Evaluation of core body temperature by two non-invasive methods of infrared thermography for health monitoring in pigs

Abstract

The well-being of animals, especially those used for food, has become a focus of public attention. Early detection of sickness may lead to better therapeutic results and, consequently, to increased animal welfare. Furthermore, because of increasing herd sizes and decreasing staff, individual animal care is becoming less common. Therefore, continuous monitoring of animal behaviour seems to become more and more important to improve prognoses. Following, early treatment of disease can be performed. One meaningful parameter for monitoring the health of the animals is body temperature. Rectal temperature measurements are invasive and time consuming; therefore, new methods would help improve the automatic detection of the body temperature. The overall objective of this dissertation was to validate various temperature devices to continuously monitor the body temperature of individual sows in a less invasive manner and to compare these data to rectal temperature data. Furthermore, specific behavioural patterns during fever were monitored to determine which changes in behaviour occur during disease states. These patterns could be used as a basis for automatic health detection systems. An infrared camera and an infrared thermometer were used to measure body surface temperature at various body locations. The eye and the back of the ear were determined to be good locations to measure the body surface temperature of sows in a contactless, noninvasive and automatic manner. The median differences between the infrared camera and the rectal temperatures were lower than those between the infrared thermometer temperatures and the rectal temperatures. The sensitivity of the measurements with the infrared camera was greater when measured at the back of the ear, followed by the eye, when compared to the other locations. Next to the eye and the back of the ear, the mammary gland and the vulva also generated acceptable results; however, these locations are not as practical. Unfortunately, this study showed that single body temperature measurements using the infrared technique are not able to detect fever in pigs. This work also presented the limits of this technique. One of the major difficulties is to aim the infrared device at the right measuring spot. Regardless, when measuring with just an infrared thermometer, fixed or unfixed, the appropriate spot and diameter at which to aim cannot be secured. However, an infrared camera has better aim, and infrared movies provide more information. Regardless of the limitations, these methods provide an advantage and allow for contactless continuous temperature measurements in animals. Furthermore, to test alternative methods for automatic measurement of body temperature, sows were vaccinated with a commercial vaccine to induce fever and mild sickness behaviours. It was shown that the rhinitis atrophicans vaccine was a low risk method for immune stimulation and for the induction of mild sickness behaviours and fever in gilts. During this trial, a vaginal logger was evaluated. A positive correlation between rectal temperatures and the temperatures from the logger were detected in the 21 vaccinated gilts. Hence, the logger might be a useful and less invasive tool for core body temperature monitoring. Unfortunately, due to urination and defecation, the measuring device often slipped out and needed to be reinserted. Therefore, this device might be useful in research, but not for commercial use. While under the influence of the vaccine, infrared thermometers, also known as pyrometers, were also tested. The pyrometer was aimed at the orbital area of each gilt and was able to collect continuous and contactless measurements. The pyrometer temperatures were taken while the gilts were drinking. Correlation was observed when continuous temperature monitoring was performed in two hour intervals. However, no satisfactory results could be retrieved. It was shown that the standard error of the measurements with both devices (the infrared thermometer and the vaginal logger) increased during the night and decreased during the day. This variation is likely linked to drinking frequency, as the sows clearly demonstrated a rhythmic pattern of drinking throughout the day and night. A short increase in body surface temperature could not be automatically detected using the pyrometer. The variability compared to the vaginal logger was too high; however, this variability might be different for longer-term temperature increases. However, using the rhinitis atrophicans vaccine to induce mild sickness behaviour and an increase in gilts body temperature is less risky than the injection of LPS. Using this vaccine is a good alternative method of inducing fever without causing severe side effects so as to monitor sickness behaviour or to evaluate sensors. As an alternative method for continuous temperature measurements, the vaginal logger may be a good choice, when its limits are taken into account. These limits include the fixation of the logging device and the loss of the logger during urination and defecation. Therefore, this device could be used for research endeavours, but is not suitable for use in practical application. The detection of illness behaviours showed that parameters such as lying down and water intake changed while the animals exhibited higher temperatures. For the detection of these parameters, long-term measurements of body surface temperature at defined locations using an infrared camera could provide helpful information for the early diagnosis of disease. Thus, early treatment could be performed, leading to better performance of the animals and the improved well being of the sow.

Das Wohlbefinden von Tieren, insbesondere derer für die Lebensmittelproduktion, hat sich zu einem Zentrum der öffentlichen Aufmerksamkeit entwickelt. Die Früherkennung von Krankheiten kann im Allgemeinen zu besseren Therapieergebnissen führen und damit zur Verbesserung des Tierschutzes. Außerdem nimmt die individuelle Pflege der Tiere auf Grund von zunehmenden Herdengrößen und sinkenden Mitarbeiterzahlen immer weiter ab. Daher wird die kontinuierliche Überwachung des Tierverhaltens mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Damit lassen sich bessere Prognosen treffen und die Behandlung von Krankheiten kann früher erfolgen. Ein aussagekräftiger Parameter für die Überwachung der Gesundheit von Tieren ist die Körpertemperatur. Rektale Temperaturmessungen sind invasiv und zeitaufwendig, daher sollten neue Verfahren zur Verbesserung der automatischen Erfassung der Körpertemperatur führen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Temperaturgeräte zu validieren, um die Körpertemperatur der einzelnen Sauen auf eine weniger invasive Art und Weise kontinuierlich zu überwachen und diese Daten mit den rektalen Temperaturdaten zu vergleichen. Darüber hinaus wurden bestimmte Verhaltensmuster bei Fieber überwacht, um festzustellen, welche Verhaltensänderungen bei Krankheitszuständen auftreten. Diese Muster können als Basis für automatische Gesundheitsdetektionssysteme verwendet werden. Eine Infrarot- Kamera und ein Infrarot-Thermometer wurden verwendet, um Körperoberflächentemperaturen an verschiedenen Körperstellen zu messen. Das Auge und die Rückseite des Ohres erwiesen sich als geeignete Lokalisationen um die Körperoberflächentemperatur der Sauen kontaktlos, nicht- invasive und automatische zu messen. Die mittleren Unterschiede zwischen den Temperaturen der Infrarotkamera und den rektalen Temperaturen sind niedriger als die Temperaturen zwischen dem Infrarotthermometer und dem Rektalthermometer. Die beste Sensitivität der Messungen mit der Infrarotkamera wurde erzielt, wenn an der Rückseite des Ohres gemessen wurde, gefolgt von der Lokalisation Auge. Neben dem Auge und der Rückseite des Ohres, konnten ebenfalls an dem Gesäuge und der Vulva akzeptable Ergebnisse erzielt werden. Messungen an diesen Lokalisationen erwiesen sich jedoch als weniger gut umsetzbar unter Praxisbedingungen. Die Auswertung dieser Studie zeigt des Weiteren, dass man mit Einzelmessungen der Körpertemperatur mit der Infrarottechnik nicht in der Lage ist, Fieber bei Schweinen zu erkennen. Diese Arbeit präsentiert auch die Grenzen der Infrarottechnik. Eine der Hauptschwierigkeiten besteht darin, mit den Infrarotgeräten auf den richtigen Messfleck zu zielen. Bei der Messung mit einem Infrarotthermometer, egal ob fixiert oder nicht fixiert, kann nicht sicher gesagt werden ob die anvisierte Stelle mit dem entsprechenden Durchmesser getroffen wurde. Allerdings lässt sich mit einer Infrarotkamera besser zielen und Infrarotfilme liefern mehr Informationen als das Infrarotthermometer. Unabhängig von den Einschränkungen, haben diese Verfahren den Vorteil, berührungslos und kontinuierlich Temperaturmessung an Tieren durchführen zu können. Darüber hinaus, um diese alternativen Methoden für die automatische Messung der Körpertemperatur testen zu können, wurden Sauen mit einem kommerziellen Impfstoff geimpft. Fieber und leichte Krankheitssymptome wurden dadurch induzieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Rhinitis atrophicans Impfstoff eine geeignete Methode zur Induktion von milden Krankheitssymptomen und Fieber bei Jungsauen ist. In dieser Studie wurde ebenfalls ein Vaginallogger zur Erfassung der Körpertemperatur genutzt und die gewonnenen Daten wurden ausgewertet. Eine positive Korrelation zwischen den rektalen Temperaturen und den Temperaturen des Loggers konnte in den 21 geimpften Sauen nachgewiesen werden. Daher könnte der Logger ein nützliches und weniger invasives Messinstrument für die Überwachung der Körperkerntemperatur darstellen. Diese Methode eignet sich allerdings eher für die Forschung, weniger für den kommerziellen Einsatz, da auf Grund von Miktion und Defäkation der Logger häufig herausgepresst wurde und erneut eingesetzt werden musste. Unter dem Einfluss des Impfstoffs wurden ebenfalls Infrarotthermometer, welche auch als Pyrometer bekannt sind, getestet. Das Pyrometer wurde auf den Orbitalbereich der Sauen ausgerichtet und war in der Lage, kontinuierliche und berührungslose Temperaturmessungen zu erstellen. Die gemessenen Pyrometertemperaturen wurden immer dann gespeichert, wenn die Sauen tranken. Korrelationen konnten hergestellt werden, wenn eine kontinuierliche Temperaturüberwachung in zwei Stunden-Intervallen durchgeführt wurde. Die Ergebnisse sind jedoch nicht zufriedenstellend. Es wurde gezeigt, dass der Standardfehler der Messungen mit beiden Geräten (Infrarotthermometer und Vaginallogger) während der Nacht höher war und während des Tages abgenommen hat. Diese Änderung sind voraussichtlich Trinkfrequenz verbunden, da die Sauen ein deutliches rhythmisches Tag-Nacht- Muster in Ihrem Trinkverhalten zeigen. Ein Anstieg der Körperoberflächentemperatur von nur kurzer Dauer konnte mit dem Pyrometer nicht automatisch erkannt werden. Die Variabilität im Vergleich zum Vaginallogger war zu hoch, jedoch könnte diese Variabilität sich bei längerfristigen Temperaturerhöhungen anders darstellen. Das Risiko mit dem Rhinitis atrophicans Impfstoff ein mildes Krankheitsverhalten und eine Zunahme der Körpertemperatur zu induzieren, ist weniger hoch als das bei einer Injektion von LPS. Die Nutzung dieses Impfstoffs ist ein gutes alternatives Verfahren zur Induktion von Fieber ohne schwere Nebenwirkungen. Damit können bestimmte Verhaltensmuster überwacht und auch Sensoren ausgewertet werden. Als alternatives Verfahren für die kontinuierliche Temperaturmessung kann auch der Vaginallogger eine gute Wahl sein, wenn die technischen Grenzen, wie die Fixierung oder der Verlust bei Miktion/Defäkation ausreichend berücksichtigt werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass Parameter wie die Liegezeit und die Wasseraufnahme sich ändern, während die Tiere unter einer höheren Körpertemperatur leiden. Für den Nachweis dieser Parameter könnten weitere Langzeitmessungen des Liegeverhaltens und auch der Körperoberflächentemperatur an definierten Stellen mit einer Infrarotkamera hilfreiche Informationen zur Früherkennung von Krankheiten bereitstellen. Damit könnte eine frühzeitige Behandlung der Tiere durchgeführt werden, was letztlich zu einer besseren Leistung und zu einem verbesserten Wohlbefinden der Sauen führt.