环境温湿度及测量部位对奶牛红外热成像温度的影响

何金成，张鲜，李素青，甘乾福

（1.福建农林大学机电工程学院，福州350002；2.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福州350002；3.福建农林大学动物科学学院，福州350002）

体温是奶牛机体重要的生理指标，奶牛体温会在相对恒定的范围内波动[1-2]。特定的体温能够反映机体特定的生理或病理状态，是机体疾病预警、繁殖管理的重要依据，比如应激[3-4]、口蹄病变[5]、乳腺炎[6]、呼吸道感染[7]等发生时，奶牛的体温会发生不同程度的变化。因此，简便、准确、有效地监测奶牛体温变化，不仅有助于准确地对奶牛进行发情鉴定、妊娠诊断及分娩时间预测，科学合理地进行输精，并针对妊娠、分娩等繁殖环节组织生产和进行管理，而且还可以积极有效地对疫病进行监测、预防及控制。

目前，很多奶牛场依然以水银温度计测量直肠温度的方式来直接测量奶牛的体温，耗时耗力，效率低下，并且重复使用水银温度计容易引起奶牛疾病的交叉感染，无法满足大型现代化牧场管理的需求。随着科技的发展，已有不少研究人员将生物传感器和无线传感技术应用于动物体温的测量中，并取得了一定的成果。KYLE 等[8]和SAKATANI 等[9]在奶牛阴道内植入无线温度传感器，以实现对奶牛阴道内温度的实时采集；MORAIS 等[10]通过外科手术将与会阴肌肉组织无排斥反应的无线温度传感器植入奶牛会阴部肌肉，以监测会阴部温度，进行发情鉴定；ALZAHAL 等[11]和TIMSIT 等[12]将无线电瘤胃丸通过牛口腔投入瘤胃，以实现瘤胃温度变化的自动监测。不过，无论皮下埋置传感器还是投入瘤胃丸都可能会对奶牛造成一定伤害，引起奶牛的应激反应，不符合实验动物福利要求。

红外热成像（infrared thermography, IRT）技术具有非接触、无损、便捷、快速等优势，近年来已被用于动物医学和动物科学领域，主要用于动物体表或核心温度的波动监测[13-17]、早期疾病的监测预测[18-21]、动物应激水平的监测[22-24]、与恐惧和疼痛相关的生理反应的评估[25-27]，这些研究对于提高动物福利有着重要的作用。但是，影响IRT 现场测量的因素很多，尤其是环境因素的影响使得IRT 测量精度并不高。本研究旨在研究环境温度、湿度等对IRT测温的影响，以及检验通过奶牛体表、眼部和鼻镜的IRT 温度来预测奶牛体温的方法的有效性，并分析影响IRT温度准确性的因素。

1 材料与方法

1.1 试验动物

试验于2015年5月至2016年1月在福建省长富乳业集团股份有限公司第二十七和三十三牧场进行，每次选取40头健康、生长发育良好、泌乳期相近的3周龄荷斯坦奶牛作为试验对象。所有试验奶牛个体之间不存在血缘关系。该奶牛场为规模化牧场，牛舍为开放式牛舍，散栏式饲养，自由采食，自由饮水，自由活动。每日投料3 次（08:00、14:00、20:00），自动饮水，集中挤奶，每天挤奶3 次（08:30、15:00、20:30）。

奶牛体温测量分别于每日10:30、12:30、17:00进行。测量人员分成4组，1组采用红外热成像技术对奶牛体温进行测量，3 组采用兽用水银温度计直接对奶牛直肠温度进行测量，且在每次红外热成像拍摄完后马上进行。

1.2 奶牛红外热成像图片的采集

本试验采用FLIR E60便携式红外热像仪（美国FLIR Systems公司）获取奶牛的红外热成像图片，拍摄时无风、无太阳直射，没有对奶牛采取任何限制措施。在拍摄过程中，使用TES-1360A便携式温湿度计（泰仕电子工业股份有限公司）每30 min 记录一次牛舍内的环境温度和相对湿度。采用FLIR Tools V3.1.1（美国FLIR Systems 公司）对采集到的红外热成像图进行目标区域温度提取。

1.2.1 奶牛体表温度的红外热成像测定

奶牛体表皮肤温度（Tskin）由不同部位测定值及该部位皮肤面积占全身皮肤面积的百分比来计算。取点方式和计算公式参照MCLEAN等[28]的方法，如图1所示，在牛的身体一侧设置6个测量部位（躯干上部、躯干下部、四肢上部、四肢下部、垂皮、耳），11个测量点。同一部位有2 个测量点及以上的，取测量温度的平均值。牛身体两侧共22个测量点。式中：TUT为躯干上部（upper trunk）的皮肤温度，测量点A和B；TLT为躯干下部（lower trunk）的皮肤温度，测量点C 和D；TUL为四肢上部（upper limbs）的皮肤温度，测量点E、F和G；TLL为四肢下部（lower limbs）的皮肤温度，测量点H 和J；TDEW为垂皮（dewlap）的皮肤温度，测量点K；TEAR为耳（ear）的皮肤温度，测量点L；系数0.25、0.25、0.32、0.12、0.02、0.04 分别代表躯干上部、躯干下部、四肢上部、四肢下部、垂皮、耳等部位面积占全身皮肤面积的系数。

图1 奶牛体表皮肤温度的红外热成像测量位置Fig.1 Sites of surface skin of dairy cow under IRT measurement

测量时，被测量部位应保持干燥、无污染，红外热像仪镜头距被测部位0.5～1.0 m，并垂直于被测部位，22个取样点逐个测量，由式（1）计算得到奶牛体表皮肤的红外热成像温度Tskin，后文称IRT-S。

1.2.2 奶牛眼部温度的红外热成像测定

分别对奶牛的左眼和右眼进行拍摄，红外热像仪镜头距奶牛眼部0.5～1.0 m，并垂直于被测部位。选取紧挨眼球的下眼睑且宽度约1 cm 的半圆环形区域作为眼部温度测量区，如图2 所示。以眼睑区平均温度作为该头奶牛的眼部红外热成像温度（IRT-E）。

1.2.3 奶牛鼻镜温度的红外热成像测定

图2 奶牛眼部温度红外热成像测量位置Fig.2 Site of eye of dairy cow under IRT measurement

取奶牛鼻上没有毛发覆盖的、宽度约3 cm的矩形区域作为鼻镜部温度测量区，如图3 所示。取测量区平均温度作为该头奶牛的鼻镜红外热成像温度（IRT-N）。

图3 奶牛鼻镜温度红外热成像测量位置Fig.3 Site of nose of dairy cow under IRT measurement

1.3 试验数据统计与分析

试验共测量200头奶牛，每头奶牛拍摄25张红外热成像图并测定直肠温度，其中，涉及平均皮肤温度的4 400张、平均眼部温度的400张（左、右眼各200 张）、平均鼻镜温度的200 张。剔除由于部分奶牛在测量过程中情绪暴躁或红外测量区域有明显污渍的图片，最终获得171头奶牛的4 275张有效红外热成像图。同时，记录了测量时的环境温度和相对湿度，共获得171组数据。

试验数据用SPSS 22.0 进行统计分析和差异显著性检验，并使用Origin 9.0绘制数据图。

2 结果

2.1 环境因素对奶牛皮肤、眼部、鼻镜、直肠平均温度的影响

2.1.1 环境温度的影响

171 头奶牛在不同环境温度下，IRT-E、IRT-N、IRT-S 和直肠温度的变化情况如图4 所示。环境温度为－1～36 ℃，基本涵盖了该地区最低到最高的所有气温。

由图4 可知，IRT 温度随环境温度变化而变化，呈正相关关系。其中：环境温度对IRT-S影响最大，其次是对IRT-N；环境温度对眼部IRT 测温也有影响，但影响较小；直肠温度基本不受环境温度的影响。在同一环境温度下，直肠温度变化最小，偏差在0～0.49 ℃之间，平均偏差为0.16 ℃；其次是IRT-E的变化，偏差在0.06～0.64 ℃之间，平均偏差为0.27 ℃；再次是体表平均温度的变化，偏差在0.08～1.99 ℃之间，平均偏差为0.89 ℃；鼻镜IRT温度变化最大，偏差在0.06～3.60 ℃之间，平均偏差为1.30 ℃。在不同的环境温度段，偏差的幅度也不一样，当环境温度小于10 ℃时，IRT-E、IRT-N、IRT-S的平均偏差分别为0.37、2.06、1.22 ℃，当环境温度大于26 ℃时，IRT-E、IRT-N、IRT-S的平均偏差分别为0.18、0.22、0.42 ℃。

图4 环境温度对奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S和直肠温度的影响Fig.4 Influence of ambient temperature on the IRT temperatures of eye,nose,skin and rectal temperature

以环境温度为自变量，分别以IRT-E、IRT-N、IRT-S、直肠温度为因变量，做一元线性回归分析，结果发现：环境温度对IRT-E、IRT-N、IRT-S的影响显著（P＜0.000 1），对直肠温度影响不显著（P＞0.1）；环境温度与IRT-S的线性相关最明显，回归系数R2=0.927 4；与IRT-E、IRT-N 呈中等线性相关，回归系数R2分别为0.683 4、0.615 0；与直肠温度基本无线性相关性，回归系数R2=0.000 3。

2.1.2 环境湿度的影响

以空气相对湿度为自变量，以IRT-E、IRT-N、IRT-S、直肠温度为因变量，做一元线性回归分析。结果发现：环境相对湿度对IRT-E、IRT-N、IRT-S影响显著（P＜0.000 1），回归系数R2分别为0.110 6、0.265 3、0.174 7；对直肠温度影响不显著（P＞0.1），回归系数R2为0.002 3。与环境温度相比，环境相对湿度对IRT测温的影响要小得多。

2.2 奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S 与直肠温度（RT）的相关性分析

对171头奶牛的直肠温度（RT）与IRT-E、IRT-N、IRT-S做皮尔逊相关分析，结果见表1。RT与IRT-E、IRT-N、IRT-S显著相关（P＜0.01），其中：RT与IRT-E的相关性最强，相关系数r=0.705；RT与IRT-N、IRT-S的相关系数接近，为中等相关强度。

对171 头奶牛直肠温度（RT）与IRT-E、IRT-N、IRT-S的差值进行分析，统计结果见表2和图5。奶牛RT与IRT-E、IRT-S、IRT-N的差值平均值分别为1.41、9.61、5.63 ℃，温度差值最大值分别为2.71、17.30、15.22 ℃，温度差值相对标准偏差分别0.40、0.46、0.61 ℃。说明IRT-E 比IRT-N、IRT-S 与RT 更接近。

2.3 奶牛IRT 温度与直肠温度的回归分析

2.3.1 一元线性回归分析

分别以IRT-E、IRT-N、IRT-S为自变量，以直肠温度为因变量，做一元线性回归分析，发现眼部、鼻镜、表皮的IRT 温度对直肠温度有显著影响（P＜0.000 1），R2分别为0.494 0、0.328 0、0.273 1，标准误分别为0.17、0.19、0.20 ℃。

2.3.2 非线性拟合

2.3.3 多元线性回归分析

以环境温度、环境湿度和直肠温度为自变量，以IRT-E、IRT-N、IRT-S为因变量，做多元线性回归分析，结果见表3。从中可以看出，环境温度、环境湿度和直肠温度对IRT-E、IRT-N、IRT-S的3个多元线性回归方程的线性关系均显著（P＜0.000 1），R2分别为0.821 2、0.684 9、0.927 7。若以显著水平P＜0.01 对回归系数进行检验，自变量环境温度和直肠温度在3 个方程的回归系数检验中均显著（P＜0.000 1），而环境湿度均不显著（P＞0.01）。当其他变量保持不变时，1 ℃的环境温度变化预示着IRT温度的显著变化（P＜0.000 1），IRT-E、IRT-N、IRT-S的变化量分别为0.04、0.35、0.19 ℃；而当其他变量保持不变时，1 ℃的直肠温度变化预示着IRT温度的显著变化（P＜0.000 1），此时IRT-E、IRT-N、IRT-S的变化分别为1.18、2.38、4.36 ℃。说明环境温度和直肠温度均对眼部、鼻镜、皮肤的IRT温度有显著影响，而且，直肠温度对IRT温度的影响比环境温度对其的影响分别大29.5倍、6.8倍、12.5倍。因此，在一定程度上，IRT-E、IRT-N、IRT-S 温度均指示直肠温度。

表1 奶牛IRT-E、IRT-N、IRT-S与直肠温度（RT）的相关性分析结果Table 1 Correlation analysis results between IRT-E,IRT-N,IRT-S and rectal temperature(RT)in dairy cows

表2 奶牛直肠温度与红外热成像温度差值的统计结果Table 2 Comparison of the temperature differences between RT and IRT temperatures℃

图5 直肠温度与红外热成像温度差值的箱线图Fig.5 Box plots of the differences between RT and IRT temperatures

2.3.4 按温度分段的一元线性回归分析

环境温度（T）值按T≤10 ℃、10 ℃＜T≤26 ℃、T＞26 ℃分成3 段，分别以IRT-E、IRT-N、IRT-S 为自变量，以直肠温度为因变量，做一元线性回归分析，结果如图6 所示。各分段回归线性关系显著（P＜0.000 1）。各分段拟合直线的斜率呈现出温度越高斜率越大的趋势。当T≤10 ℃时，眼部、鼻镜、表皮的IRT温度对直肠温度的回归判断系数R2分别为0.604 8、0.545 6、0.386 3；当0 ℃＜T≤26 ℃时，R2分别为0.732 3、0.318 6、0.303 4；当T＞26 ℃时，R2分别为0.825 9、0.557 3、0.363 3。各分段的拟合优度R2均高于未按环境温度数据分段的一元线性拟合，也优于指数拟合。在这3个温度分段中，IRT-E对直肠温度的拟合优度均高于IRT-S和IRT-N。

表3 环境温度、环境湿度、直肠温度与IRT温度之间的多元线性回归分析结果Table 3 Results of multivariate linear regression analysis among ambient temperature, relative humidity, rectal temperature and IRT temperatures

3 讨论

体温的测量对于动物具有重要的意义，尤其是马、牛等大型动物，因此，简单高效的体温检测方式的获得非常必要。红外热成像技术具有快速、非接触、无损伤等优势。目前报道的利用红外热成像技术快速检测动物疾病、炎症、应激、恐惧等的研究，都是在动物身体局部（或全部）区域温度的基础上，再建立相关预测模型。使用红外热成像技术测量奶牛体温，首先需要考虑测量过程中影响红外热成像测量的诸多因素；其次是选择正确的测量部位。

3.1 环境温度、湿度对IRT 测温的影响

在动物体温的红外热成像测量过程中，影响因素包括环境温度，湿度，光照，风速，太阳辐射量，相机与测量目标之间的距离、角度等，已有不少学者在这些方面进行了相关研究[5,14,17,29-31]。但是在大部分IRT测温研究中，所记录的环境温度和湿度数据，仅被作为红外热像相机输入的温度补偿参数，没有把它们作为影响测温的重要因素来单独研究。本研究的试验对象奶牛为温血动物，其体表温度受环境温度的影响大，因此，输入相机中的环境温度和湿度参数无法完全校正其对测温的影响。从本研究结果可以看出，环境温度和湿度均对IRT 测温有显著影响（P＜0.000 1），但环境湿度比环境温度带来的影响更小。奶牛IRT 温度平均值受环境温度影响极大，且随其增加而增加，其中IRT-S 的变化尤为突出，与环境温度的拟合优度R2达0.927 4。IRT 温度的偏差幅度也随环境温度变化而变化，环境温度越低，IRT 温度的偏差幅度就越大。这可能是由于环境温度与动物体内温度差异越大，体表热交换速率越高，对风速、环境热辐射等越敏感，空气稍有扰动，即会影响体表温度，造成IRT 温度偏差的变化。因此，环境温度对IRT 测温的影响不容忽视。在－1～36 ℃整个温度区间，环境温度对奶牛IRT温度的影响表现出较强的非线性，但是，使用非线性（指数）拟合时，拟合优度R2提高不多。为降低环境温度对奶牛IRT 测温的影响，通过简单地对环境温度分段，可有效地提高IRT-E、IRT-N、IRT-S对直肠温度预测的精度。本研究把环境温度值按T≤10 ℃、10 ℃＜T≤26 ℃、T＞26 ℃分成3 段，使用IRT-E、IRT-N、IRT-S 温度分别对直肠温度做一元线性回归分析，极大地提高了IRT 测量的精度。但是对于分段的个数、各分段的临界温度点等，还需要进一步的研究。

图6 眼部、鼻镜、皮肤的IRT温度对直肠温度的回归结果Fig.6 Regression results of IRT temperatures of eyes, nose,skin to rectal temperature

3.2 红外热成像技术测量奶牛体温时测量部位的选择

不同的研究目的，对于IRT测量部位的选择也不一样。对于局部病变如蹄皮炎[18]、乳腺炎[32]，则针对患病部位进行测量，较为简单、直接；而对于身体核心温度[17]，以及应激[25-26]、发情[15]等生理反应时，测量部位的选择差异性则较大。本研究另外一个目的是，通过试验寻找一个最佳的测量部位，该部位温度能更好地代替体温又便于IRT测量。因此，本试验选择了眼部、鼻镜、皮肤3 种红外热成像温度测量方法。由一元线性回归分析结果可知，IRT-E、IRT-N、IRT-S与直肠温度的相关系数分别为0.702 9、0.572 7 和0.522 6。按环境温度分段后回归，IRT-E、IRT-N、IRT-S 与直肠温度的平均相关系数分别为0.887 2、0.683 2 和0.591 7。从统计学的角度看，测量点越多，越可以消除更多的随机噪声，本研究中皮肤测温法采用全身22个局部区域的平均温度，具有更强的稳定性，且IRT-S 可以更全面地反映奶牛的体温状况，可以避免因奶牛局部病变引起的温度异常而带来的误差[33]。但是，这种方法需要的测量点多，测量过程复杂、费时，且受到许多因素的干扰，如毛发沾染污染物和毛发的长短等。在与直肠温度进行回归分析时，IRT-S 的拟合优度R2不如IRT-E 和IRT-N。眼部和鼻镜测量基本不受毛发覆盖的干扰，且测量也更便捷。IRT-N的拟合优度R2比IRT-E的小。仔细查看与红外热成像图同时拍摄的可见光图像发现，奶牛进食时在鼻镜上留下的食物残渣，或饮水残留的水珠，都会导致鼻镜温度降低，在环境温度较低时尤为突出。在同一时刻，IRT-E 大于IRT-S，也大于IRT-N，受外界气温的影响相对更小，温度波动更小，更接近于体内温度。因为皮肤的温度在很大程度上取决于流经周围血管的血流量[34]，眼睑后缘和泪腺周围的小区有丰富的由交感系统支配的毛细血管床，血流量相对较大，使得该区域温度较为稳定，且接近于体内温度。因此，在这3种测量奶牛体温的方法中，选择IRT-E替代体温最佳。

4 结论

1）环境温度对IRT 测温的影响不容忽视。IRT温度的偏差幅度也随环境温度变化而变化，环境温度越低，IRT 温度的偏差幅度越大。通过简单地对环境温度进行分段，可有效地提高IRT-E、IRT-N、IRT-S对直肠温度预测的精度。但是对于分段的个数、各分段的临界温度点等，还需要进一步研究。

2）在一定程度上IRT-E、IRT-N、IRT-S 都可以指示直肠温度。其中IRT-E受环境温度影响相对最小，测量精度高，温度更接近于体内温度。因此，在这3 种测量奶牛体温的方法中，选择IRT-E 替代体温最佳。