基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线监测系统

1研究背景和意义

奶牛乳腺炎是发生在奶牛乳腺的一种炎症，我国奶牛乳房炎的发病率一般在20%—75%，其中临床型乳房炎（clinicalmastitis）发病率在9.7%—55.6%，而隐性乳房炎（subclinicalmastitis）发病率却高达61.03%—79.62%，直接给我国的奶牛业、乳制品企业和社会带来了巨大的经济损失。近年来，我国奶牛的饲养数量逐年增加，牛场规模逐步扩大，但对于奶牛乳腺炎诊断的方式大多还停留在原始的乳汁细菌培养法、乳汁体细胞技术法，乳汁酶类活性分析法等传统方式，而本系统利用的红外线热成像技术具有非接触、无创、快速连续的成像等诸多优势，奶牛疾病诊断方面可以有更广泛的应用。

红外热像技术在我国起步较晚，1976年以前还是一片空白。1975年上海率先成立了科研、生产、使用三结合的医用红外热像仪研制协作组，于1976年试制成功第一台样机并投入临床试用。1979年姜宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用报道，表明我国已用红外热像技术的开发和应用与国际进展基本同步。之后，红外热像技术在医学中的应用逐渐成熟，为医疗事业做出了不可磨灭的贡献。目前我国红外热像仪主要应用在人体临床医学诊断、建筑学以及化工设备缺陷诊断等领域，但在动物疾病应用领域的研究甚少，尤其是奶牛疾病的诊断方面。本文介绍的一种基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线监测系统相对于传统检测方法而言具有自动化、非接触、快速无损检测等诸多优势，可以及时有效的检测奶牛乳房健康情况，大大提高奶牛乳腺炎检测效率，节约了人工成本。

2工作原理

从物理学的角度来看，动物就是一个自然的生物红外辐射源。它不断地向周围空间发散红外辐射能。当动物身体局部发炎或某些生理状况发生变化时，这种全身或局部的热平衡受到破坏或影响，于是在临床上就表现出组织温度的升高或降低。因此利用红外线热成像技术测定动物体表部分温度的异常变化，就可以成为诊断奶牛相关疾病的参考依据，也为本系统的设计提供了理论依据。张鲜等人通过研究及结合国外科学家的实验得出结论：应用红外摄像仪，具有简便、无创、无辐射损害，热图电脑储存便于反复复查对比等优点通过热像图能够较准确的诊断出奶牛临床疾病的状态。

本系统以红外热成像技术为基础，完整的构建了一个基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线实时监测系统。具体的设计原理如下：首先利用温湿度传感器对牛舍环境进行温湿度检测；利用超声波测距系统自动捕捉拍照时机，并通过单片机控制系统启动红外摄像头对经过的奶牛的乳腺进行自动拍照。并将其所拍图像通过传输装置传输到上位机检测系统，对其采集到的红外图像进行图像处理，并通过相关软件将奶牛乳房分为四个区域，分别计算其各个区域温度以及平均温度。最后通过该平均温度结合环境温湿度计算奶牛乳腺炎发病指数，该指数与奶牛正常生理常数通过建立一定的线性模型或者图表进行参数对比，从而得出相应的判断依据，并实时对奶牛乳腺炎疾病进行监测，当该指数出现异常，单片机所连接的报警系统自动发出警报，从而及时、准时、准确的给出判断，为奶牛乳腺炎疾病发现和治疗节约了时间。

3系统设计

4实验结果及数据分析

已有的研究表明，正常奶牛的左右乳房温度呈对称分布，当左右乳房温度差值超过1.5℃时，可初步判断温度升高一侧乳腺已经患有隐性乳房炎。本检测系统以此为依据，设定系统阈值为1.5℃。通过在奶牛场实地检测，验证系统运行正常，可以报警。提取报警奶牛的乳汁利用体细胞计数法（scc）进行比对实验。实验结果显示，有75.6%的报警奶牛确实患有隐形乳房炎。

通过上述实验可以证明本系统对于奶牛隐性乳腺炎的检测准确率在75.6%左右，对奶牛隐形乳房炎有一定的预警作用。通过实验分析发现，引起检测准确率下降最主要的因素如下：由于个体变异，奶牛乳房皮肤温度的变化差异较大，这种差异主要来源于奶牛的品种，胎次、泌乳期等因素。所以，在本系统中奶牛乳腺炎报警的阈值温度是不同的，要根据奶场的实际情况进行调节。以提高系统检测的准确性。

5结束语

奶牛乳腺炎作为奶牛最常见的疾病，大大降低了奶牛的产奶量和质量，现有的对奶牛乳腺炎检测方法普遍比较繁琐，检测周期较长，一般需要提出奶样，检测设备也较为昂贵，而本系统基于红外热热成像技术，不但可以很好的解决上述问题，而且可以实现对奶牛乳房的实时检测，做到尽早发现，尽早治疗，减轻工人的劳动强度，具有较好的市场前景。结构简单，实用性强，具有很高的实用意义和市场推广价值。