用于瘤胃內(nèi)監(jiān)視的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本公開涉及用于瘤胃內(nèi)監(jiān)視的系統(tǒng)及方法。一種用于監(jiān)視一個或多個反芻動物瘤胃內(nèi)消化效率的系統(tǒng)，包括瘤胃丸，每個丸的形狀和尺寸都設(shè)計成保留在相關(guān)動物的瘤胃背囊內(nèi)而且每個丸都包括溫度傳感器、pH傳感器和氧化還原傳感器以及無線發(fā)送器。處理器布置成從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)，包括氫標度（rH）、氫氣的分壓（pp[H2]）、氧逸度（f(O2)）和系統(tǒng)的自由能量（ΔG）中一個或多個。還闡述了一種方法和丸。
【專利說明】用于瘤胃內(nèi)監(jiān)視的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于監(jiān)視反芻動物的生理條件的設(shè)備、系統(tǒng)與方法，而且尤其涉及用于牛的瘤胃丸(bolus)并且涉及利用丸數(shù)據(jù)提供與一個或多個應(yīng)用相關(guān)的信息的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]瘤胃丸是被咽到動物(諸如像母?；蜓?的瘤胃(胃)中的一種設(shè)備，用于監(jiān)視動物的生理狀態(tài)。
[0003] Kahne公司已經(jīng)開發(fā)出了監(jiān)視瘤胃內(nèi)pH、溫度和壓力的無線瘤胃丸(見www.kahneanimalhealth.com)。丸可以實時地或者在一天當中的特殊時刻發(fā)送數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)被終端用戶以原始格式接收。丸主要用作用于瘤胃研究中所涉及的那些的科學(xué)儀器。它通過提供來自生活在現(xiàn)實商業(yè)條件下的牛的持續(xù)且實時的活體測量流，來幫助科學(xué)家們。但是，目前科學(xué)家們?nèi)匀恍枰治鰜碜酝璧脑紨?shù)據(jù)并且搞清楚它所代表的意思。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種改進的或者至少是備選的用于瘤胃內(nèi)監(jiān)視的系統(tǒng)、方法和/或丸。
[0005]一方面，本發(fā)明可以廣義地說成是包括用于監(jiān)視一個或多個反芻動物瘤胃內(nèi)消化效率的系統(tǒng)，包括:
[0006]一個或多個瘤胃丸，每個丸的形狀和大小都設(shè)計成保留在或者駐留在相關(guān)動物的瘤胃背囊內(nèi)并且每個丸都包括:
[0007]溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)，
[0008]pH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)，
[0009]氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)，以及
[0010]無線發(fā)送器，把數(shù)據(jù)或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站，以及
[0011]在該丸或每個丸中或者在遠端站，處理器布置成從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。
[0012]優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括用于或者駐留在一組動物的一個子群的瘤胃中的丸。這組動物可以是任何動物管理分組，諸如一群動物或畜群，而且可以包括二十或五十或者更多動物的畜群。子群可以是該組中任意數(shù)量的動物，從單個動物到所有動物。該系統(tǒng)可以包括用于或者駐留在這樣一組動物的多數(shù)動物中許多或大部分或全部的瘤胃中的丸。每個丸可以包括存儲在該丸中存儲器內(nèi)的個別丸特有的標識碼。
[0013]優(yōu)選地，該系統(tǒng)布置成每周或每天發(fā)送至少一次或兩次或更多次數(shù)據(jù)達至少一、二或四周或者一、三或六個月或者無限地。
[0014]優(yōu)選地，處理器與存儲一個或多個熱力學(xué)和/或生理等式的存儲器關(guān)聯(lián)，該處理器布置成把傳感器陣列數(shù)據(jù)輸入一個或多個或全部等式中，以獲得指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。[0015]處理器可以位于遠端站中并且傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到該遠端站。作為替代，處理器可以位于該丸或每個丸中并且發(fā)送到遠端站的數(shù)據(jù)是指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。
[0016]第二方面，本發(fā)明可以廣義地說成是包括用于監(jiān)視一個或多個反芻動物的瘤胃的消化效率的方法，包括步驟:
[0017]在每個動物的瘤胃背囊內(nèi)提供丸，
[0018]感測該瘤胃背囊或每個瘤胃背囊內(nèi)溫度、pH和氧化還原電位的組合，
[0019]把感測到的數(shù)據(jù)無線地發(fā)送到遠端接收器，以及
[0020]在該丸或每個丸中或者在遠端站的處理器中，從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。
[0021]優(yōu)選地，該方法包括在諸如五十或更多動物的畜群的多個動物中許多或大部分或全部的瘤胃背囊內(nèi)提供丸。每個丸都可以包括存儲在瘤胃中存儲器內(nèi)的個別丸特有的標識碼。
[0022]優(yōu)選地，該方法包括每周或每天上載或發(fā)送至少一次或兩次或更多次數(shù)據(jù)達至少一、二或四周或者一、三或六個月或者無限地。
[0023]優(yōu)選地，指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)包括氫標度(rH )、氫的分壓(PP[H2])、氧逸度(f (O2))和系統(tǒng)的自由能量(AG)中一個或多個的任意組合。
[0024]優(yōu)選地，存儲在存儲器中的用于獲得rH的等式是:
[0025]rH= (Eh*2*F/ (2.303*R*T)) +2*pH
[0026]其中:
[0027]Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V)，
[0028]F=法拉第常數(shù)(96.485kJ.V—1.moF1),
[0029]R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.1T1 )，
[0030]T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，
[0031 ] rH=-1og (H2),以及
[0032]pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-log (H+)。
[0033]優(yōu)選地，rH指示瘤胃環(huán)境的還原或氧化強度，并且處理器布置成輸出從O至42變化的值，其中O代表飽和的氫大氣。
[0034]優(yōu)選地，存儲在存儲器中的用于獲得pp[H2]的等式是:
[0035]pp[H2]=lCTrH(atm)
[0036]其中:
[0037]pp [H2]=氫的分壓(大氣壓)，以及
[0038]rH=氫標度。
[0039]優(yōu)選地，存儲在存儲器中的用于獲得f (O2)的等式是:
[0040]Log f(02) = [((Eh-0.818)*4*F/(2.303*R*T))+4*pH)]
[0041]其中:
[0042]f(02) =氧氣的逸度(p[02])，
[0043]Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V)，
[0044]F=法拉第常數(shù)(96.485kJ.V' moF1),
[0045]R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.1T1 )，[0046]T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及
[0047]pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-1og(H+)。
[0048]優(yōu)選地，存儲在存儲器中的用于獲得AG的等式是:
[0049]Δ G=2.303*R*T*rH
[0050]其中:
[0051]ΛG=系統(tǒng)的自由能量(kJ/mol-1)，
[0052]R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.1T1 )，
[0053]T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及
[0054]rH=氫標度。
[0055]第三方面，本發(fā)明可以廣義地說成是包括用于反芻動物的瘤胃丸，包括:
[0056]形狀和尺寸設(shè)計成保留在動物瘤胃背囊內(nèi)的主體，
[0057]在丸的主體中容納:
[0058]溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)，
[0059]pH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)，
[0060]氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)，
[0061]無線發(fā)送器，把讀出的傳感器陣列數(shù)據(jù)或者通過處理所述數(shù)據(jù)導(dǎo)出的一個或多個參數(shù)或者把這二者發(fā)送到遠端站。
[0062]在有些實施例中，丸還包括處理器和與處理器關(guān)聯(lián)的存儲器，存儲器存儲一個或多個熱力學(xué)和/或生理等式，處理器布置成把傳感器陣列數(shù)據(jù)輸入到等式中一個或多個或者全部當中，以獲得指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)作為輸出。
[0063]如在本說明書中所使用的，術(shù)語“包括”意味著“至少部分地包括”。當解釋本說明書中每個包括術(shù)語“包括”的語句時，除以該術(shù)語開始的那個或那些之外的特征也可以存在。諸如“包含”的相關(guān)術(shù)語也要以相同的方式來解釋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0064]僅僅作為例子并且參考附圖，對本發(fā)明做進一步描述，其中:
[0065]圖1示出了用于監(jiān)視多個動物中瘤胃環(huán)境的本發(fā)明系統(tǒng)，
[0066]圖2是圖1系統(tǒng)的瘤胃丸的透視圖，
[0067]圖3a是從實驗工作獲得的圖，示出了來自瘤胃的腹囊和背囊溫度的晝夜節(jié)律，
[0068]圖3b是從實驗工作獲得的圖，示出了來自瘤胃的腹囊和背囊pH的晝夜節(jié)律，
[0069]圖3c是從實驗工作獲得的圖，示出了來自瘤胃的腹囊和背囊氧化還原(Eh)的晝夜節(jié)律，
[0070]圖4a是從實驗工作獲得的圖，示出了氫標度(rH)值的晝夜分布圖，其中氫標度(rH)是從圖2的丸獲得的，
[0071]圖4b是從實驗工作獲得的圖，示出了以對數(shù)形式表示的氫分壓和氧逸度值的晝夜分布，其中氫分壓和氧逸度是從圖2的丸獲得的，
[0072]圖4c是從實驗工作獲得的圖，示出了系統(tǒng)的Gibbs自由能量值(AG，kj)的晝夜分布，其中Gibbs自由能量是從圖2的丸獲得的，以及
[0073]圖5是從實驗工作獲得的圖，示出了在干奶牛(dry dairy cattle)中瘤胃的pH和自由能量(AG，kj)的晝夜節(jié)律的關(guān)系。
具體實施例
[0074]參考圖1，用于監(jiān)視諸如奶牛的一個或多個反芻動物的瘤胃環(huán)境并且尤其是瘤胃內(nèi)消化效率的優(yōu)選實施例系統(tǒng)100包括駐留在動物110 (只示出了一個)或者諸如二十或五十或更多動物的畜群的多個動物中許多或大部分或全部的瘤胃中的丸150，以及包括用于接收和處理從該丸或每個丸150發(fā)送的數(shù)據(jù)的計算機處理器140的遠端服務(wù)器。數(shù)據(jù)為每個動物進行分析，以確定飼料轉(zhuǎn)化效率和/或細菌的活性。系統(tǒng)100是參考牛110來描述的，但是也可以與其它反芻動物一起使用。
[0075]每個丸150都被牛110吞入/咽入胃中，它駐留在牛110的瘤胃背囊內(nèi)。瘤胃環(huán)境被丸150監(jiān)視，丸150監(jiān)視瘤胃中的溫度、pH和氧化還原(redox)狀態(tài)/電位。丸150可以按原始格式把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端服務(wù)器140，遠端服務(wù)器140執(zhí)行處理和分析，以便導(dǎo)出指示消化效率的一個或多個參數(shù)，和/或丸150中的板載處理器可以執(zhí)行這種處理并且發(fā)送導(dǎo)出的參數(shù)，或者作為替代板載處理器還可以在把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器140進行進一步處理之前執(zhí)行一些預(yù)處理。丸150通過無線遙測向服務(wù)器140傳送。[0076]現(xiàn)在參考圖2，優(yōu)選實施例丸150包括中空的主體或外罩(housing) 151，用于保留丸150的各種組件并且其形狀/尺寸設(shè)計成保留在動物的瘤胃背囊內(nèi)。對于牛，丸包括長度在范圍135至160mm并且環(huán)形橫截面直徑在范圍25至35mm的細長主體。位于或者朝著其一端，包括相對的橫向延伸部或調(diào)整片(tab) 153，該橫向延伸部或調(diào)整片153朝丸主體是有彈性的但是朝丸主體向外且稍微向后延伸的位置(如所示出的)有記憶，因此調(diào)整片153可以手動地或者通過目的管理工具被迫逆著它們的記憶壓到丸的主體，同時利用調(diào)整片153拖尾的外端把丸向下插入動物的喉嚨，但是當丸到達瘤胃背囊時將恢復(fù)到它們向外延伸的位置，以便在背囊內(nèi)保持丸。丸重量很輕，優(yōu)選地是小于100克，這連同浮力一起幫助它保留在背囊內(nèi)而不會落到瘤胃的底部。
[0077]瘤胃中的發(fā)酵產(chǎn)生糾結(jié)在一團中的氣體，導(dǎo)致草和飼料的大顆粒(大于2_)在背囊內(nèi)滯留。液體和較小的顆粒沉淀在瘤胃的底部(腹囊)。在外罩151中包含的是傳感器，通過傳感器頭152暴露給瘤胃環(huán)境來使用，包括至少溫度、pH和氧化還原傳感器。在優(yōu)選實施例中，丸中的處理器154連接到傳感器并且周期性地或者持續(xù)地讀取傳感器輸出，并且或者處理這些數(shù)據(jù)以便導(dǎo)出指示動物消化效率的參數(shù)并且經(jīng)也位于丸中的無線發(fā)送器把其發(fā)送到計算機140，或者把原始或預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機140。電池也在丸中板載提供，用于給傳感器、微處理器和發(fā)送器供電。處理器154可以在讀出傳感器輸出時立即把信息中繼到發(fā)送器上或者在優(yōu)選實施例中記錄數(shù)據(jù)一段時間(例如，在擠奶之間)然后在一次發(fā)送中發(fā)送多個傳感器輸出讀數(shù)，供計算機分離并處理。此外，信息還可以求平均而且發(fā)送平均值和存儲的標準偏差。但是，任何其它合適的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者平均方案都可以在存儲求平均的傳感器數(shù)據(jù)之前使用。從這些獲得的參數(shù)，終端應(yīng)用可以使用系統(tǒng)100來提高動物的整體效率。
[0078]如上所述，數(shù)據(jù)分析可以遠程地或者在丸自身當中執(zhí)行并且優(yōu)選地包括至少用于運行算法的處理器、用于存儲算法和數(shù)據(jù)的存儲器以及接口電路系統(tǒng)。處理器可以是任何形式的可編程硬件設(shè)備，不管是CPU、數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、微控制器、專用集成電路，還是其它類似的設(shè)備。
[0079]如上所述并且再次參考圖1，優(yōu)選實施例中的計算機140布置成從例如一個農(nóng)場中牲畜集合中的多個丸150接收并處理數(shù)據(jù)。每個丸都在與板載處理器關(guān)聯(lián)的存儲器中存儲特定丸150特有的標識碼。該特有的ID連同傳感器數(shù)據(jù)或參數(shù)一起發(fā)送到計算機140，以便關(guān)聯(lián)信息與特定的動物。
[0080]每個丸150還可以布置成把數(shù)據(jù)或參數(shù)發(fā)送到多于一臺計算機140，每臺計算機都布置成以用于一個或多個特定應(yīng)用的特定途徑處理丸數(shù)據(jù)或參數(shù)。數(shù)據(jù)分析可以在任何合適的計算機硬件系統(tǒng)、平臺或體系架構(gòu)上實現(xiàn)。
[0081]在優(yōu)選實施例中，傳感器輸出讀數(shù)還有可選地?zé)崃W(xué)參數(shù)本地存儲在丸設(shè)備上并且在動物進入安裝在適當位置的接收器設(shè)備145附近時自動上載(為了避免不確定，在說明書和權(quán)利要求中，發(fā)送包括上載)到計算機140，其中適當?shù)奈恢弥T如像擠奶棚、水槽、擠壓(crush)、種屬(race)或類似的動物處理設(shè)施(動物擠奶、供水或處理站)。
[0082]數(shù)據(jù)或參數(shù)的上載或發(fā)送可以每周或每天發(fā)生一次或兩次或更多次達至少一、二或四周或者一、三或六個月或者無限地。如圖1中所示，動物可以一天兩次通過擠奶棚并且來自每個丸的信息被收集并上載到計算機或服務(wù)器140。
[0083]數(shù)據(jù)為每個動物進行分析，以確定飼料轉(zhuǎn)化效率和/或細菌的活性。數(shù)據(jù)分析在以下進一步詳細描 述。信息可以存儲在與計算機140關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫中或者任何其它類型的數(shù)字存儲介質(zhì)(即，基于云的系統(tǒng))中?？梢蚤_發(fā)現(xiàn)場應(yīng)用，以使用這種信息來幫助農(nóng)場主增強動物生產(chǎn)性能，改善動物福利，和/或減少廢物或消化效率。來自瘤胃中的生產(chǎn)能力和健康動態(tài)又可以被監(jiān)視和管理，其中在瘤胃中發(fā)生發(fā)酵、把飼料中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成產(chǎn)奶或肌肉量發(fā)展所需的能量。監(jiān)視可以在延長的周期上發(fā)生，諸如至少一、二或四周或一、三或六個月或者無限地直至攜帶丸的動物死亡。
[0084]開始遭受健康問題的動物將在呈現(xiàn)外部癥狀之前很久就經(jīng)歷生理變化，這可以被檢測。溫度是動物健康的一個基本指示而且可以用于診斷亞臨床和臨床疾病、熱應(yīng)激、乳腺炎、代謝紊亂、生殖周期及甚至是小牛的即將誕生。利用更好的瘤胃功能管理，農(nóng)場主可以預(yù)期看到諸如蹄葉炎和高體細胞數(shù)之類的痛苦的減少，這些也會不利地影響動物的生產(chǎn)能力。
[0085]瘤胃功能和效率貫穿反芻消化過程在溫度及pH變化中反映出來。在消化過程中，瘤胃的PH會從大約7.0 (中性)變成小于5.0 (酸性)，理想地是盡可能多的時間維持健康的中性平衡。瘤胃微生物在PH6-7之間工作得最好。瘤胃發(fā)酵的效率在pH下降延長的周期時被損害。當食物包含過量可快速降解的淀粉或糖而沒有足夠緩慢發(fā)酵的纖維時，過酸的環(huán)境會逐步顯現(xiàn)并且PH會降至大約pH5.5并且保持在那里。這對生產(chǎn)能力和動物健康都有不利的影響，而且對于世界各地的奶制品和飼養(yǎng)場行業(yè)都是一個主要的挑戰(zhàn)。體驗這種常常被稱為亞急性瘤胃酸中毒(SARA)的條件的奶牛群將具有下降的產(chǎn)奶效率、增加的廢物(污水、甲烷等)、受損的奶牛健康和高非自愿淘汰率。此外，高達20%的奶牛在生小牛之后發(fā)展成酸性中毒。SARA會導(dǎo)致更嚴重的健康問題，并且如果不去處理的話會發(fā)展成急性瘤胃酸中毒，這定義為pH〈5.0,這常常會導(dǎo)致死亡。它還使奶牛容易感染更嚴重的疾病,諸如跛足、乳腺炎和亞生育力，每個染病的動物會花費數(shù)百美元。
[0086]服務(wù)器140可以布置成持續(xù)地監(jiān)視pH并且在pH降至不健康的水平時提醒農(nóng)場主，從而允許農(nóng)場主對動物飲食進行小的改變，以穩(wěn)定PH并且在一天當中更多的時間創(chuàng)建更好的瘤胃環(huán)境，從而具有更健康、更高產(chǎn)出的動物。
[0087]服務(wù)器140可以有線或無線地鏈接到自動牽伸(drafting)門的控制器，由此具有異常輪廓的動物可以被自動牽伸到候宰欄(holding pen)并且可選地還有電子郵件警報由服務(wù)器140發(fā)送到獸醫(yī)、農(nóng)場主、技術(shù)員或者其他顧問，諸如動物營養(yǎng)顧問?？蛇x地，還可以提供使獸醫(yī)、農(nóng)場主、技術(shù)員或營養(yǎng)顧問能夠經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)登錄到服務(wù)器140并且檢查數(shù)據(jù)并且例如評估是否需要現(xiàn)場訪問的功能性。在每次擠奶操作結(jié)束時，牛群的總結(jié)報告可以發(fā)送到獸醫(yī)、農(nóng)場主、技術(shù)員或營養(yǎng)顧問，其識別值得關(guān)注的任何個別異常值和動物。 [0088]系統(tǒng)對感測出的數(shù)據(jù)與計算出的熱力學(xué)參數(shù)提供長期24/7監(jiān)視的能力為動物管理員提供了晝行(diurnal)模式的具體圖畫并且關(guān)于瘤胃環(huán)境實現(xiàn)飼料成分與飼料管理實踐的變化。這使得瘤胃環(huán)境能夠基于一群或者個別動物被主動管理，由此提高動物把飼料輸入轉(zhuǎn)化成有用輸出(例如牛奶或肉)的效率。維持瘤胃pH、氧化還原、AG等處于最優(yōu)水平促進有益微生物的生長，這些微生物合成被反芻動物通過瘤胃壁吸收并且在創(chuàng)造牛奶和肌肉組織中使用的VFA和ATP。在最優(yōu)條件之外，與甲烷及其它廢物產(chǎn)生相關(guān)的不太期望的微生物的產(chǎn)生增加。這些不期望的微生物對飼料的消耗代表可用于有益微生物的能量的直接損失以及，因此通過它們對VFA和ATP的產(chǎn)生，牛奶和肉的產(chǎn)生的直接損失。
[0089]動物飼料不是均質(zhì)的而且其關(guān)于蛋白質(zhì)、纖維、碳水化合物和糖的不同成分連同顆粒大小的變化全都影響瘤胃內(nèi)發(fā)酵發(fā)生的速度并且因此影響pH、溫度、氧化還原和后續(xù)計算的熱力學(xué)參數(shù)變化的程度和持續(xù)時間。結(jié)合受控的飼養(yǎng)制度測量這些參數(shù)的能力為動物管理員提供了影響瘤胃中發(fā)酵過程效率以及一個或多個動物整體效率的機制。
[0090]丸還可以可選地包括壓力、電導(dǎo)率、鈉、鉀、氯化物和銨傳感器。數(shù)據(jù)可以可選地為每個動物進行分析，以確定食糜流速、瘤胃容積、甲烷產(chǎn)生、礦物質(zhì)分布和揮發(fā)性脂肪酸分布中的一個或多個。
[0091]數(shù)據(jù)分析
[0092]熱力學(xué)定律(優(yōu)選地沿著生理等式)應(yīng)用到來自傳感器的數(shù)據(jù)，以生成可用于解釋瘤胃飼料轉(zhuǎn)化效率/細菌活性的一個或多個參數(shù)。從傳感器直接讀出的或者在處理生理/熱力學(xué)等式輸出之后的生理數(shù)據(jù)可以給出動物保持良好狀態(tài)的重要信息并且?guī)椭斫饣蝾A(yù)測疾病或代謝綜合癥。如上所述，丸150包括pH傳感器、氧化還原傳感器和溫度傳感器，并且位于瘤胃的背囊內(nèi)。熱力學(xué)定律可以應(yīng)用到傳感器輸出，以便導(dǎo)出如下所示的rH、PPtH2], f (O2)和AG。導(dǎo)出這些參數(shù)是為了監(jiān)視瘤胃內(nèi)的細菌活性。
[0093]氫標度
[0094]氫標度，rH，給出了瘤胃環(huán)境的還原或氧化強度或電位的良好指示，類似于酸性或堿性PH測量。rH標度集成了 pH和Eh測量，給出了厭氧微生物代謝的更好描述。出于同樣的原因，它可以在活體條件下使用，以提供瘤胃內(nèi)容的氧化/還原狀態(tài)或電位的直接指示。
[0095]給出
[0096]Eh=E0+2.303*R*T/n*F* (rH_2*pH)
[0097]rH 等于:
[0098]rH= (Eh*2*F/2.303*R*T) +2*pH
[0099]其中:[0100]Eh=從氧化還原傳感器輸出導(dǎo)出的氫電位(V),
[0101]Eci=反應(yīng)的電位，在這種情況下是O (氫電位)，
[0102]η=反應(yīng)中電子的個數(shù)，在這種情況下是2，
[0103]F=法拉第常數(shù)(96.485kJ.V' ι?ο1)，
[0104]R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.1)，
[0105]T=從溫度傳感器輸出導(dǎo)出的溫度(K)，
[0106]rH=-1og (H2),以及
[0107]pH=從pH傳感器輸出導(dǎo)出的-log (H+)。
[0108]標度橫跨42至0，其中O代表飽和的氫大氣(I大氣壓)。不同氧化還原反應(yīng)的值可以按那個標度規(guī)定并且對于每兩種反應(yīng)物都有ArH的某個值適用。這可以用于觀察反應(yīng)伴侶(反應(yīng)物:產(chǎn)物)直到(to)特定的氧化還原能力并且預(yù)測那個特定反應(yīng)的效率。
[0109]H2的分壓
[0110]氣相中的氫氣(H2)濃度與瘤胃液體中的rH標度之間存在緊密關(guān)系。實際上，rH標度也通過已經(jīng)討論過的公式代表氫氣分壓。H2不僅是瘤胃中有機物質(zhì)降解的關(guān)鍵中間物，而且瘤胃氣頂中的氫分壓(PP[H2])可以直接關(guān)聯(lián)到活體條件下的甲烷產(chǎn)生。種間H2傳輸驅(qū)動生化反應(yīng)，諸如短鏈脂肪酸(SCFA)的產(chǎn)生和能量形成(ATP)。此外，實時地監(jiān)視pp [H2]增強了對碳水化合物發(fā)酵過程(SCFA、ATP和甲烷的形成)和種間H2傳輸?shù)牧私猓瑢?dǎo)致發(fā)酵過程的優(yōu)化并減少甲烷損失。
[0111]氫標度(rH)是氫分壓的基數(shù)為10的負對數(shù)，因此:
[0112]rH=-1og pp [H2]
[0113]于是，
[0114]pp [H2] =10 ~rH (atm)
[0115]其中:
[0116]pp [H2]=氫的分壓(大氣壓)，以及
[0117]rH=氫標度。
[0118]在值OrH，氫的分壓是I大氣壓。
[0119]氧逸度(f(O2))
[0120]增加瘤胃液體中的氧壓力(f (O2))與甲烷排放相關(guān)并且造成自由H2在體液中積累。相反，在喂食之后觀察到的低f (O2)張力增加甲烷產(chǎn)生。已經(jīng)顯示，瘤胃原蟲是溶解的氧氣的重要清除者(Ellis等人，1989)。于是，在喂食之后觀察到的f (O2)的命運(fate)會是原蟲活性的良好指示。瘤胃中的原蟲活性關(guān)聯(lián)到氮周轉(zhuǎn)率，因此飲食變化將增強原蟲活性，從而增加氮周轉(zhuǎn)。類似地，原蟲與產(chǎn)甲烷菌之間的共生可以保護產(chǎn)甲烷菌不受高瘤胃氧濃度影響。從根本上，監(jiān)視f (O2)有助于解釋由于原蟲活性造成的甲烷排放的變化。
[0121]另一方面，監(jiān)視f (O2)關(guān)聯(lián)到通過丙烯酸酶促反應(yīng)(pathway)把乳酸鹽轉(zhuǎn)換成丙酸鹽。低于平衡(log f(02)的-50.16)，丙酸鹽的形成將會被促進，而高于那個平衡，乳酸鹽將積累。從根本上，f(02)會通過減少乳酸性酸中毒的出現(xiàn)或者監(jiān)視乳酸鹽到丙酸鹽的轉(zhuǎn)化來幫助優(yōu)化瘤胃發(fā)酵。
[0122]瘤胃的逸度是氧分壓的對數(shù)并且它通過下式關(guān)連到氫電子的電位:
[0123]Eh=E0+2.303*R*T/n*F*Log ([產(chǎn)物]/ [反應(yīng)物])[0124]而且，
[0125]
【權(quán)利要求】
1.一種用于監(jiān)視一個或多個反芻動物瘤胃內(nèi)消化效率的系統(tǒng)，包括: 一個或多個瘤胃丸，每個丸的形狀和尺寸都設(shè)計成保留在或者駐留在相關(guān)動物的瘤胃背囊內(nèi)而且每個丸都包括: 溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)， PH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)， 氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)，以及 無線發(fā)送器，用于把數(shù)據(jù)或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站，以及 在該丸或每個丸中或者在遠端站，處理器布置成從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括用于或者駐留在五十或更多動物中少數(shù)的瘤胃內(nèi)的丸。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括用于或者駐留在五十或更多動物中大部分或全部的瘤胃內(nèi)的丸。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括用于或者駐留在二十或更多動物的瘤胃內(nèi)的丸。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的系統(tǒng)，其中每個丸都包括存儲在丸中存儲器內(nèi)的個別丸特有的標識碼。
6.如權(quán)利要求1至5中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成每周發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求 1至5中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成每天發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1至5中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成每天發(fā)送至少兩次數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求6至8中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成發(fā)送數(shù)據(jù)至少一周。
10.如權(quán)利要求6至8中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成發(fā)送數(shù)據(jù)至少四周。
11.如權(quán)利要求6至8中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成發(fā)送數(shù)據(jù)至少三個月。
12.如權(quán)利要求6至8中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成無限地發(fā)送數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求1至12中任何一項所述的系統(tǒng)，其中處理器位于遠端站內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1至12中任何一項所述的系統(tǒng)，其中處理器位于丸內(nèi)。
15.如權(quán)利要求1至14中任何一項所述的系統(tǒng)，布置成在丸中本地存儲傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)并且在動物進入接收器附近時把所述傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站O
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中接收器位于動物擠奶、供水或處理站附近。
17.如權(quán)利要求1至16中任何一項所述的系統(tǒng)，其中每個丸都包括包含傳感器和無線發(fā)送器的主體，以及位于或者朝著該主體的一端的相對的橫向延伸部或調(diào)整片，該橫向延伸部或調(diào)整片朝著丸的主體是有彈性的但是朝著丸主體向外延伸的位置有記憶。
18.如權(quán)利要求1至17中任何一項所述的系統(tǒng)，其中所述一個或多個參數(shù)包括氫標度(rH)、氫的分壓(pp [H2])、氧逸度(f (O2))和系統(tǒng)的自由能量(Λ G)中一個或多個的任意組八口 ο
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中存儲在存儲器中的用于獲得rH的等式是: rH= (Eh*2*F/ (2.303*R*T)) +2*pH 其中: Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V )，F(xiàn)=法拉第常數(shù)(96.485kJv-1.mol-1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.mol-1.k-1), T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K )， rH=-log(H2)，以及 pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-1og(H+)。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中rH指示瘤胃環(huán)境的還原或氧化強度，并且處理器布置成輸出從O至42變化的值，其中O代表飽和的氫大氣。
21.如權(quán)利要求1至20中任何一項所述的系統(tǒng)，其中存儲在存儲器中的用于獲得PP [H2]的等式是:
pp [H2] =lCTrH (atm) 其中: PP [H2]=氫的分壓(大氣壓)，以及 rH=氣標度。
22.如權(quán)利要求1至21中任何一項所述的系統(tǒng)，其中存儲在存儲器中的用于獲得f(O2)的等式是:
Log f (O2) = [( (Eh-0.818)*4*F/(2.303*R*T))+4*pH)] 其中: f (O2) =氧氣的逸度(p [02]), Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V )， F=法拉第常數(shù)(96.485kJv-1.mol-1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.mol-1.k-1)， T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及 pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-1og(H+)。
23.如權(quán)利要求1至22中任何一項所述的系統(tǒng)，其中存儲在存儲器中的用于獲得AG的等式是:
ΔG=2.303*R*T*rH
其中: AG=系統(tǒng)的自由能量(kj/mor1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.mol-1.k-1)， T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及 rH=氣標度。
24.如權(quán)利要求1至23中任何一項所述的系統(tǒng)，其中瘤胃丸還包括以下任何一個或多個: 壓力傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)壓力的數(shù)據(jù)， 電導(dǎo)率傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)， 鉀傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)鉀濃度的數(shù)據(jù)， 氯化物傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)氯化物濃度的數(shù)據(jù)， 鈉傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)鈉濃度的數(shù)據(jù)，以及 銨傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)銨濃度的數(shù)據(jù)。
25.一種用于監(jiān)視一個或多個反芻動物瘤胃的消化效率的方法，包括步驟: 在該動物或每個動物的瘤胃背囊內(nèi)提供丸， 感測該瘤胃背囊或每個瘤胃背囊內(nèi)溫度、PH和氧化還原電位的組合， 把感測到的數(shù)據(jù)或?qū)С龅膮?shù)無線地發(fā)送到遠端接收器，以及在該丸或每個丸中或者在遠端站的處理器中，從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，包括提供用于或者駐留在五十或更多動物中少數(shù)的瘤胃內(nèi)的丸。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，包括提供用于或者駐留在五十或更多動物中大部分或全部的瘤胃內(nèi)的丸。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，包括用于或者駐留在二十或更多動物的瘤胃內(nèi)的丸。
29.如權(quán)利要求25至28中任何一項所述的方法，其中每個丸都包括存儲在丸中存儲器內(nèi)的個別丸特有的標識碼。
30.如權(quán)利要求25至29中任何一項所述的方法，包括每周發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)。
31.如權(quán)利要求25至29中 任何一項所述的方法，包括每天發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)。
32.如權(quán)利要求25至29中任何一項所述的方法，包括每天發(fā)送至少兩次數(shù)據(jù)。
33.如權(quán)利要求25至29中任何一項所述的方法，包括發(fā)送數(shù)據(jù)至少一周。
34.如權(quán)利要求25至33中任何一項所述的方法，包括發(fā)送數(shù)據(jù)至少四周。
35.如權(quán)利要求25至33中任何一項所述的方法，包括發(fā)送數(shù)據(jù)至少三個月。
36.如權(quán)利要求25至33中任何一項所述的方法，包括無限地發(fā)送數(shù)據(jù)。
37.如權(quán)利要求25至36中任何一項所述的方法，其中處理器位于遠端站內(nèi)。
38.如權(quán)利要求27至36中任何一項所述的方法，其中處理器位于丸內(nèi)。
39.如權(quán)利要求25至38中任何一項所述的方法，包括在丸中本地存儲傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)并且在動物進入接收器附近時把所述傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站O
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中接收器位于動物擠奶、供水或處理站附近。
41.如權(quán)利要求25至40中任何一項所述的方法，其中每個丸都包括包含傳感器和無線發(fā)送器的主體，以及相對的橫向延伸部或調(diào)整片，該橫向延伸部或調(diào)整片朝著丸的主體是有彈性的但是朝著丸主體向外延伸的位置有記憶。
42.如權(quán)利要求25至41中任何一項所述的方法，其中一個或多個參數(shù)包括氫標度(rH)、氫的分壓(pp[H2])、氧逸度(f(02))和方法的自由能量(AG)中一個或多個的任意組合。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中存儲在存儲器中的用于獲得rH的等式是: rH= (Eh*2*F/ (2.303*R*T)) +2*pH 其中: Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V )，
F=法拉第常數(shù)(96.485kJ.V—1.mol-1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.mol-1)， T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)rH=-log(H2),以及 pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-1og(H+)。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中rH指示瘤胃環(huán)境的還原或氧化強度，并且處理器布置成輸出從O至42變化的值，其中O代表飽和的氫大氣。
45.如權(quán)利要求25至44中任何一項所述的方法，其中存儲在存儲器中的用于獲得PP [H2I的等式是:
pp [H2] =lCTrH (atm) 其中: PP [H2]=氫的分壓(大氣壓)，以及 rH=氣標度。
46.如權(quán)利要求25至45中任何一項所述的方法，其中存儲在存儲器中的用于獲得f(02)的等式是:
Log f (O2) = [( (Eh-0.818)*4*F/(2.303*R*T))+4*pH)] 其中: f (O2) =氧氣的逸 度(p [O2]), Eh=從氧化還原傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的氫電位(V )，
F=法拉第常數(shù)(96.485kJ.V—1.mol,οk-1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.k-1)， T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及 pH=從pH傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的-1og(H+)。
47.如權(quán)利要求25至46中任何一項所述的方法，其中存儲在存儲器中的用于獲得AG的等式是:
ΔG=2.303*R*T*rH
其中: Λ G=方法的自由能量(kJ/mo l-1)，
R=氣體常數(shù)(0.008314472kJ.moF1.k-1)， T=從溫度傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出的溫度(K)，以及 rH=氣標度。
48.一種用于反芻動物的瘤胃丸，包括: 形狀和尺寸設(shè)計成保留在動物的瘤胃背囊內(nèi)的主體， 在丸的主體中容納: 溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)， PH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)， 氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)，以及無線發(fā)送器，把讀出的傳感器陣列數(shù)據(jù)或者通過處理所述數(shù)據(jù)導(dǎo)出的一個或多個參數(shù)或者把這二者發(fā)送到遠端站。
49.如權(quán)利要求47所述的丸，其中處理器位于丸中。
50.如權(quán)利要求48或權(quán)利要求49所述的丸，布置成在丸中本地存儲傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)并且在動物進入接收器附近時把所述傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站O
51.如權(quán)利要求47至50中任何一項所述的丸，包括包含傳感器和無線發(fā)送器的主體，以及相對的橫向延伸部或調(diào)整片，該橫向延伸部或調(diào)整片朝著丸的主體是有彈性的但是朝著丸主體向外延伸的位置有記憶。
52.如權(quán)利要求47至51中任何一項所述的丸,其中所述一個或多個參數(shù)包括氫標度(rH)、氫的分壓(pp[H2])、氧逸度(f (O2))和系統(tǒng)的自由能量(AG)中一個或多個的任意組入口 ο
53.如權(quán)利要求47至52中任何一項所述的丸，其中瘤胃丸還包括以下任何一個或多個: 壓力傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)壓力的數(shù)據(jù)， 電導(dǎo)率傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)， 鉀傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)鉀濃度的數(shù)據(jù)， 氯化物傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)氯化物濃度的數(shù)據(jù)， 鈉傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)鈉濃度的數(shù)據(jù)，以及 銨傳感器，用于提供指示瘤胃內(nèi)銨濃度的數(shù)據(jù)。
54.一種用于監(jiān)視一個或多個反芻動物瘤胃內(nèi)消化效率的系統(tǒng)，包括: 多個瘤胃丸，每個丸的形狀和尺寸都設(shè)計成保留在或者駐留在一組動物的瘤胃背囊內(nèi)而且每個丸都包括: 溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)， PH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)， 氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)， 存儲在丸中存儲器內(nèi)的個別丸特有的標識碼，以及 無線發(fā)送器，用于把數(shù)據(jù)或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站，該遠端站布置成每天發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)或者每周發(fā)送至少一次數(shù)據(jù)達至少四周或至少三個月，以及 在該丸或每個丸中或者在遠端站，處理器布置成從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化效率的一個或多個參數(shù)，包括氫標度(rH)、氫的分壓(pp [H2])、氧逸度(f (O2))和系統(tǒng)的自由能量(AG)中一個或多個的任意組合。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，布置成在丸中本地存儲傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)并且在動物進入接收器附近時把所述傳感器數(shù)據(jù)和/或?qū)С龅膮?shù)發(fā)送到遠端站。
56.如權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中接收器位于動物擠奶、供水或處理站附近。
57.如權(quán)利要求54至56中任何一項所述的系統(tǒng)，其中每個丸都包括包含傳感器和無線發(fā)送器的主體，以及位于或者朝著該主體的一端的相對的橫向延伸部或調(diào)整片，該橫向延伸部或調(diào)整片朝著丸的主體是有彈性的但是朝著丸主體向外延伸的位置有記憶。
58.一種用于監(jiān)視反芻動物瘤胃內(nèi)消化效率的瘤胃丸，包括: 橫向延伸部或調(diào)整片，該橫向延伸部或調(diào)整片朝著丸的主體是有彈性的但是朝著丸主體向外延伸的位置有記憶，以幫助丸保留在或者駐留在動物的瘤胃背囊內(nèi)， 溫度傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)溫度的數(shù)據(jù)， PH傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)pH的數(shù)據(jù)， 氧化還原傳感器，提供指示瘤胃內(nèi)氧化還原電位的數(shù)據(jù)，處理器，布置成從傳感器數(shù)據(jù)導(dǎo)出指示動物消化的一個或多個參數(shù)，具有存儲丸標識碼的相關(guān)聯(lián)的存儲器，以及 無線發(fā)送器，在至少三個月的范圍內(nèi)周期性地把一個或多個導(dǎo)出的參數(shù)發(fā)送到遠端站。
【文檔編號】A61B5/00GK103747672SQ201280039668
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月16日
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