CN109416351A - 基于气味排放检测肠道疾病，特别是动物肠道疾病的系统和方法 - Google Patents

基于气味排放检测肠道疾病，特别是动物肠道疾病的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动物肠道疾病的检测系统(101、101b)，包括：传感器设备(102)，该传感器设备(102)包括用于从所述动物所处的环境(11、12)抽吸空气的抽吸装置(103)，配置为确定所述空气中的多种气味分子的类型和浓度相关的信息并且还配置为发送代表气味分子的所述信息的信号的传感器装置(104)；发送设备(105)，配置为传送表示气味分子的所述信号；自学习型处理设备(108)，配置为接收并处理表示气味分子的所述信号，检测与关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息相关联的所述动物肠道疾病的风险；发信号设备(111)，配置为在所述肠道疾病出现之前，向用户(10)报告所述动物肠道疾病的所述风险。本发明还涉及动物肠道疾病相关的检测方法。

Description

基于气味排放检测肠道疾病，特别是动物肠道疾病的系统和 方法
技术领域
本发明涉及肠道疾病，特别是动物肠道疾病的检测系统，并且涉及肠道疾病，特别是动物肠道疾病的相关检测方法。通常而言，本发明涉及动物(特别是农场动物)的疾病检测系统，旨在监测种群的健康。
背景技术
肠道疾病(Enteric disease)存在于畜牧业感兴趣的所有物种(例如：家禽、兔、猪、牛和绵羊、山羊)中；目前，如果没有特异性疫苗，这些疾病只会在临床症状(通常为腹泻)发作时被诊断出来，之后用抗生素或杀虫剂进行治疗。
肠道疾病的一个示例是球虫病(coccidiosis)，它是由被称为球虫(coccidia)(定居于小肠上皮细胞的专性寄生物)的原生动物的发育和增殖而引起的寄生虫病。亚临床形式的球虫病可能引起生产性能(production performance)的降低而没有明显的症状，而在全面发作的病理(full-blown pathology)情况下，如果没有及时采取治疗措施，则可能引起出血性腹泻，直至大量受试动物死亡。
从经济学观点来看，由球虫病引起的损害在商用禽类(肉仔鸡(broiler)、火鸡、母鸡)的育种中以及在球虫病具有相关健康影响的所有其它动物学感兴趣的物种中都引起了严重的损失。
目前，球虫病的预防和治疗用以下物质来实现：
1)疫苗：昂贵、不容易应用，且并不总是可用于所有动物物种。
2)具有球虫病防治(coccidiostatic)和抗球虫病(anti-coccidiosis)作用的分子：除了7天的屠宰前停药期(withdrawal period)外，在整个周期食物中给药，就像通常发生在肉仔鸡和兔子中一样。该用法包括分子的连续给药，如果不适当交替的话，分子连续给药除了高成本以及需要专用料仓(silo)外，还可能诱导球虫的抗性。
3)在预防无效的农场中的亚临床(sub-clinical)/临床球虫病的情况下可能需要短期治疗。在这些情况下，药物的停药期可以延迟动物的屠宰，产生额外的成本，造成生产不便。但是，在下蛋鸡的繁育中，不能服用抗球虫病药物；鉴于此，球虫病的预防和控制必须应用于母雏鸡链(pullet chain)中。
目前唯一可能的球虫病的早期诊断包括定期计数粪便中的卵囊(oocyst)和/或一些受试动物的安乐死，以评估从动物中取出的肠的多个部分中球虫的存在。该方法从实际的观点来看存在问题，因为该方法仅在少数实验室掌握的范围内，并且在伦理学方面也存在问题。
肠道感染的检测方法多种多样，且并不总是有效的，特别是对于肠道疾病的早期诊断。
发明内容
本发明的目的是提供用于肠疾病的早期诊断的系统和解决现有技术的一些缺点的肠道疾病的相关检测方法。
特别地，本发明的目的是提出将有效地控制疾病的发作，特别是用于优化畜牧农场利润的检测动物肠道疾病的系统和方法。
本发明的另一个目的是提出允许早期检测肠道疾病的发作(特别是在家畜中)的检测动物肠道疾病的系统和方法。
因此，本发明的一个目的是提出检测动物肠道疾病的系统和方法，其对于进行检测的用户来说是实用且快速的，从操作的角度来看是理想的。
本发明的这些和其它目的通过动物肠道疾病的检测系统以及相关的方法来实现(结合了构成本说明书的整体部分的所附权利要求的特征)。
本发明的基本的总体思想是提供动物肠道疾病的检测系统，该系统包括：传感器设备，其包括用于从动物所处的环境中抽吸空气的抽吸装置(suction mean)，以及配置为确定关于空气中多种气味分子(smelling molecule)的类型和浓度的信息并且还配置为发送代表气味分子的信息的信号的传感器装置(sensor mean)；发送设备，其配置为传送代表气味分子的信号；处理设备，其配置为接收和处理代表气味分子的信号，检测与关于气味分子的类型和浓度的信息相关联的动物肠道疾病的风险；发信号设备(signaling device)，其配置为向用户报告动物肠道疾病的风险。
本发明基本的另一个总体思想是提供动物肠道疾病的检测方法，该方法包括：从其中动物所处的环境中抽吸空气；借助于传感器装置确定关于空气中的多种气味分子的类型和浓度的信息；检测与关于气味分子的类型和浓度的信息相关联的动物肠道疾病的风险；向用户报告动物肠道疾病的风险。通常，根据本发明的系统适于实现动物肠道疾病的检测方法。
通常，根据本发明的系统和方法允许检测肠道疾病的发作(特别是在家畜中)，从而减少饲养人员的经济损失。实际上，该设备检测对应于肠疾病(例如，球虫和其它肠道向性病原体(intestinal tropism pathogen)，特别是在种禽物种和诸如哺乳动物的其它家畜中)发作的气味的独特标记。此外，根据本发明的系统和方法允许肠道疾病发作的早期检测(特别是在家畜中)，从而对饲养人员构成“早期预警”。
此外，从操作和实践的观点来看，根据本发明的系统和方法对于饲养人员来说是实用且快速的。
该系统在具有大量动物的农场中尤其有利。
通过以下对一些实施例示例的详细描述(通过非限制性的解释)，本发明的其它目的和优点将显而易见。
附图说明
参考附图对这些实施例进行了描述，并且这些实施例仅通过非限制性示例的方式提供，其中：
-图1示出了根据本发明的动物肠道疾病检测系统的第一实施例。
-图2示出了根据本发明的动物肠道疾病检测系统的第二实施例。
-图3示出了关于根据本发明的动物肠道疾病检测方法的实验数据的示例图。
-图4示出了用线性判别分析(linear discriminant analysis)(LDA)获得的关于根据本发明的动物肠道疾病的检测方法的实验数据的第二示例图。
在适当的情况下，不同附图中的相似或相同元件由相同或相似的参考标号(reference numeral)表示。
具体实施方式
图1中的示例示出了根据本发明的动物肠道疾病检测系统101的第一实施例。
检测系统101包括传感器设备102，传感器设备102可由去检查动物所处环境(例如环境11(猪圈(stable for pig))或环境12(鸡舍(chicken coop)))的用户10操作。
传感器设备102包括诸如柱塞(plunger)、喷嘴(spout)、风扇(fan)等的抽吸装置103，其适于从环境11或12抽吸空气，用于随后的分析。
传感器设备102还包括传感器装置104，传感器装置104配置为确定关于抽吸的空气中的多种气味分子的类型和浓度的信息，并发送代表关于存在于这种空气中的气味分子的信息的信号。
优选地，传感器装置104包括多个传感器(未示出)，每个传感器适于至少分析相应类型的气味分子。优选地，这种传感器是用于气体的MOS传感器，优选地包括至少三个传感器，更优选地包括五个或更多个传感器。
通常，传感器设备102对应于称为“电子鼻(electronic nose)”的设备。
实际上，响应于客观感官分析(objective sensory analysis)的不断增长的需求，已经研发了能够从挥发性香料(volatile aroma)开始测量、表征主观信息并将主观信息转换成客观和可测量数据的仪器。“电子鼻”是这样一种设备，其使用不同的非特异性化学传感器，不单独识别不同的物质，而是识别和产生所分析的混合物的嗅觉标记(使用模式识别系统)。这些传感器能够在存在不同挥发性化合物的情况下改变它们的电特性，从而响应于混合物中存在的不同种类的挥发性化合物的浓度而提供多样化的电信号。电子鼻的传感器可分为热传感器(金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor)-MOS-和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transitor)-MOSFET)和冷传感器(导电聚合物(Conductive polymer)-CP-和石英晶体微量天平(QuartzCrystal Microbalance)-QCM)。电子鼻可以模仿人的嗅觉系统，提供特定气味的独特标记，允许随后对其进行识别。
特别地，MOS(金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor))传感器由三层组成：陶瓷基底、加热线、金属氧化物半导体膜。
MOS传感器的工作原理是基于由于所分析的气体的吸附的表面反应引起的电导率变化。由于传感器工作的不同温度(150-500℃)，所以它们对各种气体敏感。所记录的并与吸附的化合物相关的电阻变化是由挥发性分子和金属氧化物膜之间的氧交换引起的。
传感器设备102特别地包括至少三个传感器，并且更特别地包括五个或更多个传感器，这些传感器选自适于识别以下各项的下述任一种：甲苯、NO2、苯、H2、丙烷、CH4、CO、H2S和芳香族、高浓度的CH4。特别地，对畜牧农场周围空气中存在的分子更敏感的传感器是用于氮氧化物、CH4和轻质烃、硫化合物、CO和芳香族的那些。
如所提到的，传感器设备102适于发送表示关于所分析的空气中存在的气味分子的信息的信号。
检测系统101还包括发送设备105，其配置为传送代表气味分子的信号并发送该信号。
优选地，发送设备105配置为提供双向数据交换连接。在图1所示的示例中，发送设备105是配置为通过接入点(Access Point)106连接至互联网网络107的WiFi模块。
此外，检测系统101包括处理设备108，其配置为接收和处理代表气味分子的信号，检测动物肠道疾病的风险。肠道疾病的风险实际上与检测到的有关气味分子的类型和浓度的信息相关联，这将在下文中进行更详细的解释。
优选地，处理设备108还包括存储器109，在存储器109中存储了与动物肠道疾病情况下的气味分子的类型和浓度相关的参考数据。存储器109可操作地与处理设备108的处理器110相关联，以便将由传感器设备102收集的关于所述气味分子的类型和浓度的信息与所存储的参考数据进行比较。
特别地，处理器110适于通过将至少一种或优选地多种类型的气味分子的浓度与所存储的参考数据中的参考值进行比较来区分动物肠道疾病的风险。在优选实施例中，优选地使用传感器设备102的热MOS传感器的检测系统110因此能够提供在所监视的动物群体中发生的肠道疾病的独特标记。由于传感器设备102的高灵敏度，可以在更大的饲养群体中肠道疾病的发作变得明显之前，识别肠道疾病的发作。因此，检测系统101的值作为能够早期介入以包含疾病的传播的早期预警。通过这种方式，可以认为显著减少家畜中抗生素的使用，从而改善消费者所食用的肉类的健康性，减少对环境的影响，降低成本并减少抗生素抗性现象。
优选地，处理设备108还适于通过将所述气味分子的类型和浓度与用于随后分析的参考数据相关联来存储向其发送的关于所述气味分子的类型和浓度的信息。以这种方式，可以填充(populate)肠道疾病风险数据的统计基础，从而提高该检测方法的可靠性。
换句话说，检测系统101可以记录先前读取并存储的值，以便建立一组越来越精确的参考数据来正确地对随后的检测进行分类。然后，检测系统101能够实现自学习的形式(电子设备根据其从外部接收的脉冲而改变其行为的能力)并改进其自身，这将在下文中进行更详细地解释。
最后，检测系统101还包括发信号设备111，其配置为警告用户10动物11或12的肠道疾病的风险。在优选实施例中，该发信号设备包括位于传感器设备102上的显示器。优选地，这种显示器提供了合成指示(例如具有三个等级的“交通灯(traffic light)”，这取决于种群中存在肠道疾病的风险，或其它显示模式)。
优选地，可以通过互联网连接106和107用新数据和功能对传感器设备102进行更新。
图2中的示例示出了根据本发明的动物肠道疾病检测系统101b的第二实施例。
检测系统101b包括上述系统的所有元件，用有线连接105b代替发送设备的无线连接。在这个意义上，检测系统101b由适于在没有互联网连接的情况下也可以操作的一个独立的实施例中全部元素构成。尽管更实用，但是检测系统101b的实施例由于需要专用的处理设备108而变得更昂贵。
尤其与图3和图4相关，现在举例说明通过本发明的动物肠道疾病的检测方法获得的实验数据。
动物肠道疾病的检测方法提供用于从所述动物所处的环境中抽吸空气；借助于传感器装置确定关于空气中的多种气味分子的类型和浓度的信息；检测与关于气味分子的类型和浓度的信息相关联的肠道疾病的风险；向用户报告动物肠道疾病的风险。
特别地，将关于气味分子的类型和浓度的信息与存储的并且称为动物肠道疾病病例的参考数据进行比较，优选地通过比较至少一种或优选多种类型气味分子的浓度与参考数据的参考值来区分动物肠道疾病。在该系统的上述自学习能力之后，在将样品正确分类为感染和未感染类别时，数据集变得越来越可靠。
检测系统在预定时间将以欧姆为单位的电信号(电阻)形式的传感器的检测发送到处理设备。通过解释其方差(variance)的PCA模型分析这些度量(measure)，将它们放置在创建的多变量空间的两个不同区域中。这样的位置(参见图4)代表根据常规的诊断参考系统(黄金标准)的未感染的动物和感染的动物。在这两种情况下，多变量空间都是紧凑的(compacted)，随着数据到达服务器而变得越来越明确(defined)，从而使得分析对于病理和饲养(自学习)变得越来越有针对性和精确。
该系统可对肠道疾病进行早期预警；实际上，该系统能够尽早地和在临床诊断的可能性很早以前以及因此在肠道疾病发生之前，检测气味的变化。
在本文举例说明的检测方法的实施例中，检测了与球虫病相关的肠道疾病，特别是在家畜中。
根据本发明的方法的实验测试总共持续45天。将样品动物饲养在两个相同的单独室中，这两个室都装备有自动控制的通风。
建立了120只1日龄肉仔鸡的商业化杂种雄性，分入2个3×2m大小的盒子；因此，根据管理，尤其是受委员会指令(Council Directive")“2007/43/EC用于保护为肉食生产而饲养的鸡的最小标准”(2007/43/EC minimum standards for the protection ofchickens kept for meat production")管理，以30kg/m2的密度饲养动物。作为农场实践，在前8天，将小鸡在T至32℃下在人工母亲(artificial mother)下饲养。
在被称为“C3”的室之一中的雏鸡用于添加了球虫抑制剂(coccidiostat)的肉仔鸡的商业饲料饲喂，如同在肉仔鸡雏鸡的密集农场饲养中一样。在称为“C4”的第二室中的雏鸡用通过生产肉仔鸡雏鸡的有机方法提供的不含球虫抑制剂的饲料饲喂。
在生长期间，检测以下参数：
每周单个动物的重量；每日饲喂的饲料重量；每周的饲料残余量以评估该组的饲料转化指数(ICA)；用Mc Master方法每周计数排泄物中存在的卵囊的数量(盒子中五个拾取点)。
本发明的检测方法提供了根据EN 13725(UNI-CEN,2003)标准(即，用“肺泵(lungpump)”进行样品的收集)的“电子鼻”型传感器设备的使用。这种类型的泵由以下各项构成：设有防水覆盖物(waterproof cover)并连接至真空泵的刚性框架。将纳洛芬(Nalophan)袋(特别指定用于测量空气中的气味(UNI-CEN，2003)的材料)放置在内部，该材料由于真空泵的操作产生的真空而充满样品空气。在两个室中，在整个生命周期(45天)内以每周的频率进行采样，与用于卵囊计数的排泄物的去除同步进行。
然后在实验室中使用由取样单元、10个热金属氧化物MOS传感器和数据管理及存储软件制成的电子鼻分析空气样品。
对在家禽厩舍内部收集的空气样品进行分析，鉴定为没有发生球虫病的C3和发生球虫病的C4，提供了图中所示的14天内气味轨迹的演变中，在两个组之间的有趣的区别。
这些图表示由参考传感器设备102描述的每个热MOS传感器检测到的信号。
主图形成分的分析表明，在球虫病存在的情况(室C4)下，在该环境中采样的空气与从室C3中采集的空气不同。这通过包含在动物粪便中的卵囊的每周计数来证实：室C4天数+14，卵囊数/克37,300，相对于组C3的卵囊数/克完全不存在。
该分析显示，所选择的传感器的组合可以解释两组之间的方差为99.1％，鉴别能力值(discriminating power)(其范围在0至1之间)等于0.9，表明这两个样本属于两个不同的且单独的类别。该方法的灵敏度能够鉴定已经具有低卵囊负荷的“感染”组(每克250个卵囊，室C4，天数D)，相对于已经评论的卵囊的发射峰(emission peak)提前两周。
为了在实际情况(即商业工厂农场)中也验证该检测系统的正确操作，使用上述相同的取样系统在肉仔鸡的工厂农场中获取空气样本。在该结构的中心收集空气样品，该结构尺寸为50×12m，装备有交叉通风系统并容纳约10,000个肉仔鸡商业杂交种。在生产周期的第一周、第四周和第五周进行取样，因为突然的流感爆发限制了育种的进行。同时，用McMaster方法收集排泄物样品进行卵囊计数。
将在先前实验测试期间收集的数据用作参考值，将它们分成对应于感染球虫病的动物(B组)和未感染球虫病的动物(A组)的两个群(cloud)，而不管卵囊的数量如何。如图4所示，通过线性判别分析(linear discriminant analysis)(LDA分析)进行划分，其有效地区分这两个组。
-LDA标准化
-纵坐标有6.18&的方差，横坐标有50.56％的方差，总方差为56.738％。
第一周在工厂农场中收集的两个空气样品(图4，用x表示)被分类为未被感染，而另外四个(图4，用o表示第4周，用Δ表示第5周)分类为被感染。通过随后的卵囊计数证实该分类，对于第一周的排泄物样本等于0，对于第四周的样本为50,000，对于第五周的样本为10,000。
这些新数据由将构建日益密集和精确的“云(cloud)”的系统存储。换句话说，该检测系统能够自我学习。
从这些观点来看，该方法意味着对于禽类和其它家畜(包括哺乳动物)的所有肠道疾病都是有效的。
显然，本领域技术人员可以对所示例的系统进行多种变化。
例如，已经在两个示例性实施例中对该检测系统进行了描述，即使用远程处理服务器的分布式检测系统，以及由单个设备执行该方法的“一体式”检测系统。本领域技术人员可以理解，所描述的仅仅对应于说明性的、非限制性的可能性，并且考虑到本说明书，可以容易地想到检测系统的其他变体。
本发明的方法可以有利地至少部分地由计算机程序来实现，该计算机程序包括用于当该程序在计算机上运行时执行该方法的一个或多个步骤的编码装置。因此，应当理解的是，保护范围扩展到所述计算机程序，并且还扩展到包括记录信息的计算机可读装置，所述计算机可读装置包括程序编码装置，用于当所述程序在计算机上运行时执行所述方法的一个或多个步骤。
在不脱离本发明的保护范围的情况下，所描述的非限制性示例的实施例变体是可能的，包括本领域技术人员的所有等效实施例。
在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以组合不同优选实施例中所示的元件和特征。
根据以上描述，在不引入任何进一步的构造细节的情况下，本领域技术人员能够实现本发明的目的。

Claims (17)

1.一种动物肠道疾病的检测系统(101、101b)，包括：
-传感器设备(102)，包括用于从所述动物所处的环境(11、12)抽吸空气的抽吸装置(103)，配置为用于确定关于所述空气中多种气味分子的类型和浓度的信息，并且还配置为用于发射表示气味分子的所述信息的信号的传感器装置(104)；
-发送设备(105)，配置为传送表示气味分子的所述信号；
-自学习型处理设备(108)，配置为接收并处理表示气味分子的所述信号，检测在所述肠道疾病出现之前与关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息相关联的所述动物肠道疾病的风险；
-发信号设备(111)，配置为向用户(10)报告所述动物肠道疾病的所述风险。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理设备(108)还包括适于包含用于动物肠道疾病病例的气味分子的类型和浓度的参考数据的存储器(109)，以及适于将关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息与所述参考数据进行比较的处理器(110)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器(110)适于通过将至少一种或优选多种类型的气味分子的浓度与所述参考数据的参考值比较来区分动物肠道疾病。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述处理设备(108)还适于通过将关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息与所述参考数据相关联来存储关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息，用于后续分析。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述传感器装置(104)包括多个传感器，每个传感器适于至少分析相应类型的气味分子。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述多个传感器包括用于气体的MOS传感器，优选地包括至少三个传感器，和更优选地包括五个或更多个传感器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述发送设备(105)包括双向数据交换连接，优选地为互联网连接(107)，更优选地为无线互联网连接(106、107)。
8.一种动物肠道疾病的检测方法，包括：
-从所述动物所处的环境(11、12)中抽吸(103)空气；
-借助于传感器装置(104)确定关于所述空气中多种气味分子的类型和浓度的信息；
-检测(108)在所述肠道疾病出现之前与关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息相关的所述动物肠道疾病的风险；
-向用户报告(111)所述动物肠道疾病的所述风险。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括比较(110)关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息与所存储(109)的并且关于动物肠道疾病病例的参考数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过比较(110)至少一种或优选地多种类型的气味分子的浓度与所述参考数据的参考值来区分动物肠道疾病。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，关于所述气味分子的类型和浓度的所述信息通过将其与所述参考数据相关联进行存储，用于后续分析。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，使用多个传感器(104)，每个传感器适于至少分析相应类型的气味分子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用用于气体的MOS传感器，优选地使用至少三个传感器，和更优选地使用五个或更多个传感器。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，包括在多个电子设备之间交换代表气味分子的数据(105、106、107)，优选地使用互联网连接(107)，更优选地使用无线互联网连接(106、107)。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的检测方法，其中，
检测与球虫病相关联的肠道疾病，特别是在家畜中。
16.一种包括程序编码装置的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述程序编码装置适于执行权利要求8至15所述的步骤。
17.一种包括记录程序的计算机可读装置，所述计算机可读装置包括适于在所述程序在计算机上运行时执行权利要求8至15所述的步骤的程序编码装置。
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