可穿戴健康技術(shù)能否精確定位疾病發(fā)作？

在全球大流行中，創(chuàng)新者和設(shè)計師對使用非侵入式健康監(jiān)測設(shè)備表現(xiàn)出越來越大的興趣。在之前的文章中，我探討了光學生物傳感器的實現(xiàn)注意事項，并評論了傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。這篇文章說明了前面討論的概念，介紹了我們團隊在創(chuàng)建縱向健康監(jiān)測器方面的挑戰(zhàn)和成就。我們的受試者是小牛犢，我們監(jiān)測它們是否患有牛呼吸道疾病（BRD）。

牛呼吸系統(tǒng)疾病概述

BRD是畜牧業(yè)最昂貴的疾病之一。它也是研究最廣泛的研究之一，其努力始于 1800 年代后期并一直持續(xù)到今天。僅考慮美國飼養(yǎng)場行業(yè)，BRD造成的年度損失總計達1億美元。

BRD是指導致牛呼吸道感染的疾病復(fù)合體。它特別難以控制，因為它可能由多種病原體引起。發(fā)病機制涉及許多因素，包括壓力和可能的病毒或寄生蟲感染，這些感染會抑制宿主的免疫系統(tǒng)，使細菌在上呼吸道中迅速繁殖。

畜牧業(yè)經(jīng)營者以多種方式遭受BRD的損失。首先，是治療患病動物的費用，其中一些需要不止一個療程的藥物。其次，飼養(yǎng)場的動物應(yīng)該盡可能增加最大的體重，每天四磅。當生病的動物未能以這種速度增加體重時，錯過增加體重的機會就是生產(chǎn)力的永久性損失。第三，照顧生病的動物會增加勞動力成本。最后，有些動物永遠無法從BRD中恢復(fù)過來。BRD是美國飼養(yǎng)場犢牛死亡率的主要原因。

美國飼養(yǎng)場的牛只占全球牛群的一小部分。美國牧場主每年收獲近300億頭小牛，所有這些都可能成為BRD的受害者。由于BRD發(fā)病的原因是多因素的，盡管幾十年來對動物福利進行了研究和改善，但養(yǎng)牛業(yè)仍無法減少BRD造成的損害。

監(jiān)測牛的生命體征

為了改善動物福利并降低與動物死亡率和發(fā)病率相關(guān)的成本，該行業(yè)非常重視改善早發(fā)性檢測。傳統(tǒng)上，該行業(yè)依賴于經(jīng)驗豐富的筆騎手，他們可能會注意到特定動物行為的變化，從而測試它們的體溫。如果動物的核心溫度高于 40.5 °C （104.9°F），則認為它患有 BRD。還有很大的改進余地。

首先，使用嚴格的溫度閾值來診斷BRD忽略了每只動物具有不同標稱核心溫度的現(xiàn)實。40.5°C只是一大群牛的平均發(fā)燒溫度。其中一些的核心溫度自然低于平均水平，即使它們的核心溫度低于閾值，也可能已經(jīng)發(fā)燒。這與指導理解縱向和個性化健康監(jiān)測為人類患者提供更好的醫(yī)療保健的原則相同。

其次，盡管大多數(shù)飼養(yǎng)場經(jīng)營者對他們的圍欄騎手的能力充滿信心，但研究人員報告說，大多數(shù)被檢查的收獲牛的肺部都有病變，即患有（并恢復(fù)）嚴重的呼吸道疾病，即使大多數(shù)從未接受過BRD治療。事實上，一個有經(jīng)驗的騎手每天可以照顧8，000到12，000頭牛。因此，每只可能生病的動物只能引起騎手不到兩分鐘的注意。此外，由于處理和測試可能生病的動物所需的人工成本，騎手接受過錯誤培訓，可以錯誤地處理假陰性。更糟糕的是，筆騎手的勞動力正在老化，能夠做出準確快速判斷的經(jīng)驗豐富的手越來越少。2所有這些因素都為創(chuàng)建BRD的自動早發(fā)檢測系統(tǒng)提供了合理的論據(jù)。

由于固定的核心溫度閾值 40.5°C 一直是診斷 BRD 的黃金標準，因此已經(jīng)有很多嘗試來監(jiān)測每頭奶牛頭部的溫度。這些嘗試包括使用攝入的推注測量瘤胃遙測溫度，測量耳道內(nèi)空氣溫度或鼓膜溫度，測量皮膚溫度，以及應(yīng)用熱成像來估計眼溫。這些方法要么數(shù)據(jù)可靠性非常低，要么被證明與飼養(yǎng)場的工作流程不兼容（下一節(jié)將詳細介紹）。

獸醫(yī)研究人員調(diào)查BRD的其他發(fā)病癥狀偶然報道了SpO2從BRD不同階段的牛測量。數(shù)據(jù)顯示，隨著疾病變得更加嚴重，平均值下降。3由于BRD是一種呼吸系統(tǒng)疾病，因此SpO是有道理的2會隨著呼吸道感染影響氧氣攝入而下降。事實上，我們咨詢過的該領(lǐng)域的專家都同意SpO。2應(yīng)該是一種有價值的生物標志物。然而，很明顯，沒有跟蹤SpO。2在 BRD 感染過程中對奶牛進行值，以幫助我們了解生命體征可能如何變化以及它是領(lǐng)先指標還是滯后指標。

用例和工作流程：牛健康監(jiān)測

將運行狀況監(jiān)測器連接到牛群必須符合飼養(yǎng)場中的工作流程。通過與行業(yè)專家合作，我們的團隊很快就了解了其中的限制因素。

當牛被放入滑槽時，耳標會附在牛身上。將動物圍起來將它們放入滑槽是勞動密集型的，并且在動物在飼養(yǎng)場的整個停留期間只進行幾次 - 特別是在攝入期間和收獲前對動物進行分類時。

筆騎手平均每天檢查一次動物。動物在喂食過程中可能會受到一些關(guān)注，但在大型飼養(yǎng)場，該過程是半自動化的。

美國食品和藥物管理局（FDA）的規(guī)定要求從動物尸體上移開外來物體，例如胃中的測溫推注物，以免意外污染我們的食物供應(yīng)。然而，頭部，包括耳朵，不被認為是可食用的部分，屠宰后被丟棄。事實上，耳標已經(jīng)用于識別和追蹤飼養(yǎng)場動物。動物在飼養(yǎng)場被標記作為其攝入程序的一部分，標簽一直保留在動物身上，直到收獲。

BRD在幼牛被運送到飼養(yǎng)場后立即在幼犢中最為普遍。這非常普遍，以至于BRD也被稱為航運熱。一旦動物適應(yīng)了飼養(yǎng)場，BRD的風險就會顯著降低。然而，隨著動物的死亡率隨著時間的推移而增加，健康監(jiān)測的價值并沒有完全消失。最重要的是，該行業(yè)不僅對監(jiān)測動物的BRD非常感興趣，而且對監(jiān)測它們的整體健康和福利也非常感興趣。

概念：智能畜牧系統(tǒng)

鑒于飼養(yǎng)場的既定工作流程，智能畜牧系統(tǒng)（見圖1）可以通過提醒動物氧氣讀數(shù)低于該特定動物的縱向標準來幫助圍欄騎手。該系統(tǒng)將由配備SpO的耳標組成2和其他傳感器。與可穿戴健身設(shè)備不同，耳標永久安裝在牛身上，因此每個耳標都會監(jiān)控動物身上大致相同的位置，并減輕與設(shè)備日常佩戴方式相關(guān)的數(shù)據(jù)變化。即便如此，我們推測數(shù)據(jù)可能會隨著小牛的成長和毛發(fā)長度的變化而變化，但我們推測這種變化很慢，可以用智能基線算法進行跟蹤。

圖1.智能牲畜監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。

耳標將收集傳感器數(shù)據(jù)，本地處理將提取包括SpO在內(nèi)的生物標志物2.低功率無線電， 例如基于 LoRa 的無線電， 將這些生物標志物傳輸?shù)交?，該基站可以方便地安置在飼養(yǎng)場的辦公室或安裝在飼料運送卡車上.然后，云中的算法可以處理生物標志物數(shù)據(jù)，維護每只動物的縱向記錄，并在生物標志物明顯偏離標準時發(fā)出警報。生物標志物數(shù)據(jù)只需要每天最多生成一次評估，因此耳標可以在原電池上運行很長時間。

順便說一下，動物毛發(fā)對于光學生物傳感來說并不是一個重大問題。頭發(fā)和組織一樣，是一種蛋白質(zhì)，很容易被LED燈穿透（圖3）。事實上，在體重至少300至400磅的年輕小牛中，我們從小牛耳標的PPG信號中獲得的灌注指數(shù)比從較小人類的健身手表中獲得更好的灌注指數(shù)。

圖3.從奶牛耳標收集的PPG數(shù)據(jù)。

可穿戴原型測試可行性

為了進行檢查，我們創(chuàng)建了一個仿照牛上使用的商業(yè)標簽的耳標。該標簽包括一個光學PPG，采用MAX86141模擬前端，帶有紅色和紅外LED。因為光學SpO2測量容易受到運動偽影的影響，我們提供了一個加速度計，因此我們可以檢測運動并拒絕標簽移動時捕獲的任何PPG數(shù)據(jù)。

由于我們可行性研究的目標是找到一種可行的牛監(jiān)測算法，因此我們將PPG設(shè)置為100sps采樣。牛心率平均低于 84bpm，與人類心率相差不大。我們選擇了高于必要的采樣率，以確保我們捕獲了PPG波形的高次諧波。我們將PPG和加速度計的所有原始數(shù)據(jù)存儲在標簽上的閃存中，并從實驗中恢復(fù)標簽以進行批處理。這種方法避免了無線傳輸造成的數(shù)據(jù)丟失的任何復(fù)雜性。顯然，在任何生產(chǎn)部署中，我們都必須在耳標上運行我們的算法，并且只傳輸一小部分生物標志物數(shù)據(jù)。

為了在使用壽命和耳標重量之間取得平衡，我們使用了1000mAh電池。為了最大限度地降低功耗，我們沒有在PPG中包含綠色LED，因為我們也可以從紅色或紅外通道獲得心率信息，盡管不是最佳的。我們能夠使用我們的數(shù)據(jù)采集方案運行耳標約 10 天（見下文）。

基本事實及其困難

在創(chuàng)建傳感器時，具有參考或基本事實非常重要。然而，獲得SpO的基本真相2在牛身上很難。脈搏血氧儀設(shè)計用于臨床環(huán)境中的固定患者，讀數(shù)通常作為快照而不是連續(xù)拍攝。該團隊毫不氣餒，進行了脈搏血氧儀測量，并從少數(shù)麻醉的小母牛身上抽血，以將它們的血氧含量與我們的傳感器讀數(shù)相關(guān)聯(lián)。

我們使用幾種不同的臨床級脈搏血氧儀進行讀數(shù)，目的是將我們的耳標傳感器校準為參考。雖然血氧儀的讀數(shù)在氧氣濃度高時彼此一致，但當血氧水平下降到接近90%左右時，他們的結(jié)果彼此不一致。即使檢查動脈血液的氧氣濃度也容易出現(xiàn)人為錯誤，導致明顯的重復(fù)性誤差。我們第一次嘗試建立地面真相是失敗的。

退后一步，我們意識到我們的目標是檢測BRD的發(fā)作，而BRD的下降只是我們正在追蹤的癥狀。如果我們可以使用受控疾病挑戰(zhàn)研究來控制動物何時被感染，那么就有既定的程序來確定被挑戰(zhàn)的動物何時生病，而不必知道動物的血氧水平。

實驗

我們與德克薩斯A&M大學AgriLife Extension的研究人員密切合作進行了一系列實驗。通過一系列的設(shè)計變更，我們在傳感器設(shè)計中試驗了LED和光電探測器之間的不同距離，以提高紅光和紅外光的灌注指數(shù)。我們還通過測試一系列在3D打印機上生產(chǎn)的機械耳標設(shè)計來改善組織到光學傳感器的耦合。事實證明，3D打印材料是脆弱的，我們的耳標組件通常經(jīng)不起牛長時間磨損的粗暴處理。最后一個缺陷困擾著我們的實驗，但我們相信可以通過放棄使用3D打印來輕松補救。盡管如此，3D打印是我們改變機械設(shè)計的最有效手段，這樣我們就可以更快地學習和改進。

AgriLife團隊帶領(lǐng)我們按照眾所周知的行業(yè)協(xié)議設(shè)計了一個BRD挑戰(zhàn)實驗4.該協(xié)議設(shè)置了兩組動物：一組用于對照，另一組用于挑戰(zhàn)。受挑戰(zhàn)的動物接種牛皰疹病毒-1（BHV-1），三天后使用支氣管選擇性內(nèi)窺鏡檢查給予曼海姆氏溶血菌（MH）。對照動物按照其他相同的程序用磷酸鹽緩沖鹽溶液處理。兩組均監(jiān)測瘤胃溫度和攝食行為，并目視評估疾病的臨床體征。這些日常監(jiān)測器，尤其是任何瘤胃熱療事件（溫度上升峰值），有助于為我們提供BRD發(fā)病的基本真相。為了更好地衡量，我們還在實驗過程中從動物的耳朵中采集了幾次動脈和靜脈血液樣本。

我們監(jiān)測了SpO2與已知動物健康的基線相比的水平。我們可以簡單地使用R作為我們的生物標志物，其中

SpO2≈0+ 一個1R + a2R2

事實上，對于圍繞一個范數(shù)的微小偏差，SpO之間的關(guān)系2R大致是線性的：常數(shù)a1是一個負數(shù)。所以，當SpO2下降，R 增加。

我們花時間為每只動物的參考、瘤胃溫度和攝食行為建立了基線。在我們服用BHV-1的前一天，我們安裝了耳標。耳標每天從晚上40點到早上40點每9分鐘收集6秒的PPG和加速度計數(shù)據(jù)，直到它們被移除或移開。整個過程由AgriLife團隊處理。

結(jié)果

許多耳標被證明太脆弱，無法承受動物的粗暴對待。因此，很大一部分傳感器被毀，無法提供有用的數(shù)據(jù)。在恢復(fù)的數(shù)據(jù)中，R（圖4a）和動脈血氧水平（圖4b），SaO2，在MH挑戰(zhàn)后顯示出與常態(tài)的小幅偏離。變化的幅度比生物標志物（對照）的正常每日波動大約50%。

值得注意的是，在實驗期間，我們經(jīng)歷了兩次明顯的雷暴，夜間平均溫度變化了約15°C。 環(huán)境條件的變化不會影響我們的生物標志物。

圖4a/4b：奶牛耳標監(jiān)測器的實驗結(jié)果，顯示匯總數(shù)據(jù)（4a）和動脈SO2（4b）。

三. 意見和后續(xù)步驟

實驗表明，R，并通過推斷SpO2，是 BRD 發(fā)病的可測量但較弱的指標。從生理上講，動物會以任何方式補償缺氧。因此，如果在BRD發(fā)作期間呼吸功能受到影響，動物會增加呼吸頻率和心率，以防止血氧水平嚴重下降。只有隨著疾病的進展，其肺部進一步受損，這些應(yīng)對機制才會跟不上，血氧水平才會急劇下降。因此，通過推注測量瘤胃溫度或使用 GrowSafe 系統(tǒng)監(jiān)測飼喂行為為BRD挑戰(zhàn)研究提供了更強的信號。不幸的是，這兩種監(jiān)測系統(tǒng)都不適合牛肉生產(chǎn)工作流程。

創(chuàng)建自動化系統(tǒng)來監(jiān)測動物健康的嘗試仍在繼續(xù)。我們的可行性研究有一些自然的后續(xù)行動。

結(jié)合 SpO2（或 R）與另一個生物標志物.使用單一生物標志物進行BRD檢測容易受到錯誤觸發(fā)的影響。雖然來自R的信號不明顯，但受環(huán)境變化的影響可能較小。因此，將R與其他生物標志物（如溫度和活性）相結(jié)合可能會提供更可靠的預(yù)測。

合格 SpO2（或 R）伴靜息心率.我們耳標上的光學傳感器還提供動物的心率。如前所述，靜息心率應(yīng)該隨著動物補償其受損的呼吸功能而增加。我們將不得不修改我們的數(shù)據(jù)收集協(xié)議，以便在打開光學傳感器之前很久就捕獲加速度計數(shù)據(jù)，以便我們可以識別靜息心率。

改進運動偽影緩解。由于牛的耳朵不斷移動，我們?nèi)匀豢梢葬槍︻A(yù)期的運動偽影改進我們的R生物標志物檢測算法。

研究更大的人群。每種動物對疾病的反應(yīng)不同。我們需要來自更多牛群的數(shù)據(jù)：不同品種、不同氣候、不同海拔高度的數(shù)據(jù)，以驗證任何健康監(jiān)測方法以適應(yīng)變化。

自然 BRD 發(fā)作與挑戰(zhàn)。自然界中發(fā)生的BRD不遵循受控疾病挑戰(zhàn)的模式。因此，使用一系列挑戰(zhàn)性研究開發(fā)的算法在生產(chǎn)飼養(yǎng)場環(huán)境中可能不那么有效。

這項研究得益于動物科學、獸醫(yī)學、生物工程、光學設(shè)計、數(shù)據(jù)科學和算法等多個學科的專家，以及我們應(yīng)用人員的奉獻精神。在一個吹捧使用大數(shù)據(jù)的進步的時代，我們發(fā)現(xiàn)動物科學家和獸醫(yī)往往缺乏與我們的用例相關(guān)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。在我們的情況下，缺乏數(shù)據(jù)可歸因于可以收集縱向SpO的傳感器2不存在對活體動物的一致測量。這種傳感器之所以沒有被開發(fā)出來，是因為在這個不同的專家小組開始一起工作之前，工程師們并不知道任何潛在的用例。

盡管如此，研究人員仍然對評估動物健康和福利的遠程和非侵入性方法感興趣，不僅要檢測BRD，還要檢測腹脹和壓力等問題。了解如何監(jiān)測個體動物的健康有助于我們了解如何為人類患者可靠地實施個性化醫(yī)療保健。生物傳感器將繼續(xù)發(fā)揮更大的作用。激動人心的時代就在前方！

審核編輯：郭婷