牛体表温度测定及其与体内温度校正公式研究

蔡 勇，赵福平，陈 新，寇红祥，陈晓丽，路永强，王 栋*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业部畜禽遗传资源与利用重点开放实验室，北京 100193；2.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；3.吉林农业大学动物科学技术学院，长春 130118；4.北京市畜牧兽医总站，北京 100107)

牛体表温度测定及其与体内温度校正公式研究

蔡 勇1#，赵福平1#，陈 新2#，寇红祥1，3，陈晓丽1，路永强4*，王 栋1*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，农业部畜禽遗传资源与利用重点开放实验室，北京 100193；2.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；3.吉林农业大学动物科学技术学院，长春 130118；4.北京市畜牧兽医总站，北京 100107)

监测牛体温变化，对准确进行牛发情鉴定、妊娠诊断等生理活动预测及疫病监控具有重要意义。针对尚无快速检测牛体表温度技术的情况，本研究采用自行研发的体表测温装置连续3 d监测5头西门塔尔牛体表温度变化，同时采集其直肠温度。通过统计分析，首次揭示了牛体表温度的昼夜变化规律，通过线性和非线性拟合，得出最优的校正公式：Z-1=0.026 7+0.000 256lnX/X-2.047 4×10-8×Y3(Z表示直肠温度，X表示时间点，Y表示体表温度)，该公式校正后的体表温度与实际直肠温度平均差0.001 22 ℃，最大差值不超过0.3 ℃，说明本研究开发的自动测温方法经校正后能较准确地反映牛体温的真实变化，对进一步研究体表温度与牛生理和疾病过程的关系具有重要意义。

牛；体表温度；直肠温度；校正公式

体温是机体重要的生理指标，正常情况下，牛体温会在相对恒定的范围内，随生理活动变化而成一定规律性[1]，比如发情、排卵、妊娠及分娩等。G.S.Lewis等[2]与W.J.Eradus等[3]观察到奶牛发情前5 d体温下降，发情前2 d体温下降到最低，然后又逐渐升高。H.W.Boyd[4]和R.Geers等[5]发现奶牛发情期间体温分别上升0.1与0.5 ℃。Z.Gil等[6]研究发现，人工输精后第5～12天，怀孕奶牛体温均有不同程度升高，平均每头牛升高0.46 ℃，而未怀孕奶牛体温则没有显著变化，检测胚胎着床前后血液孕酮、皮质醇、雌二醇和PGE2变化和子宫着床情况，研究表明，这期间体温的升高是通过免疫反应母体胎盘对胚胎建立免疫相容性，并促使胚胎着床造成的。研究发现，奶牛分娩前1周内，体温较高，平均达到39.18 ℃，产前第3天达到最高峰，平均为39.37 ℃，随后逐渐下降，至产前12 h降到最低为38.81 ℃。另外，病理过程时，牛体温也会发生不同程度改变[7-8]。简便、准确、有效地监测牛体温变化，不仅有助于准确地进行奶牛发情鉴定、妊娠诊断及分娩时间预测，科学合理地进行输精，并针对妊娠、分娩等繁殖环节组织生产和进行管理，还可积极有效地进行疫病监测、预防及控制。

大部分牛场目前依然采用水银体温计进行直肠测温，该方法测温效率低下，易引起奶牛疾病交叉传播，且不能准确实时获取每头牛的体温数据，需要的人力也较多，耗时费力，远远不能满足现代规模化牧场的管理要求[9]。随着生物传感器技术的发展，部分发达国家已将无线电技术应用于奶牛体表测温，并取得了一定的研究成果：J.Bligh等[10]首次提出将无线遥测技术运用于动物体温测定的构想;B.L.Kyle等[11]与V.S.Suthar等[12]在奶牛阴道植入包含温度采集、无线电接收设备的棒状无线遥测系统，对奶牛阴道温度进行实时监测；R.Morais等[13]与N.Miranda等[14]将与会阴肌肉组织无排斥反应的无线温度传感器，植入奶牛会阴部肌肉，监测会阴部温度，进行发情鉴定；O.Alzahal 等[15-16]与E.Timsit等[17]分别通过食道将无线电瘤胃丸投入瘤胃，监测奶牛瘤胃温度变化，结果显示，无线电瘤胃丸能够有效监测奶牛体内温度变化。这些方法虽不同程度地达到了测温目的，但无论瘤胃丸还是皮下埋置都会对奶牛造成一定伤害，均不符合动物福利要求。近年来，红外测温不断被用于牛体表温度测量，然而效果都不很理想，也没有给出明确的体表温度与体内温度校正公式，无法指导生产应用。为此，本研究团队进行牛体表温度测定仪器研发，采用接触测温方式测量牛体表温度，同时用兽用水银体温计采集直肠温度，然后将体表温度与直肠温度数据进行分析，并通过不同的数据分析方法给出4种体表温度校正公式。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

本试验于2015年2月6日-2015年2月10日在河北某牛场进行。

1.2 试验动物

随机选取5头健康、处于空怀期的健康状态良好14～18月龄西门塔尔牛作为试验牛，所有试验牛个体之间不存在血缘关系；采用散栏式饲养、全自动TMR日粮饲喂，每天早上6：00和下午15：00两次投放饲料、保证自由采食和清洁饮水。

1.3 仪器

市售普通水银体温计2支，本实验室自行研发的体表测温装置10套(采用接触式测温)、数据采集装置1套(用于采集检测装置中存储的体温数据)。其中，体表测温装置采用高精度的医用集成数字测温探头，保证体温测量的精度，体温数据采用ⅡC总线形式通过无线射频方式传输给数据采集装置，而数据采集装置通过485总线与上位机系统进行通讯连接。

1.4 体表温度和体内温度的采集

1.4.1 预试验：正式试验开始前两天，采用胶带将体表测温检测装置紧贴试验牛后腿脚腕部皮肤绑定，该装置能够自动检测体表温度并进行存储，试验前将每两次测温间隔设定为0.5 h，每天下午15：00用数据采集装置进行温度数据收集；根据采集数据进行设备调试，同时进行试验牛适应性训练。待设备测温稳定正常、试验牛适应后，进行正式试验。

1.4.2 正式试验：试验期间，自动测温装置继续根据预试期的测温设置，每隔半小时测定1次试验牛后腿腕部温度，连续测温3 d；同时采用水银体温计，每隔2 h再对自动测定体表温度的牛只进行直肠测温。测定直肠温度时，先将待测试验牛保定，待保定试验牛休息10 min后，再进行直肠测温，每头试验牛测量5 min后，读取数据，每头牛每天共采集12个时间点的直肠温度数据，也连续测温3 d。

调质效果对于沉性水产饲料水中稳定性的研究也表明了在生产膨化沉性料的过程中，调质效果的关键作用。Eugenio Bortone等[8]对调质时间和机械能输入对膨化虾料水中稳定性带来的影响，进行了实验研究。分别对4组实验(PPC、PPO、LSME和MSME)进行了对比研究，实验结果如图4所示。

1.5 数据处理与分析

每头牛每天有48条体表温度数据，12条直肠温度数据，直肠温度数据较少。因为直肠温度在2 h内变化较小，故取相邻两个时间点直肠温度的平均值作为中间时间点的直肠温度，同时舍弃每个半点的体表温度数据，每头牛每天各有23个同一时间点的体表和体内温度数据。采用SAS 9.2进行试验数据显著性差异分析及线性回归分析，同时采用Tablecurve2D/3D进行曲线拟合及校正方程分析。

2 结 果

2.1 每头牛每天体表温度情况

每头牛每天体表温度情况(表1)显示，所有牛只3 d内体表温度均差异不显著(P>0.05)，表明每头牛在生理情况相似、环境变化较小情况下，每天的体表温度基本都是恒定的，同时也说明该套体表测温装置效果比较稳定，受外界环境温度影响较小；而在同一天一些试验牛体表温度差异显著(P<0.05)，表明不同牛只体表温度有一定差别，比如，0116号牛在3 d中每天体温变化幅度为2.6 ℃左右，在5头牛中变化幅度最小，而0150号牛在3 d中每天的体温变化幅度均较大(最高达到7 ℃)，可能是由于牛只的个体差异造成的。

表1 每头牛每天体表温度情况

Table 1 Summary of surface temperature of each cow in each day

牛号Cows2015年2月6日Feb．6，20152015年2月7日Feb．7，20152015年2月8日Feb．8，2015最大值Max最小值MinX±SD最大值Max最小值MinX±SD最大值Max最小值MinX±SD011237．732．834．9±1．6aA36．831．734．2±1．4aB37．832．234．4±1．7aB019835．430．232．5±1．3aB35．029．131．8±1．6aD34．329．231．9±1．4aC011636．834．235．6±0．9aA36．734．335．6±0．8aA37．134．235．7±0．9aA018436．333．134．8±0．9aA36．833．335．1±0．8aA37．033．034．8±1．2aB015036．529．532．7±2．3aB35．833．132．8±1．5aC35．430．632．6±1．5aC

a、b、c表示同行平均值的差异显著性，字母相同者表示差异不显著(P>0.05)，字母不同表示差异显著(P<0.05)；A、B、C、D表示同列平均值的差异显著性，字母相同者表示差异不显著(P>0.05)，字母不同者表示差异显著(P<0.05)。下同

a，b and c mean the significance of difference in the same line，the same letter means no significant difference，the different letter mans significant difference；A，B，C and D mean the significance of difference in the same column，the same letter means no significant difference，the different letter mans significant difference.The same as below

2.2 每头牛每天直肠温度情况

每头牛每天的直肠温度情况(表2)表明：类似于体表温度，直肠温度在一天之内的变化幅度较小(约为0.6 ℃)，所有牛只3 d内的直肠温度差异均不显著(P>0.05)，而同一天之内部分牛只直肠温度差异显著(P<0.05)。与体表温度同理，生理情况相似、环境变化较小情况下，每天的体表温度基本都是恒定的，而个体间的差异可能来自于生理、健康、代谢等状况的差异。

2.3 一天中不同时间点体表温度和直肠温度变化情况

将5头牛3 d的体表和直肠温度数据按相同时间点取平均值作图，得出一天内体表和直肠温度的变化趋势(图1)，图1显示，体表温度在一天内呈现明显的规律性变化：早上5：00-6：00体表温度为一天中的最低值(32.2 ℃)，随后逐渐升高，到下午13：00-14：00达到一天的最高值(36.0 ℃)，随后逐渐降低，直至降到最低点；但直肠温度一天之中变化幅度较小，几乎看不出昼夜变化规律，由于体表温度随时间变化较大，而直肠温度随时间变化较小，因此，在接下来温度校正时，采用考虑时间因素和不考虑时间因素两种方式。

表2 每头牛每天直肠温度情况

Table 2 Summary of rectal temperature of each cow in each day

牛号Cows2015年2月6日Feb．6，20152015年2月7日Feb．7，20152015年2月8日Feb．8，2015最大值Max最小值MinX±SD最大值Max最小值MinX±SD最大值Max最小值MinX±SD011239．138．338．6±0．2aB38．938．338．6±0．2aB39．038．438．7±0．2aA019838．838．038．4±0．2aC38．637．838．2±0．2aD38．737．938．3±0．2aC011638．938．338．6±0．1aB39．138．438．7±0．2aA39．038．438．7±0．2aA018438．938．238．6±0．2aA39．138．338．6±0．2aB39．338．038．6±0．3aA015038．938．138．4±0．2aC38．838．238．5±0．2aC38．838．238．5±0．2aB

误差线的长短代表着偏离该点平均值的程度The length of error bars represents the degree of deviating from the average level图1 一天内体表温度和直肠温度变化曲线Fig.1 The curve of surface temperature and rectal temperature in one day

2.4 体表温度与体内温度SAS线性回归分析

在探讨奶牛体表温度与体内温度关系时，先假设二者间存在线性关系，接下来采用SAS软件对体表温度和直肠温度数据进行线性回归分析。

2.4.1 一元线性回归分析 一元线性回归结果(图2)显示：单独分析体表温度与直肠温度关系时，得到的拟合方程：Y=34.89+0.11×X(Y表示直肠温度，X表示体表温度)，拟合度R2为0.714 4，采用此拟合方程，大部分体表温度数据都分布在95%置信区间内。

图2 一元线性回归方程拟合效果图Fig.2 The fitting effect of one variable linear regression

2.4.2 二元线性回归分析 图1表明，体表温度随时间变化较大、而直肠温度受时间因素影响较小，图2的一元线性回归中还有部分体表温度数据没有达到95%置信区间。因此，又以时间点、体表温度为变量，对直肠温度进行了二元线性回归分析，得出拟合方程：Z=34.96+0.003 5×X+0.104×Y(Z表示直肠温度，X表示时间点，Y表示体表温度)，拟合度R2为0.723 5。

2.5 曲线拟合及校正方程

线性回归分析取得了较好的拟合效果，尤其是二元线性回归，拟合度R2达到了0.723 5，表明体表温度与直肠温度间存在一定线性关系。为获得较理想的拟合效果，进一步利用Tablecurve2D/3D进行了非线性拟合。

2.5.1 Tablecurve2D曲线拟合分析 不考虑时间因素，将5头牛对应时间点的体表温度和直肠温度数据通过Tablecurve2D曲线拟合，结果如图3所示：其中拟合方程为Y-1=0.026 8-2.133 8×10-8×X3(Y表示直肠温度，X表示体表温度)，拟合度R2为0.717 9，与SAS软件进行的一元线性统计分析决定系数0.714 4相差不大。

2.5.2 Tablecurve3D曲线拟合分析 考虑时间因素的影响，将时间点、体表温度作为自变量、直肠温度作为因变量，通过Tablecurve3D软件进行拟合分析，结果如图4所示：其拟合曲线为Z-1=0.026 7+0.000 256lnX/X-2.047 4×10-8×Y3(Z表示直肠温度，X表示时间点，Y表示体表温度)，拟合度R2为0.734 2，运用该拟合公式校正后的体表温度与实际直肠温度比较，平均差值为0.001 22 ℃，最大差值不超过0.3 ℃，取得了较理想的效果。

图3 体表温度与直肠温度的曲线拟合效果Fig.3 The fitting effect of surface temperature and rectal temperature

图4 体表温度、时间点与直肠温度的曲线拟合效果Fig.4 The fitting effect of surface temperature，time point and rectal temperature

3 讨 论

现代医学的发展，推动了对人体表温度变化规律的深入研究，并取得了一定阶段性成果：用红外成像技术，采集人体特定部位体表温度图像，建立了乳腺癌、局部炎症、血管栓塞、局部疼痛、肺、肝癌等多种疾病辅助诊断手段[18-20]。炉庆洪[21]利用红外成像技术，首次测量208例大陆健康青年男女21个部位的体表温度，并初步确定了青年男女正常体表温度参考值范围，为利用体表温度监测人体健康状况和疾病预防奠定了坚实基础。体表温度检测对动物同样具有重要意义，尤其是马、牛等大动物，代表体温的肛温检测难度较大，建立简单高效的体表温度检测技术，对提高生产管理效率，促进经济发展，更具重要意义。在动物上，开展部分针对猪发情周期中体表温度变化的研究[22]，而对于牛，因为体表被毛较多，无毛裸露的体表部位较少，并且检测很不方便，体表温度研究报道较少，仅见到关于热应激对奶牛体表温度的影响[23]和乳区表面温度变化与乳房炎关系[24]等少量研究，这些结果只揭示部分环境因素及体表个别部位温度与部分病理现象的关系，没有深入揭示体表温度与体温(肛温)间的关系及其变化规律，对牛体表温度变化规律缺乏足够深入系统的研究，本研究提供一种新的牛体表测温方法，对牛体表温度进行3 d连续不间断测量，首次揭示牛1 d内体表温度变化规律，为后续深入研究牛体表温度变化提供一定参考。

邵东东等[25]采用红外测温仪和兽用水银温度计，连续3 d每天3个时间点，采集了56头杜洛克母猪的体表温度和直肠温度数据，并通过一元线性回归和Tablecurve2D曲线拟合两种分析方法，得出体表温度和直肠温度曲线拟合方程Y=37.255+0.000 28X2.5，其中X为体表温度，Y为直肠温度，拟合度R2并不理想，仅为0.380 4，说明测定的体表温度对直肠温度的代表性还有待提高。M.Metzner等[24]用红外成像仪采集5头奶牛共32个随机时间点的160条直肠温度数据，同时在后乳区多边形区域内采集各牛只相应体表温度的最大值和平均值数据，并分别进行一元线性回归校正，发现乳区体表温度最大值与直肠温度存在较好的线性关系，公式为Tr=5.68+0.874×Tmax(Tr表示直肠温度，Tmax表示后乳区温度最大值)，拟合度R2为0.646 4；而后乳区体表温度平均值与直肠温度的拟合度R2只有0.431 6，拟合效果较差。上述研究均针对白天进行随机时间点采样，采集数据时间未能均匀覆盖一昼夜24 h的变化情况，曲线拟合时无法揭示体表温度的昼夜变化规律，而本试验采用接触式自动测温方法，采集3 d连续的体表温度与直肠温度数据，在进行单因素拟合的同时，还把时间因子作为自变量进行二元线性和非线性拟合，最后得出最优的校正公式Z-1=0.026 7+0.000 256lnX/X-2.047 4×10-8×Y3(Z表示直肠温度，X表示时间点，Y表示体表温度)，校正公式的拟合度为R2=0.734 2。试验结果优于M.Metzner等[24]校正公式的拟合度，分析主要原因：采用红外成像仪进行牛体表测温，属于非接触式测温，易受外界环境因素的影响，而本试验采用接触式测温技术受环境因素影响较小；M.Metzner等[24]在一天之内随机选取时间点测量体表温度和直肠温度数据，具有较大的偶然性，而本试验每隔2 h测温一次直肠温度，采集一昼夜的体表温度和直肠温度数据，数据更加全面。本试验所测定的体表温度一定程度上反应奶牛的体温，为利用体表温度进行牛发情、妊娠、分娩等生理规律研究奠定前期基础。但是，本试验只采集了5头牛的体表温度和直肠温度数据，数据量较少，还需进一步扩大样本数量进行研究，并兼顾季节因素。

4 结 论

本试验采用接触式测温方法，进行3 d连续不间断牛体表温度测量，首次揭示牛体表温度的昼夜变化规律：早上5：00-6：00体表温度为一天中的最低值(32.2 ℃)，随后逐渐升高，到下午13：00-14：00达到最高值(36.0 ℃)，随后逐渐降低，直至降到最低点。并以时间和体表温度为自变量、体内温度为因变量，得到最佳拟合效果的非线性方程：Z-1=0.026 7+0.000 256InX/X-2.047 4×10-8×Y3(Z表示直肠温度，X表示时间点，Y表示体表温度)，运用该拟合公式校正后的体表温度与实际直肠温度比较，平均误差为0.001 22 ℃，最大误差不超过0.3 ℃，取得比较理想的效果。

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(编辑 程金华)

Cow Surface Temperature Measurement and Correlation with Rectal Temperature

CAI Yong1#，ZHAO Fu-ping1#，CHEN Xin2#，KOU Hong-xiang1，3，CHEN Xiao-li1，LU Yong-qiang4*，WANG Dong1*

(1.TheKeyLaboratoryforFarmAnimalGeneticandUtilizationofMinistryofAgricultureofChina，InstituteofAnimalScience，ChineseAcademyofAgriculturalSciences，Beijing100193，China；2.SchoolofElectronicandInformationEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China；3.AnimalScienceandTechnologyCollege，JilinAgriculturalUniversity，Changchun130118，China；4.AnimalHusbandryStationofBeijing，Beijing100107，China)

To monitor the body temperature of cows is important significance to estrus identification，pregnancy diagnosis and other physical activity，as well as to the diseases forecasting and monitoring.Since there is no expeditious means to measure the surface temperature，we used body temperature monitoring device developed by ourselves，to monitor the surface temperature of 5 Simmental cows in continuous 3 days，in the meanwhile we collected the rectal temperature data.For the first time，we revealed the diurnal variation rule of cow body surface temperature in 1 day through statistic analysis.Through the linear and nonlinear regression studies，we obtained the optimal correction formula：Z-1=0.026 7+0.000 256lnX/X-2.047 4×10-8×Y3(Z representing rectal temperature，X representing time point and Y representing surface temperature)，The average difference between the surface temperature after correction and the rectal temperature was 0.001 22 ℃，The biggest difference was not more than 0.3 ℃，which indicated that the surface temperature obtained from our self-development automatic detected devices could reflect the real body temperature of cows.It has great significance to the further research on the relationships between surface temperature and the cow physiology，and surface temperature and diseases.

cow；surface temperature；rectal temperature；correction formula

10.11843/j.issn.0366-6964.2015.12.011

2015-03-30

奶牛产业技术体系北京市创新团队项目；国家自然科学基金(31372296)；中国农业科学院家畜胚胎工程与繁殖创新团队项目(ASTIP;cxgc-ias-06)

蔡 勇(1987-)，男，河南信阳人，硕士，主要从事动物遗传育种与繁殖研究，E-mail：caiyong_2010@126.com;赵福平(1981-)，男，湖南衡阳人，博士，副研究员，E-mail：zhaofuping@caas.cn;陈 新(1985-)，男，广东潮州人，博士，讲师，E-mail：xinchen@bjtu.edu.cn。#为共同第一作者

*通信作者：路永强，研究员，E-mail：luyongqiang@163.com；王 栋，博士，研究员，博士生导师，E-mail：dwangcn2002@vip.sina.com

S823.2

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0366-6964(2015)12-2199-07