контрольные точки, линии или области). В качестве основного показателя состояния организма выступает температура тела животного.
Молочная железа является ярким индикатором ответной реакции организма на патологические изменения, характеризующиеся повышенной температурой. Самая высокая температура наблюдалась в паховой области и в центральной части, вблизи соприкосновения с конечностями. Это связано с наличием большего количества соединительной ткани по сравнению с другими областями молочной железы. Температура поверхности вымени является важным показателем для диагностики болезней коровы и для оценки их физиологического статуса [12].
Разность температур между симметричными участками тела может являться признаком, характеризующим патологические явления. При экспериментальных исследованиях организма следует учитывать явление, получившее название физиологической термоасимметрии, которое связанное с неодинаковым сосудистым тонусом, степенью развития мышц и имеет значение 0,2-0,4°С; то есть говорить о наличии тепловизионного симптома можно только в случаях, когда значение термоасимметрии превышает 0,4°С. На термограммах патологическая термоасимметрия определяется зонами повышенного или пониженного теплового излучения. Величина температурного перепада при патологии обычно превышает 1°С и может достигать 2-3°С. Таким образом, метод тепловизионной диагностики (заболеваний, патологий) заключается в выявлении зон термоасимметрии и определении величины перепада температуры. Наличие симметричности тепловизионной картины характеризует нормальное состояние организма. Принято считать, что все циркуляционные процессы, определяющие теплообмен тела (челове-
ка и животного), регулируются вегетативной нервной системой. Так, опыт с нагреванием определенной части тела сопровождается повышением температуры симметричного участка, которая постепенно затухает по мере адаптации организма к повторным пробам. Это доказывает тот факт, что нервнорефлек-торная регуляция сосудов одной рефлексогенной зоны обеспечивает возникновение подобного эффекта в сосудистой сети соответствующей рефлексогенной зоны. Именно поэтому термографическое исследование необходимо проводить строго двусторонне-симметрично, билатерально [13].
Одной из актуальных задач информационного обеспечения молочного скотоводства является определение мастита в реальном масштабе времени. Результаты исследований могут быть легко интегрируемы в систему управления стадом (СУС) крупного рогатого скота. Вся информация будет храниться в базе данных. Передача данных будет осуществляться в режиме реального времени (online). Расположение тепловизионных камер будет зависеть от типа доильной установки (рис. 4).
Рис. 4. Пример получения термографического снимка на доильной установке типа «Карусель»:
1 - левая задняя доля вымени, 2 - правая задняя доля вымени
Динамика изменения температуры вымени коров позволяет дать оценку влияния доильного аппарата на молочную железу. За счет механического воздействия доильного аппарата температура четверти вымени коров во время доения существенно увеличивается. При снятии доильных стаканов на
вымени без патологии наблюдалось уменьшение температуры; это связано с уменьшением объема остаточного молока вследствие его опорожнения и изменения кровообращения в органе. При снятии доильных стаканов на вымени коров на разных стадиях мастита наблюдалось увеличение температуры, что
свидетельствует о неполном опорожнении вымени вследствие воспалительного процесса, повышенной функциональной нагрузки и механического воздействия доильного аппарата на вымя. Соски вымени коров могут служить индикаторами качества работы и эффективности функциональных процессов машинного доения. Увеличение температуры поверхности сосков после доения обусловлено механическим воздействием доильного аппарата, что приводит к изменению кровообращения. Чем более щадящий доильный аппарат и лучше соблюдение технологии машинного доения, тем меньше происходит нарушений кровообращения в соске, что проявляется уменьшением температуры в конце доения. Повысить надежность, достоверность информации можно за счет мно-
гократного контроля температуры в течение определенного промежутка времени, совмещая диагностику с существующими традиционными методами.
Обработка и анализ термографического снимка осуществляются программными средствами, которые предусмотрены заводом-изготовителем прибора - тепловизора, или с помощью ЭВМ - методом математической статистики записанных цифровых инфракрасных изображений (рис. 5) [14, 15].
Программное обеспечение для обработки термограмм является функциональным и удобным для исследователя. Цифровые изображения импортируются на ПК в режиме реального времени, где их можно просмотреть с помощью различных инструментов интерфейса.
Рис. 5. Рабочая область программы ГОМе1ег (БТ-9875)
В программе ГОМйег можно выполнять основные функции: изменение палитры полученного термографического снимка, выделение интересующей области (точками, линиями, фигурами), получение температурных графиков (гистограмм, таблиц, отчетов). Электронные цифровые файлы, содержащие тепловые изображения и полученные дополнительные данные, могут хранится в базе данных, на различных электронных носителях памяти или устройствах хранения и передачи данных. Многие инфракрасные теп-ловизионные системы позволяют дополнительно иметь голосовые и текстовые данные, а также соответствующее видимое изобра-
жение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом спектре.
Выводы. При проведении экспериментальных исследований термографическим методом необходимо учитывать факторы, влияющие на получение более точной и объективной информации. Исследования, проводимые способом термографии, позволяют применять метод многократно, бесконтактно, бесстрессово, наблюдать процессы в режиме реального времени. Особенностью проведения эксперимента является то, что при его проведении нет необходимости создавать группы животных-аналогов, поскольку исследуется индивидуальная реакция ор-
ганизма крупного рогатого скота. В комплексе с традиционными методами исследований термография помогает повысить надежность, достоверность получаемой информации. В качестве основного показателя состояния организма выступает температура тела животного.
Молочная железа является ярким индикатором ответной реакции организма на патологические изменения, характеризующиеся повышенной температурой. Динамические изменения температуры вымени коров позволяют оценить влияние доильного оборудования на физиологическое состояние молочной железы биологического объекта - дойной коровы, а соски вымени могут служить как индикаторы качества работы и эффективности функциональных процессов машинного доения. Чем более щадящий доильный аппарат и лучше соблюдение технологии машинного доения, тем меньше происходит нарушений кровообращения в соске, что проявляется уменьшением температуры в конце доения.
Литература:
1. Перспективы развития средств механизации и автоматизации доильного оборудования / И.И. Гируц-кий и др. // Инновационные ресурсосберегающие технологии для производства биобезопасных комбикормов и конкурентоспособного молока. Минск: НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, 2018. С. 91-96.
2. Ракевич Ю.А. Использование инфракрасной термографии для выявления мастита коров // Агропанора-ма. 2020. № 5. С. 19-22.
3. Экспериментальные исследования термографического метода диагностики мастита дойных коров / Ги-руцкий И.И. и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. Минск, 2020. № 54. С. 204-211.
4. Гируцкий И.И., Ракевич Ю.А. Обоснование применения термографического метода диагностики мастита дойных коров в компьютеризированной системе управления стадом // Механизация и электрификация сельского хозяйства. Минск, 2020. № 54. С. 226-231.
5. Тепловизионные исследования в ветеринарной медицине / А.Л. Лях и др. Витебск: ВГАВМ, 2021. 26 с.
6. Даценко А.В. Использование дистанционной инфракрасной термографии в экспериментальной медицине при экстремальных воздействиях // Саратовский научно-медицинский журнал. 2016. № 12. С. 685-691.
7. Анализ инфракрасного изображения вымени коров / И.И. Гируцкий и др. // Агропанорама. 2018. № 6. С. 9-12.
8. Макаровская З.В. Технологические основы повышения эффективности работы доильных аппаратов: дис. д. т. н. Оренбург, 2004. 379 с.
9. Фризен А.П. Обоснование и разработка конструктивно-режимных параметров исполнительного механизма доильного аппарата: дис. канд. техн. наук. Оренбург, 2004. 90 с.
10. Цвяк А.В. Разработка и обоснование технических средств и способа оценки машинного доения коров: дис. к. т. н. Оренбург, 2008. 70 с.
11. Development of an Algorithm for Rapid Herd Evaluation and Predicting Milk Yield of Mastitis Cows Based on Infrared Thermography / Khakimov A.R. etc. // Applied sciences. 2022. V. 12. Р. 1-12.
12. Липчинская А.К. Роль патологии сосков молочной железы в развитии маститов у коров при машинном доении: дис. к. т. н. Екатеринбург, 2010. 149 с.
13. Трубников В.В. Сравнительная оценка современных доильных аппаратов: дис. канд. техн. наук. Оренбург, 2011 96 с.
14. Selection of the information parameter for the thermo-graphy method of diagnostics of dairy cows mastitis / Hi-rutski I. etc. // Agricultural machinery 2021. Varna, 2021. Р. 48-52.
15. Selection of the information parameter for the thermography method of diagnostics of dairy cows mastitis / Hi-rutski I. etc. // Mechanization in agriculture & conserving of the resources. Varna, 2021. Р. 14-18.
Literatura:
1. Perspektivy razvitiya sredstv mekhanizacii i avtomati-zacii doil'nogo oborudovaniya / I.I. Giruckij i dr. // Inno-vacionnye resursosberegayushchie tekhnologii dlya pro-izvodstva biobezopasnyh kombikormov i konkurentospo-sobnogo moloka. Minsk: NPC NAN Belarusi po mekhanizacii sel'skogo hozyajstva, 2018. C. 91-96.
2. Rakevich YU.A. Ispol'zovanie infrakrasnoj termogra-fii dlya vyyavleniya mastita korov // Agropanorama. 2020. № 5. S. 19-22.
3. Eksperimental'nye issledovaniya termograficheskogo metoda diagnostiki mastita dojnyh korov / Giruckij I.I. i dr. // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. Minsk, 2020. № 54. S. 204-211.
4. Giruckij I.I., Rakevich YU.A. Obosnovanie primene-niya termograficheskogo metoda diagnostiki mastita dojnyh korov v komp'yuterizirovannoj sisteme upravleniya stadom // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. Minsk, 2020. № 54. S. 226-231.
5. Teplovizionnye issledovaniya v veterinarnoj medicine / A.L. Lyah i dr. Vitebsk: VGAVM, 2021. 26 s.
6. Dacenko A.V. Ispol'zovanie distancionnoj infrakrasnoj termografii v eksperimental'noj medicine pri ekstremal'-nyh vozdejstviyah // Saratovskij nauchno-medicinskij zhurnal. 2016. № 12. S. 685-691.
7. Analiz infrakrasnogo izobrazheniya vymeni korov / I.I. Giruckij i dr. // Agropanorama. 2018. № 6. S. 9-12.
8. Makarovskaya Z.V. Tekhnologicheskie osnovy povy-sheniya effektivnosti raboty doil'nyh apparatov: dis. d. t. n. Orenburg, 2004. 379 s.
9. Frizen A.P. Obosnovanie i razrabotka konstruktivnore-zhimnyh parametrov ispolnitel'nogo mehanizma doil'no-go apparata: dis. kand. tekhn. nauk. Orenburg, 2004. 90 s.
10. Cvyak A.V. Razrabotka i obosnovanie tekhnicheskih sredstv i sposoba ocenki mashinnogo doeniya korov: dis. k. t. n. Orenburg, 2008. 70 s.
11. Development of an Algorithm for Rapid Herd Evaluation and Predicting Milk Yield of Mastitis Cows Based on Infrared Thermography / Khakimov A.R. etc. // Applied sciences. 2022. V. 12. R. 1-12.
12. Lipchinskaya A.K. Rol' patologii soskov molochnoj zhelezy v razvitii mastitov u korov pri mashinnom doenii: dis. k. t. n. Ekaterinburg, 2010. 149 s.
13. Trubnikov V.V. Sravnitel'naya ocenka sovremennyh doil'nyh apparatov: dis. kand. tekhn. nauk. Orenburg, 2011 96 s.
14. Selection of the information parameter for the thermography method of diagnostics of dairy cows mastitis / Hi-rutski I. etc. // Agricultural machinery 2021. Varna, 2021. R. 48-52.
15. Selection of the information parameter for the thermography method of diagnostics of dairy cows mastitis / Hi-rutski I. etc. // Mechanization in agriculture & conserving of the resources. Varna, 2021. R. 14-18.
USING THE THERMOGRAPHY METHOD FOR ANIMALS' HEALTH TO ASSESS Yu.A. Rakevich, magister of technical sciences I.I. Girutsky, doctor of technical sciences, professor UO «Belarusian state agrarian technical university»
Abstract. Identification of the milking equipment's condition and dairy cows disease's early detection at cows tie free keeping conditions on dairy farms require the stress-free methods of experimental research development in real time's regime. At the same time, it is important the milking equipment's condition to determine, because it forms a biotechnical system together with the dairy cow, due to its impact on the biological object- the dairy cow. The cow udder's thermographic image obtaining and analyzing allows to monitor the cow's udder thermal field and cow's disease with mastitis by the milking equipment impact's degree detecting. The factors that need to be taken into account at thermography experimental studies conducting are considered: the experiment's choice and location, animal adaptation, milking parlor's microclimate, thermal imager parameters' setting. The thermographic method for milking equipment diagnosis, cows' udder health, the milking machine functional processes using effectiveness evaluation allows to obtain the following information parameters: the cows' teats and udders temperature, temperature difference between symmetrical areas, udder and teats temperature changes' dynamics, thermographic image's analysis (colors' palette, control points, lines or areas). The remote automate monitoring system allows noninva-sive, contactless data collection, that can be transmitted in real time or downloaded information for the animal biological condition's providing.
Keywords: cattle, mammary gland, machine milking, milking machine, method, analysis, thermography, thermal imager.
For citation: Rakevich Yu.A., Girutsky I.I. Using the thermography method for animals' health to assess // Machinery and technologies inlivestock. 2023. No. 1(49). p. 27-34. EDN KLAROM
Заявленный вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
