Recording methods of respiratory parameters in cattle

Abstract

The respiration rate (RR) is a suitable parameter for assessing the health status of cattle, as it is very sensitive for detecting stress or pain, and thus shows an indisposition in animals at an early stage. Furthermore, it is a suitable parameter for the early detection of heat stress, which becomes increasingly important due to climate change. In order to determine the proportion of heat emitted through respiration, an additional measurement of the tidal volume (Vt) is necessary. The measurement of Vt is also suitable to assess the performance of the lungs and allows conclusions about respiratory and lung diseases. The gold standard methods for both parameters are time consuming and can also influence the behavior of the cow. Counting the cow's flank movements is often used as the method of choice for recording RR. However, different methods are found in literature regarding duration and type of counting. While in some studies, the RR was counted for 5 or 10 breaths and then extrapolated to 60 s, other authors counted the RR for 15, 30 or 60 s. In order to determine which method is the most precise, Publication “A” compared the 5 methods mentioned above. The reference method used was an RR sensor that reliably measures the RR based on the pressure difference between inhalation and exhalation. In Publication "A", it was shown that counting the RR for 60 s is the most accurate method and that as the RR increases, the inaccuracy of the other methods continues to increase compared to counting for 60 s. Since a facemask has to be fitted around mouth and nostrils to measure Vt, the second fundamental parameter in lung function diagnostics, by a pneumotachograph, the animals have to be restrained during the entire experiment and since the behavior is severely restricted by the mask, only short measurement periods are possible. Therefore, the driving force for Publication "B" was to investigate whether it is possible to derive a Vt equivalent from the measured pressure of the RR sensor. A successful outcome would greatly simplify the measurement method, as the animals only have to be fixed for measurements with the RR sensor and can then move freely in the barn, making longer measurements possible. However, it was shown in Publication "B" that technical adaptations to the RR sensor are necessary in order to be able to reliably determine the Vt equivalent. Furthermore, there are approaches in human medicine to determine a relative Vt using infrared thermography, which can also be used to calculate the RR based on the temperature difference of the inhaled and exhaled air. The trend in livestock research is similar – sensors attached to the animal are being replaced by contactless systems for data acquisition. The main advantages of this alternative is that one sensor can record multiple animals and no animal fixation is needed to attach the sensors, which also reduces the risk of injury to humans. For this reason, we are currently testing infrared as well as depth cameras at ATB in cooperation with the University of Hildesheim, the Dida Data Science GmbH, and LVAT as part of the KAMI project (Artificial intelligence for measuring respiration in dairy cows). The aim of future studies is to use artificial intelligence and imaging techniques to automatically record the RR and integrate this parameter into existing herd management systems.

Die Atmungsfrequenz (RR) ist ein geeigneter Parameter zur Bewertung des Gesundheitszustandes von Rindern, da sie ein sehr sensibler Indikator zur Erkennung von beispielsweise Stress oder Schmerzen ist und somit eine Indisposition bei Tieren in einem frühen Stadium zeigt. Darüber hinaus ist sie ein geeigneter Parameter zur frühzeitigen Erkennung von Hitzestress, deren Bedeutung aufgrund des Klimawandels immer mehr zunimmt. Um den Anteil an Wärme zu bestimmen, der durch die Atmung abgegeben wird, ist ein zusätzliches Messen des Atemzugvolumens (Vt) erforderlich. Die Messung des Vt‘s ist außerdem geeignet, um die Leistungsfähigkeit der Lunge zu beurteilen und lässt Rückschlüsse auf Atemwegs- und Lungenerkrankungen zu. Die Goldstandardmethoden für beide Kenngrößen sind zeitaufwendig und können darüber hinaus das Verhalten der Kuh beeinflussen. Die Zählung von Flankenbewegungen der Kuh wird häufig als Methode der Wahl für die Erfassung der RR verwendet. In der Literatur finden sich jedoch verschiedene Methoden bezüglich Dauer und Art der Zählweise. Während in manchen Studien die RR für 5 oder 10 Atemzüge gezählt wurde und anschließend auf 60 s hochgerechnet wurde, zählten andere Autoren die RR für 15, 30 oder 60 s. Um zu ermitteln, welches die genauste Methode ist, wurden in der ersten Veröffentlichung die zuvor genannten 5 Methoden verglichen. Als Referenzmethode wurde dabei ein RR Sensor verwendet, der die RR anhand der Druckdifferenz von Ein- und Ausatmung verlässlich erfasst. In der Veröffentlichung A konnte gezeigt werden, dass das Zählen der RR für 60 s die genaueste Methode ist und mit steigender RR die Ungenauigkeit der anderen Methoden im Vergleich zum Zählen von 60 s weiter zunimmt. Da für das Messen des Vt`s, dem 2. fundamentalen Parameter in der Lungenfunktionsdiagnostik, eine Atemmaske um das Flotzmaul angebracht werden muss, müssen die Tiere während des gesamten Versuchs fixiert sein und da das Verhalten durch die Maske stark eingeschränkt ist, sind nur kurze Messperioden möglich. Deswegen war die Triebfeder für die Publikation „B“ zu untersuchen, ob man anhand des gemessenen Drucks des RR Sensor auch ein Vt Äquivalent ableiten kann. Dies würde die Messmethode stark vereinfachen, da die Tiere für Messungen mit dem RR Sensor nur zur Anbringung fixiert werden müssen und sich dann frei im Stall bewegen können, sodass auch längere Messungen möglich sind. Jedoch konnte in Publikation „B“ gezeigt werden, dass noch technische Adaptionen am Sensor notwendig sind, um das Vt Äquivalent verlässlich bestimmen zu können. Darüber hinaus gibt es bereits in der Humanmedizin Ansätze ein relatives Vt durch Infrarotthermographie zu bestimmen. Diese kann auch genutzt werden, um anhand des Temperaturunterschieds der ein- und ausgeatmeten Luft die RR zu berechnen. Ähnlich ist auch die Tendenz in der Nutztierforschung – Sensoren die am Tier angebracht werden, werden zunehmend durch kontaktlose Systeme zur Datenerfassung ersetzt. Denn der Vorteil letzterer ist, dass ein Sensor mehrere Tiere erfassen kann und keine Einzeltierfixierung zur Anbringung der Sensoren notwendig ist, was auch das Verletzungsrisiko für den Menschen reduziert. Deswegen testen wir aktuell am ATB im Projekt KAMI (Künstliche Intelligenz zur Erfassung der Atmung bei Milchkühen) zusammen mit der Uni Hildesheim, der Dida Datenschmiede GmbH und der LVAT, Infrarot- und Tiefenkameras, um die RR automatisch zu erfassen. Ziel zukünftiger Studien ist es mittels Künstlicher Intelligenz und bildgebender Verfahren die RR automatisch zu erfassen und in bestehende Herde Management Systeme zu integrieren.