CN103747672B - 用于瘤胃内监视的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于瘤胃内监视的系统及方法。一种用于监视一个或多个反刍动物瘤胃内消化效率的系统，包括瘤胃丸，每个丸的形状和尺寸都设计成保留在相关动物的瘤胃背囊内而且每个丸都包括温度传感器、pH传感器和氧化还原传感器以及无线发送器。处理器布置成从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数，包括氢标度（rH）、氢气的分压（pp[H2]）、氧逸度（f(O2)）和系统的自由能量（ΔG）中一个或多个。还阐述了一种方法和丸。

Description

用于瘤胃内监视的系统及方法
技术领域
本发明涉及用于监视反刍动物的生理条件的设备、系统与方法，而且尤其涉及用于牛的瘤胃丸(bolus)并且涉及利用丸数据提供与一个或多个应用相关的信息的方法。
背景技术
瘤胃丸是被咽到动物(诸如像母牛或羊)的瘤胃(胃)中的一种设备，用于监视动物的生理状态。
Kahne公司已经开发出了监视瘤胃内pH、温度和压力的无线瘤胃丸(见www.kahneanimalhealth.com)。丸可以实时地或者在一天当中的特殊时刻发送数据，该数据被终端用户以原始格式接收。丸主要用作用于瘤胃研究中所涉及的那些的科学仪器。它通过提供来自生活在现实商业条件下的牛的持续且实时的活体测量流，来帮助科学家们。但是，目前科学家们仍然需要分析来自丸的原始数据并且搞清楚它所代表的意思。
发明内容
本发明提供了一种改进的或者至少是备选的用于瘤胃内监视的系统、方法和/或丸。
一方面，本发明可以广义地说成是包括用于监视一个或多个反刍动物瘤胃内消化效率的系统，包括：
一个或多个瘤胃丸，每个丸的形状和大小都设计成保留在或者驻留在相关动物的瘤胃背囊内并且每个丸都包括：
温度传感器，提供指示瘤胃内温度的数据，
pH传感器，提供指示瘤胃内pH的数据，
氧化还原传感器，提供指示瘤胃内氧化还原电位的数据，以及
无线发送器，把数据或导出的参数发送到远端站，以及
在该丸或每个丸中或者在远端站，处理器布置成从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数。
优选地，该系统包括用于或者驻留在一组动物的一个子群的瘤胃中的丸。这组动物可以是任何动物管理分组，诸如一群动物或畜群，而且可以包括二十或五十或者更多动物的畜群。子群可以是该组中任意数量的动物，从单个动物到所有动物。该系统可以包括用于或者驻留在这样一组动物的多数动物中许多或大部分或全部的瘤胃中的丸。每个丸可以包括存储在该丸中存储器内的各个丸特有的标识码。
优选地，该系统布置成每周或每天发送至少一次或两次或更多次数据达至少一、二或四周或者一、三或六个月或者无限地。
优选地，处理器与存储一个或多个热力学和/或生理等式的存储器关联，该处理器布置成把传感器阵列数据输入一个或多个或全部等式中，以获得指示动物消化效率的一个或多个参数。
处理器可以位于远端站中并且传感器数据发送到该远端站。作为替代，处理器可以位于该丸或每个丸中并且发送到远端站的数据是指示动物消化效率的一个或多个参数。
第二方面，本发明可以广义地说成是包括用于监视一个或多个反刍动物的瘤胃的消化效率的方法，包括步骤：
在每个动物的瘤胃背囊内提供丸，
感测该瘤胃背囊或每个瘤胃背囊内温度、pH和氧化还原电位的组合，
把感测到的数据无线地发送到远端接收器，以及
在该丸或每个丸中或者在远端站的处理器中，从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数。
优选地，该方法包括在诸如五十或更多动物的畜群的多个动物中许多或大部分或全部的瘤胃背囊内提供丸。每个丸都可以包括存储在瘤胃中存储器内的各个丸特有的标识码。
优选地，该方法包括每周或每天上载或发送至少一次或两次或更多次数据达至少一、二或四周或者一、三或六个月或者无限地。
优选地，指示动物消化效率的一个或多个参数包括氢标度(rH)、氢的分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和系统的自由能量(ΔG)中一个或多个的任意组合。
优选地，存储在存储器中的用于获得rH的等式是：
rH＝(Eh＊2＊F/(2.303＊R＊T))+2＊pH
其中：
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位(V)，
F＝法拉第常数(96.485kJ.V-1.mol-1)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器数据导出的温度(K)，
rH＝-log(H2)，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
优选地，rH指示瘤胃环境的还原或氧化强度，并且处理器布置成输出从0至42变化的值，其中0代表1个大气压的饱和的氢气。
优选地，存储在存储器中的用于获得pp[H2]的等式是：
pp[H2]＝10-rH(atm)
其中：
pp[H2]＝氢的分压(大气压)，以及
rH＝氢标度。
优选地，存储在存储器中的用于获得f(O2)的等式是：
Log f(O2)＝[((Eh-0.818)＊4＊F/(2.303＊R＊T))+4＊pH)]
其中：
f(O2)＝氧气的逸度(p[O2])，
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位(V)，
F＝法拉第常数(96.485kJ.V-1.mol-1)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器数据导出的温度(K)，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
优选地，存储在存储器中的用于获得ΔG的等式是：
ΔG＝2.303＊R＊T＊rH
其中：
ΔG＝系统的自由能量(kJ/mol-1)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器数据导出的温度(K)，以及
rH＝氢标度。
第三方面，本发明可以广义地说成是包括用于反刍动物的瘤胃丸，包括：
形状和尺寸设计成保留在动物瘤胃背囊内的主体，
在丸的主体中容纳：
温度传感器，提供指示瘤胃内温度的数据，
pH传感器，提供指示瘤胃内pH的数据，
氧化还原传感器，提供指示瘤胃内氧化还原电位的数据，
无线发送器，把读出的传感器阵列数据或者通过处理所述数据导出的一个或多个参数或者把这二者发送到远端站。
在有些实施例中，丸还包括处理器和与处理器关联的存储器，存储器存储一个或多个热力学和/或生理等式，处理器布置成把传感器阵列数据输入到等式中一个或多个或者全部当中，以获得指示动物消化效率的一个或多个参数作为输出。
如在本说明书中所使用的，术语“包括”意味着“至少部分地包括”。当解释本说明书中每个包括术语“包括”的语句时，除以该术语开始的那个或那些之外的特征也可以存在。诸如“包含”的相关术语也要以相同的方式来解释。
附图说明
仅仅作为例子并且参考附图，对本发明做进一步描述，其中：
图1示出了用于监视多个动物中瘤胃环境的本发明系统，
图2是图1系统的瘤胃丸的透视图，
图3a是从实验工作获得的图，示出了来自瘤胃的腹囊和背囊温度的昼夜节律，
图3b是从实验工作获得的图，示出了来自瘤胃的腹囊和背囊pH的昼夜节律，
图3c是从实验工作获得的图，示出了来自瘤胃的腹囊和背囊氧化还原(Eh)的昼夜节律，
图4a是从实验工作获得的图，示出了氢标度(rH)值的昼夜分布图，其中氢标度(rH)是从图2的丸获得的，
图4b是从实验工作获得的图，示出了以对数形式表示的氢分压和氧逸度值的昼夜分布，其中氢分压和氧逸度是从图2的丸获得的，
图4c是从实验工作获得的图，示出了系统的Gibbs自由能量值(ΔG，kJ)的昼夜分布，其中Gibbs自由能量是从图2的丸获得的，以及
图5是从实验工作获得的图，示出了在干奶牛(dry dairy cattle)中瘤胃的pH和自由能量(ΔG，kJ)的昼夜节律的关系。
具体实施例
参考图1，用于监视诸如奶牛的一个或多个反刍动物的瘤胃环境并且尤其是瘤胃内消化效率的优选实施例系统100包括驻留在动物110(只示出了一个)或者诸如二十或五十或更多动物的畜群的多个动物中许多或大部分或全部的瘤胃中的丸150，以及包括用于接收和处理从该丸或每个丸150发送的数据的计算机处理器140的远端服务器。数据为每个动物进行分析，以确定饲料转化效率和/或细菌的活性。系统100是参考牛110来描述的，但是也可以与其它反刍动物一起使用。
每个丸150都被牛110吞入/咽入胃中，它驻留在牛110的瘤胃背囊内。瘤胃环境被丸150监视，丸150监视瘤胃中的温度、pH和氧化还原(redox)状态/电位。丸150可以按原始格式把数据发送到远端服务器140，远端服务器140执行处理和分析，以便导出指示消化效率的一个或多个参数，和/或丸150中的板载处理器可以执行这种处理并且发送导出的参数，或者作为替代板载处理器还可以在把数据发送到服务器140进行进一步处理之前执行一些预处理。丸150通过无线遥测向服务器140传送。
现在参考图2，优选实施例丸150包括中空的主体或外罩(housing)151，用于保留丸150的各种组件并且其形状/尺寸设计成保留在动物的瘤胃背囊内。对于牛，丸包括长度在范围135至160mm并且环形横截面直径在范围25至35mm的细长主体。位于或者朝着其一端，包括相对的横向延伸部或调整片(tab)153，该横向延伸部或调整片153朝丸主体是有弹性的但是朝丸从主体向外且稍微向后延伸的位置(如所示出的)有记忆，因此调整片153可以手动地或者通过目的管理工具被迫逆着它们的记忆压到丸的主体，同时利用调整片153拖尾的外端把丸向下插入动物的喉咙，但是当丸到达瘤胃背囊时将恢复到它们向外延伸的位置，以便在背囊内保持丸。丸重量很轻，优选地是小于100克，这连同浮力一起帮助它保留在背囊内而不会落到瘤胃的底部。
瘤胃中的发酵产生纠结在一团中的气体，导致草和饲料的大颗粒(大于2mm)在背囊内滞留。液体和较小的颗粒沉淀在瘤胃的底部(腹囊)。在外罩151中包含的是传感器，通过传感器头152暴露给瘤胃环境来使用，包括至少温度、pH和氧化还原传感器。在优选实施例中，丸中的处理器154连接到传感器并且周期性地或者持续地读取传感器输出，并且或者处理这些数据以便导出指示动物消化效率的参数并且经也位于丸中的无线发送器把其发送到计算机140，或者把原始或预处理之后的数据发送到计算机140。电池也在丸中板载提供，用于给传感器、微处理器和发送器供电。处理器154可以在读出传感器输出时立即把信息中继到发送器上或者在优选实施例中记录数据一段时间(例如，在挤奶之间)然后在一次发送中发送多个传感器输出读数，供计算机分离并处理。此外，信息还可以求平均而且发送平均值和存储的标准偏差。但是，任何其它合适的统计数据或者平均方案都可以在存储求平均的传感器数据之前使用。从这些获得的参数，终端应用可以使用系统100来提高动物的整体效率。
如上所述，数据分析可以远程地或者在丸自身当中执行并且优选地包括至少用于运行算法的处理器、用于存储算法和数据的存储器以及接口电路系统。处理器可以是任何形式的可编程硬件设备，不管是CPU、数字信号处理器、现场可编程门阵列、微控制器、专用集成电路，还是其它类似的设备。
如上所述并且再次参考图1，优选实施例中的计算机140布置成从例如一个农场中牲畜集合中的多个丸150接收并处理数据。每个丸都在与板载处理器关联的存储器中存储特定丸150特有的标识码。该特有的ID连同传感器数据或参数一起发送到计算机140，以便关联信息与特定的动物。
每个丸150还可以布置成把数据或参数发送到多于一台计算机140，每台计算机都布置成以用于一个或多个特定应用的特定途径处理丸数据或参数。数据分析可以在任何合适的计算机硬件系统、平台或体系架构上实现。
在优选实施例中，传感器输出读数还有可选地热力学参数本地存储在丸设备上并且在动物进入安装在适当位置的接收器设备145附近时自动上载(为了避免不确定，在说明书和权利要求中，发送包括上载)到计算机140，其中适当的位置诸如像挤奶棚、水槽、挤压(crush)、种属(race)或类似的动物处理设施(动物挤奶、供水或处理站)。
数据或参数的上载或发送可以每周或每天发生一次或两次或更多次达至少一、二或四周或者一、三或六个月或者无限地。如图1中所示，动物可以一天两次通过挤奶棚并且来自每个丸的信息被收集并上载到计算机或服务器140。
数据为每个动物进行分析，以确定饲料转化效率和/或细菌的活性。数据分析在以下进一步详细描述。信息可以存储在与计算机140关联的数据库中或者任何其它类型的数字存储介质(即，基于云的系统)中。可以开发现场应用，以使用这种信息来帮助农场主增强动物生产性能，改善动物福利，和/或减少废物或消化效率。来自瘤胃中的生产能力和健康动态又可以被监视和管理，其中在瘤胃中发生发酵、把饲料中的养分转化成产奶或肌肉量发展所需的能量。监视可以在延长的周期上发生，诸如至少一、二或四周或一、三或六个月或者无限地直至携带丸的动物死亡。
开始遭受健康问题的动物将在呈现外部症状之前很久就经历生理变化，这可以被检测。温度是动物健康的一个基本指示而且可以用于诊断亚临床和临床疾病、热应激、乳腺炎、代谢紊乱、生殖周期及甚至是小牛的即将诞生。利用更好的瘤胃功能管理，农场主可以预期看到诸如蹄叶炎和高体细胞数之类的痛苦的减少，这些也会不利地影响动物的生产能力。
瘤胃功能和效率贯穿反刍消化过程在温度及pH变化中反映出来。在消化过程中，瘤胃的pH会从大约7.0(中性)变成小于5.0(酸性)，理想地是尽可能多的时间维持健康的中性平衡。瘤胃微生物在pH 6-7之间工作得最好。瘤胃发酵的效率在pH下降延长的周期时被损害。当食物包含过量可快速降解的淀粉或糖而没有足够缓慢发酵的纤维时，过酸的环境会逐步显现并且pH会降至大约pH 5.5并且保持在那里。这对生产能力和动物健康都有不利的影响，而且对于世界各地的奶制品和饲养场行业都是一个主要的挑战。体验这种常常被称为亚急性瘤胃酸中毒(SARA)的条件的奶牛群将具有下降的产奶效率、增加的废物(污水、甲烷等)、受损的奶牛健康和高非自愿淘汰率。此外，高达20％的奶牛在生小牛之后发展成酸性中毒。SARA会导致更严重的健康问题，并且如果不去处理的话会发展成急性瘤胃酸中毒，这定义为pH＜5.0，这常常会导致死亡。它还使奶牛容易感染更严重的疾病，诸如跛足、乳腺炎和亚生育力，每个染病的动物会花费数百美元。
服务器140可以布置成持续地监视pH并且在pH降至不健康的水平时提醒农场主，从而允许农场主对动物饮食进行小的改变，以稳定pH并且在一天当中更多的时间创建更好的瘤胃环境，从而具有更健康、更高产出的动物。
服务器140可以有线或无线地链接到自动牵伸(drafting)门的控制器，由此具有异常轮廓的动物可以被自动牵伸到候宰栏(holding pen)并且可选地还有电子邮件警报由服务器140发送到兽医、农场主、技术员或者其他顾问，诸如动物营养顾问。可选地，还可以提供使兽医、农场主、技术员或营养顾问能够经互联网登录到服务器140并且检查数据并且例如评估是否需要现场访问的功能性。在每次挤奶操作结束时，牛群的总结报告可以发送到兽医、农场主、技术员或营养顾问，其识别值得关注的任何个别异常值和动物。
系统对感测出的数据与计算出的热力学参数提供长期24/7监视的能力为动物管理员提供了昼行(diurnal)模式的具体图画并且关于瘤胃环境实现饲料成分与饲料管理实践的变化。这使得瘤胃环境能够基于一群或者个别动物被主动管理，由此提高动物把饲料输入转化成有用输出(例如牛奶或肉)的效率。维持瘤胃pH、氧化还原、ΔG等处于最优水平促进有益微生物的生长，这些微生物合成被反刍动物通过瘤胃壁吸收并且在创造牛奶和肌肉组织中使用的VFA和ATP。在最优条件之外，与甲烷及其它废物产生相关的不太期望的微生物的产生增加。这些不期望的微生物对饲料的消耗代表可用于有益微生物的能量的直接损失以及，因此通过它们对VFA和ATP的产生，牛奶和肉的产生的直接损失。
动物饲料不是均质的而且其关于蛋白质、纤维、碳水化合物和糖的不同成分连同颗粒大小的变化全都影响瘤胃内发酵发生的速度并且因此影响pH、温度、氧化还原和后续计算的热力学参数变化的程度和持续时间。结合受控的饲养制度测量这些参数的能力为动物管理员提供了影响瘤胃中发酵过程效率以及一个或多个动物整体效率的机制。
丸还可以可选地包括压力、电导率、钠、钾、氯化物和铵传感器。数据可以可选地为每个动物进行分析，以确定食糜流速、瘤胃容积、甲烷产生、矿物质分布和挥发性脂肪酸分布中的一个或多个。
数据分析
热力学定律(优选地沿着生理等式)应用到来自传感器的数据，以生成可用于解释瘤胃饲料转化效率/细菌活性的一个或多个参数。从传感器直接读出的或者在处理生理/热力学等式输出之后的生理数据可以给出动物保持良好状态的重要信息并且帮助理解或预测疾病或代谢综合症。如上所述，丸150包括pH传感器、氧化还原传感器和温度传感器，并且位于瘤胃的背囊内。热力学定律可以应用到传感器输出，以便导出如下所示的rH、Pp[H2]、f(O2)和ΔG。导出这些参数是为了监视瘤胃内的细菌活性。
氢标度
氢标度，rH，给出了瘤胃环境的还原或氧化强度或电位的良好指示，类似于酸性或碱性pH测量。rH标度集成了pH和Eh测量，给出了厌氧微生物代谢的更好描述。出于同样的原因，它可以在活体条件下使用，以提供瘤胃内容的氧化/还原状态或电位的直接指示。
给出
Eh＝E0+2.303＊R＊T/n＊F＊(rH-2＊pH)
rH等于：
rH＝(Eh＊2＊F/2.303＊R＊T)+2＊pH
其中：
Eh＝从氧化还原传感器输出导出的氢电位(V)，
E0＝反应的电位，在这种情况下是0(氢电位)，
n＝反应中电子的个数，在这种情况下是2，
F＝法拉第常数(96.485kJ.V-1.mol-1)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器输出导出的温度(K)，
rH＝-log(H2)，以及
pH＝从pH传感器输出导出的-log(H+)。
标度横跨42至0，其中0代表1个大气压的饱和的氢气。不同氧化还原反应的值可以按那个标度规定并且对于每两种反应物都有ΔrH的某个值适用。这可以用于观察反应伴侣(反应物：产物)直到(to)特定的氧化还原能力并且预测那个特定反应的效率。
H2的分压
气相中的氢气(H2)浓度与瘤胃液体中的rH标度之间存在紧密关系。实际上，rH标度也通过已经讨论过的公式代表氢气分压。H2不仅是瘤胃中有机物质降解的关键中间物，而且瘤胃气顶中的氢分压(pp[H2])可以直接关联到活体条件下的甲烷产生。种间H2传输驱动生化反应，诸如短链脂肪酸(SCFA)的产生和能量形成(ATP)。此外，实时地监视pp[H2]增强了对碳水化合物发酵过程(SCFA、ATP和甲烷的形成)和种间H2传输的了解，导致发酵过程的优化并减少甲烷损失。
氢标度(rH)是氢分压的基数为10的负对数，因此：
rH＝-log pp[H2]
于是，
pp[H2]＝10^-rH(atm)
其中：
pp[H2]＝氢的分压(大气压)，以及
rH＝氢标度。
在值0rH，氢的分压是1大气压。
氧逸度(f(O2))
增加瘤胃液体中的氧压力(f(O2))与甲烷排放相关并且造成自由H2在体液中积累。相反，在喂食之后观察到的低f(O2)张力增加甲烷产生。已经显示，瘤胃原虫是溶解的氧气的重要清除者(Ellis等人，1989)。于是，在喂食之后观察到的f(O2)的命运(fate)会是原虫活性的良好指示。瘤胃中的原虫活性关联到氮周转率，因此饮食变化将增强原虫活性，从而增加氮周转。类似地，原虫与产甲烷菌之间的共生可以保护产甲烷菌不受高瘤胃氧浓度影响。从根本上，监视f(O2)有助于解释由于原虫活性造成的甲烷排放的变化。
另一方面，监视f(O2)关联到通过丙烯酸酶促反应(pathway)把乳酸盐转换成丙酸盐。低于平衡(log f(O2)的-50.16)，丙酸盐的形成将会被促进，而高于那个平衡，乳酸盐将积累。从根本上，f(O2)会通过减少乳酸性酸中毒的出现或者监视乳酸盐到丙酸盐的转化来帮助优化瘤胃发酵。
瘤胃的逸度是氧分压的对数并且它通过下式关连到氢电子的电位：
Eh＝Eo+2.303＊R＊T/n＊F＊Log([产物]/[反应物])
而且，
Eh＝Eo+2.303＊R＊T/4＊F＊Log([O2]＊[H+]4/[H2O]2)
在瘤胃中，水[H2O]在反应中不受限并且该项可以从方程中除去。
因此，
Log f(O2)＝[((Eh-0.818)＊4＊F/(2.303＊R＊T))+4＊pH)]
其中：
f(O2)＝氧气的逸度(p[O2])，
Eh＝从氧化还原传感器输出导出的氢电位(V)，
E0＝反应的电位(0.818V)，
n＝反应中电子的个数，在这种情况下是4，
F＝法拉第常数(96.485kJ.V-1.mol-1)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器输出导出的温度(K)，以及
pH＝从pH传感器输出导出的-log(H+)。
瘤胃中氧气的逸度(f(O2))是以对数标度表示的。
Gibbs自由能量(ΔG)
这个系统能量通过以下公式关连到rH标度
ΔG＝2.303＊R＊T＊rH
其中：
ΔG＝系统的自由能量(kJ)，
R＝气体常数(0.008314472kJ.mol-1.K-1)，
T＝从温度传感器输出导出的温度(K)，以及
rH＝氢标度。
这个公式适用于涉及两个电子H2＝2H++2e的系统，如rH＝-log[H2]。因为瘤胃中大部分感兴趣的反应都同意那个前提，所以丸150利用那个公示显示系统的ΔG。但是，如果自由能量关连到工作的系统需要把半个氢分子从稳态条件扩展到所需的条件，由此n＝1，则rH的值需要被rH/2代替。
通过估计碳水化合物发酵的化学计量，可以估计ATP和SCFA形成的值。SCFA是反刍动物用于维持、生长和生产的主要能量来源。节省的能量(ATP)主要用于细胞成分的生物合成、细菌的生长及繁殖。虽然细菌生长的效率将依赖于能量耗散的几种机制，但是看起来在SCFA的产生与微生物细胞合成之间存在逆关系。
但是，这些模型的限制关连到关于pH和Eh中波动的最小化活体信息。来自丸的热力学参数的实时测量将增强我们对瘤胃环境的理解并且给出细菌生长和营养物形成的信息。
瘤胃的Gibbs自由能量(ΔG)的值代表瘤胃中所有反应的净或总能量：
ΔGsystem＝∑ΔGreactions
此外，系统的ΔG是在工作(化学反应)期间实现的焓能量(ΔH)与系统的熵(ΔS)之积。
ΔGsystem＝∑ΔH-∑TΔS，
如果ΔG＝0，则
∑ΔH＝∑TΔS
随着ΔG趋于平衡(ΔG＝0)，系统的焓(ΔH)与熵(ΔS)趋于相等并且反应将不自发地发生。
瘤胃pH的下降还反映了SCFA的产生与积累。因此，随着瘤胃pH下降，ΔG应当趋于平衡(ΔG＝0)。在图5中可以看到在大约早上8点喂食之后瘤胃ΔG下降高达最大值，最大能量与系统可以产生的最大潜在工作(potential work)相关，这个值越负，系统可以产生的潜在工作越多。
以类似的途径，在这之后4-5小时达到ΔG的最高值代表它可以完成的最大工作，这个较高的ΔG值关联到最低的pH，如我们讨论过的，pH越低，产生的SCFA量越高。
利用这种技术，可以观察到食物是如何消化的而且可以完成多少潜在工作。发酵可以通过看什么饲养管理或饲料提供为动物提供最好的性能来优化。
以下试验工作的描述进一步说明本发明。
试验1
方法：两个干瘘管牛在Latin广场设计中用于测量丸150的可靠性与准确度。这些动物的管理包括自由获取饮用水和每天大约8kg的干性物质摄取。每日牧草配给在每天大约早上8点提供。不尝试改变饮食配给或修改日常管理。
两个丸150通过套管放到瘤胃中：一个丸在背囊内，另一个丸附连到1.5kg的不锈钢重物，以便从腹囊获得数据。丸设置成以7天(一周)为周期每一分钟记录数据。
在一周的周期之后提取丸，并且放到校准溶液(4、7和10以及Eh Zobell溶液)中，以测试pH和Eh传感器的偏差。在这个过程之后，丸重新以随机的方式放到动物体内，而且在每个周期(一周)结束时重复这个过程4周。所有丸都从两个位置(背部和腹部)并且从两个动物(牛1和2)记录数据至少一次。经一个月的周期pH和Eh传感器的偏差通过在实验开始和结束(第4周)时的测试和校准记录来评估。
6天记录的全集用于分析。在一周开始时(设置)和一周结束时(校准)记录的数据被丢弃，以避免这些天当中操纵或者由于除去套管造成的Eh变化对正常昼夜节律的任何干扰。
测量值是利用以下方法比较的：构建通用的线性模型(利用JMP 8、SAS)，而且主要因素描述为昼夜节律，动物的记录周和记录位置作为随机因素对待。由于偏差随时间是线性的，因此丸用作自回归(AR1)协方差。利用这种模型，昼夜节律(一天中以小时为单位的时间)为每个变量构造并且利用每10分钟的中值和95％的置信区间以图形形式显示(图3和4)。位置(背囊和腹囊)之间的线性回归分析从那些模型中推导并且描述位置之间的相关性。连同描述性统计数据一起，为偏差分析执行配对-T测试分析。图3a示出了来自瘤胃腹囊(底部)或背囊(顶部)的温度的昼夜节律；图3b示出了来自瘤胃腹囊(底部)或背囊(顶部)的pH的昼夜节律；而图3c示出了来自瘤胃腹囊(底部)或背囊(顶部)的氧化还原(Eh)的昼夜节律。在图3a-c中，值代表一天当中10分钟间隔的中值和95％的置信区间。
图4a示出了利用丸获得的氢标度(rH)的值的昼夜分布；图4b示出了利用丸获得的氢分压(以大气压为单位的pp[H2]，黑色)和以对数标度表示的氧逸度(log f(O2)，白色)的值的昼夜分布；而图4c示出了利用丸获得的系统Gibbs自由能量(ΔG，kJ)的值的昼夜分布。在图4a-c中，值代表中值加上或者减去95％的置信区间。
结果：一个月实验工作当中pH传感器的偏差虽然显著但是非常小(0.1pH点)。类似地，Eh传感器在所有实验中都保持非常准确。
位置(背囊和腹囊)之间的比较显示温度和pH的昼夜节律紧密相关(表1，以及图3a和3b)。虽然按天为模式在位置之间可以看到区别，但是这些位置趋于彼此遵循。位置之间的最大区别关于腹囊和背囊的Eh能力观察到，两个隔室清楚地具有不同的Eh能力(图3c)。
比较位置之间用于具有线性回归分析的参数的模型，位置之间采样的区别更加显著。这种分析清楚地显示pH和温度在位置之间高度相关(表1)而且从背囊测试获得的值是瘤胃整体pH和温度的良好指示。但是，腹囊的氧化还原(Eh)只与背囊测量稍相关(R2＝0.282)。
表1：用于pH、温度和氧化还原(Eh)的背部(x)与腹部(y)测量之间关系的等式(斜率和截距)。
利用丸150上板载的传感器，可以(实时地)计算来自瘤胃的其它有价值的信息，包括氢标度(rH)、氢分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和系统的Gibbs自由能量(ΔG)。表2和图4a-c还示出了这些值的昼夜分布。
表2：利用用于瘤胃环境的丸获得的氢标度(rH)、氢分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和系统Gibbs自由能量(ΔG)的中值。
这些次级参数很大程度上受喂食的影响(大约8:00)。随着食物消化的进行，瘤胃环境变得更加还原(更低的rH值)(图4a)。类似地，喂食增加了食糜中所存在的氧的量(logf(O2)增加)，但是在喂食之后大约4小时氧快速到达最低值(图4b)。另一方面，氢分压(pp[H2])在氧的最低点之后到达最高值(图4b)。最后，瘤胃的Gibbs能量(ΔG)随着喂食而减小。最低值在喂食之后几分钟内到达；最高的ΔG在喂食之后4小时到达(图4c)。
腹囊测量值只与来自背囊的Eh记录稍相关(表1)。来自背囊的Eh的昼夜节律更加动态且可变，尤其是在喂食附近(图3c)。背囊更高的温度、Eh和更低的pH一起会是更高营养物分配的直接结果并且指示这个隔室中比腹囊中更高的微生物活性。
这个实验证明了利用丸导出热力学来解释瘤胃中的昼夜变化的可行性。图5显示pH和ΔG之间的关系，并且通过包括时间(每天的小时数)，它可以显示通过喂食动物该系统获得能量并且ΔG在喂食之后下降(8:00)。随着发酵进行并且细菌活性增加，pH下降、SCFA积累并且ΔG朝着平衡增加。换句话说，随着系统获得能量(喂食，早上8点)，细菌的活性将产生酸在瘤胃中积累所反映的工作(即，更低的pH)。随着瘤胃环境的ΔG趋于平衡(ΔG＝0)，细菌活性将到达稳定状态。
利用部署在正确位置的丸150，背囊监视瘤胃微生物的活性。因此，利用这种丸获得的次级参数会给出对发酵过程效率的直接洞察，诸如SCFA和ATP形成、细菌生长(蛋白质形成)、通过改进喂食实践的发酵优化(定时和补充)、或者减少诸如甲烷和氨的废物。这种技术可以帮助蛋白质和碳水化合物新陈代谢的直接和实时确定、预测甲烷排放和氮损失，并整体上提高反刍动物的转化效率。
试验2
方法：十头产奶瘘管牛装备了如前面关于图2所述并在其中示出的丸设备，以评估数据从系统自动上载的性能。在变干之前，牛从每天挤奶两次降至每天一次。该试验的具体目的是评估是否数据可以从瘤胃收集而不需要修改动物的任何日常工作或者管理或者正常生产实践的中断，如果需要的话，这些对生产者来说代表附加的成本。
一个丸可以通过套管放到每个动物的瘤胃中。丸设置成每五分钟记录数据并且，当每个动物进入挤奶棚时，数据由如前面关于图1并在其中示出的系统自动上载。该试验的进程经互联网从一个远端位置每天监视。数据经23天的周期收集。
结果：经活体中总共338个丸每天(days)捕捉到111000条记录。这些数据100％都自动地成功从动物上载，而不需要任何人的干预。该试验证明了经延长的周期从生产牛的瘤胃背囊自动收集数据的可行性。

Claims (51)

1.一种用于监视一个或多个反刍动物的瘤胃内的消化效率的系统，包括：
一个或多个瘤胃丸，每个丸都具有主体，所述主体包括相对的横向延伸部或调整片，所述横向延伸部或调整片朝着所述主体是有弹性的但是朝着从所述主体向外延伸的位置有记忆，从而将丸保留在相关反刍动物的瘤胃背囊内，所述丸在背囊内的浮力使所述丸不会掉落到瘤胃的底部，并且每个丸都在所述主体内包括：
温度传感器，提供指示瘤胃内温度的数据，
pH传感器，提供指示瘤胃内pH的数据，以及
氧化还原传感器，提供指示瘤胃内氧化还原电位的数据，以及
无线发送器，用于把数据或导出的参数发送到远端站，以及
在所述丸中或者在远端站处，被布置成从传感器数据导出指示发酵过程的一个或多个参数的处理器。
2.如权利要求1所述的系统，包括用于或者驻留在五十个或更多个动物中的少数动物的瘤胃内的丸。
3.如权利要求1所述的系统，包括用于或者驻留在五十个或更多个动物中的大部分或全部动物的瘤胃内的丸。
4.如权利要求1所述的系统，包括用于或者驻留在二十个或更多个动物的瘤胃内的丸。
5.如权利要求1所述的系统，其中每个丸都包括存储在丸中的存储器内的各个丸特有的标识码。
6.如权利要求1所述的系统，布置成每周发送至少一次数据。
7.如权利要求1所述的系统，布置成每天发送至少一次数据。
8.如权利要求1所述的系统，布置成每天发送至少两次数据。
9.如权利要求6所述的系统，布置成发送数据至少一周。
10.如权利要求6所述的系统，布置成发送数据至少四周。
11.如权利要求6所述的系统，布置成发送数据至少三个月。
12.如权利要求6所述的系统，布置成无限地发送数据。
13.如权利要求1所述的系统，其中处理器位于远端站内。
14.如权利要求1所述的系统，其中处理器位于丸内。
15.如权利要求1所述的系统，布置成在丸中本地存储传感器数据和/或导出的参数并且在动物进入接收器附近时把所述传感器数据和/或导出的参数发送到远端站。
16.如权利要求15所述的系统，其中接收器位于动物挤奶、供水或处理站附近。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个参数包括氢标度(rH)、氢的分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和系统的自由能量(ΔG)中一个或多个的任意组合。
18.如权利要求17所述的系统，其中存储在存储器中的用于获得rH的等式是：
rH＝(Eh＊2＊F/(2.303＊R＊T))+2＊pH
其中：
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位，单位为V，
F＝法拉第常数，数值为96.485kJ.V-1.mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，
rH＝-log(H2)，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
19.如权利要求18所述的系统，其中rH指示瘤胃环境的还原强度或氧化强度，并且处理器被布置成输出范围为从0至42的值，其中0代表1个大气压的饱和的氢气。
20.如权利要求17所述的系统，其中存储在存储器中的用于获得pp[H2]的等式是：
pp[H2]＝10-rH(atm)
其中：
pp[H2]＝氢的分压，单位为大气压，以及
rH＝氢标度。
21.如权利要求17所述的系统，其中存储在存储器中的用于获得f(O2)的等式是：
Log f(O2)＝[((Eh-0.818)＊4＊F/(2.303＊R＊T))+4＊pH)]
其中：
f(O2)＝氧气的逸度(p[O2])，
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位，单位为V，
F＝法拉第常数，数值为96.485kJ.V-1.mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
22.如权利要求17所述的系统，其中存储在存储器中的用于获得ΔG的等式是：
ΔG＝2.303＊R＊T＊rH
其中：
ΔG＝系统的自由能量，单位为kJ/mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，以及
rH＝氢标度。
23.如权利要求1所述的系统，其中瘤胃丸还包括以下中的任何一个或多个：
压力传感器，用于提供指示瘤胃内压力的数据，
电导率传感器，用于提供指示瘤胃内电导率的数据，
钾传感器，用于提供指示瘤胃内钾浓度的数据，
氯化物传感器，用于提供指示瘤胃内氯化物浓度的数据，
钠传感器，用于提供指示瘤胃内钠浓度的数据，以及
铵传感器，用于提供指示瘤胃内铵浓度的数据。
24.如权利要求1所述的系统，其中处理器被布置成从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数。
25.一种用于监视一个或多个反刍动物的瘤胃内的消化效率的方法，包括步骤：
提供丸，所述丸具有主体，所述主体包括相对的横向延伸部或调整片，所述横向延伸部或调整片朝着所述主体是有弹性的但是朝着从所述主体向外延伸的位置有记忆，从而将丸保留在所述动物的瘤胃背囊内，所述丸在背囊内的浮力使所述丸不会掉落到瘤胃的底部，
感测所述瘤胃的背囊内温度、pH和氧化还原电位的组合，
把感测到的数据或导出的参数无线地发送到远端接收器，以及
在所述丸中或者在远端站处的处理器中，从传感器数据导出指示发酵过程的一个或多个参数。
26.如权利要求25所述的方法，包括提供用于或者驻留在五十个或更多个动物中的少数动物的瘤胃内的丸。
27.如权利要求25所述的方法，包括在五十个或更多个动物中的大部分或全部动物的瘤胃内提供丸。
28.如权利要求25所述的方法，包括用于或者驻留在二十个或更多个动物的瘤胃内的丸。
29.如权利要求25所述的方法，其中每个丸都包括存储在丸中的存储器内的各个丸特有的标识码。
30.如权利要求25所述的方法，包括每周发送至少一次数据。
31.如权利要求25所述的方法，包括每天发送至少一次数据。
32.如权利要求25所述的方法，包括每天发送至少两次数据。
33.如权利要求25所述的方法，包括发送数据至少一周。
34.如权利要求25所述的方法，包括发送数据至少四周。
35.如权利要求25所述的方法，包括发送数据至少三个月。
36.如权利要求25所述的方法，包括无限地发送数据。
37.如权利要求25所述的方法，其中处理器位于远端站内。
38.如权利要求27所述的方法，其中处理器位于丸内。
39.如权利要求25所述的方法，包括在丸中本地存储传感器数据和/或导出的参数并且在动物进入接收器附近时把所述传感器数据和/或导出的参数发送到远端站。
40.如权利要求39所述的方法，其中接收器位于动物挤奶、供水或处理站附近。
41.如权利要求25所述的方法，其中每个丸的主体都包含传感器和无线发送器。
42.如权利要求25所述的方法，其中一个或多个参数包括氢标度(rH)、氢的分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和所述方法的自由能量(ΔG)中一个或多个的任意组合。
43.如权利要求42所述的方法，其中存储在存储器中的用于获得rH的等式是：
rH＝(Eh＊2＊F/(2.303＊R＊T))+2＊pH
其中：
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位，单位为V，
F＝法拉第常数，数值为96.485kJ.V-1.mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，
rH＝-log(H2)，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
44.如权利要求43所述的方法，其中rH指示瘤胃环境的还原强度或氧化强度，并且处理器被布置成输出范围为从0至42的值，其中0代表1个大气压的饱和的氢气。
45.如权利要求42所述的方法，其中存储在存储器中的用于获得pp[H2]的等式是：
pp[H2]＝10-rH(atm)
其中：
pp[H2]＝氢的分压，单位为大气压，以及
rH＝氢标度。
46.如权利要求42所述的方法，其中存储在存储器中的用于获得f(O2)的等式是：
Log f(O2)＝[((Eh-0.818)＊4＊F/(2.303＊R＊T))+4＊pH)]
其中：
f(O2)＝氧气的逸度(p[O2])，
Eh＝从氧化还原传感器数据导出的氢电位，单位为V，
F＝法拉第常数，数值为96.485kJ.V-1.mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，以及
pH＝从pH传感器数据导出的-log(H+)。
47.如权利要求42所述的方法，其中存储在存储器中的用于获得ΔG的等式是：
ΔG＝2.303＊R＊T＊rH
其中：
ΔG＝所述方法的自由能量，单位为kJ/mol-1，
R＝气体常数，数值为0.008314472kJ.mol-1.K-1，
T＝从温度传感器数据导出的温度，单位为K，以及
rH＝氢标度。
48.如权利要求25所述的方法，其中从传感器数据导出指示发酵过程的一个或多个参数的步骤包括从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数。
49.一种用于监视一个或多个反刍动物的瘤胃内的消化效率的系统，包括：
多个瘤胃丸，每个丸都具有主体，所述主体包括相对的横向延伸部或调整片，所述横向延伸部或调整片朝着所述主体是有弹性的但是朝着从所述主体向外延伸的位置有记忆，从而将丸保留在所述一个或多个反刍动物的瘤胃背囊内，所述丸在背囊内的浮力使所述丸不会掉落到瘤胃的底部，并且每个丸都在所述主体内包括：
温度传感器，提供指示瘤胃内温度的数据，
pH传感器，提供指示瘤胃内pH的数据，
氧化还原传感器，提供指示瘤胃内氧化还原电位的数据，
在丸中的存储器内存储的各个丸特有的标识码，以及
无线发送器，用于把数据或导出的参数发送到远端站，该远端站布置成每天发送至少一次数据或者每周发送至少一次数据达至少四周，以及
在所述丸中或者在远端站处，被布置成从传感器数据导出指示动物消化效率的一个或多个参数的处理器，包括氢标度(rH)、氢的分压(pp[H2])、氧逸度(f(O2))和系统的自由能量(ΔG)中一个或多个的任意组合。
50.如权利要求49所述的系统，布置成在丸中本地存储传感器数据和/或导出的参数并且在动物进入接收器附近时把所述传感器数据和/或导出的参数发送到远端站。
51.如权利要求50所述的系统，其中接收器位于动物挤奶、供水或处理站附近。
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