国内外奶牛疫病预警监测技术发展现状

王 丰，张 波，周明旭，3，马 芳，卢 宇

（1.江苏省食品质量安全重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，江苏省农业科学院动物免疫工程研究所，国家兽用生物制品工程技术研究中心，江苏南京 210014；2.金陵科技学院智能科学与控制工程学院，江苏南京 211100；3.江苏省动物重要疫病与人兽共患病防控协同创新中心，江苏扬州 225009）

近年来，我国畜牧业发展快速，畜禽生产从规模、种质、饲养管理等各方面均得到了极大提高。然而养殖环境落后、防疫不到位、畜禽及其产品跨区域（国）交易运输等因素导致动物疫病尤其是人兽共患病不断发生，不仅给畜牧业带来了较大经济损失，而且严重威胁食品安全和人类健康。

动物疫病是制约我国养殖业健康发展的最主要障碍之一。针对奶牛养殖，其重大疫病多达30余种，发病情况极其复杂，疫病防控任务艰巨。据估计，我国奶牛业每年因传染病造成的死亡率达3%～5%，直接经济损失达90亿～150亿元，因奶牛乳腺炎等经济性疾病导致产奶量下降和奶制品质量降低造成的间接经济损失达60亿～80亿元[1]。而牛结核病与布鲁氏菌病为代表的“两病”防控形势更为严峻。根据部分公布的流行病学数据显示，北方某地区33个奶牛场990头牛结核病真实个体阳性率为13.99%，群阳性率为51.51%[2]；河南省89个规模奶牛场布鲁氏菌病非免疫场阳性率为18.52%[3]。感染奶牛可能进一步感染牛场工人，以及污染牛奶，严重威胁公共卫生安全。发达国家对暴发重大疫病的牲畜多采取扑杀策略，而我国养殖户与政府均无法承担全部扑杀成本。鉴于我国国情和养殖业的现实状况，建设疫病实时监测预警技术，做到“早发现、早反应、早治疗”，防止疫情扩散，具有极大的现实意义。

科学、有效的疫病预防和控制措施可以大大减少疫病对奶牛业造成的危害，而预警监测是疫病预防和控制的基础。疫病预警监测又是开展诊断、治疗、免疫、净化等一系列兽医工作的前提。预警监测是一种实用兽医技术，它可以对被监视群体健康状况实施长期、持续、实时的监视，以便及时发现异常，进行确诊，进而在最早的时间内采取有效措施，阻止疫情扩散，防止新病例出现。广义上说，疫病预警技术包括国家和地方各级政府职能部门、社会团队以及企业所有针对疫病的预警监测技术。疫病预警监测平台将为牛场提供早期诊断的依据，促进奶牛健康、绿色养殖。疫病监测技术已在国外规模化牧场得到广泛应用。在我国，疫病预警技术作为检测、诊断、治疗、免疫的最前端，已在奶牛疫病防控中逐步得到重视。本文综述了国内外奶牛疫病预警技术应用现状，以期为预警监测技术的本地化发展提供参考。

1 奶牛疫病预警的要求

为实现疫病预警的目的，疫病监测技术必须满足4个基本要求[4]：

（1）能够及时发现被监测群体的健康变化状态及疾病病例，发现异常的疫病流行趋势。敏感的监测技术有利于潜在疫病病例、事件的早期发现。通过早发现，可在疫情发生最初期，启动流行病学调查和实验室分析，同时及早采取有效的干预或控制措施，防止疫情进一步扩散。

（2）可长时间搜集用来评价动物疫病流行“正常”或“异常”的基础疫情信息。这些信息可以用来评估给定时间内被监视群体的疫病流行状况，包括疾病发生频率、季节性分布规律、发生周期和空间分布等。建立准确的基础疫情信息数据库是评价疫情流行模式的关键，也是疫情早发现的前提条件。

（3）可实现实时的、持续的动态监视。许多病原微生物在感染过程中，从易感动物暴露到出现临床症状的时间非常短，而且出现临床症状后导致无法治疗的情况很多。为能进行快速反应，监测系统须对动物健康信息变化进行动态监视。

（4）宏观角度上，监测系统必须具有处理大范围疫情的能力。一些疫情通常会在多个地区同时发生，或迅速大范围扩散，因此监测系统必须具有对这些疫情进行同时处理的能力。为实现这个目的，监测系统通常由一个大的监测网络构成，不同级别的监测系统相互连接，构成覆盖全国的国家监测系统。

2 国内外疫病预警技术发展现状

2.1 兽医巡检预警技术

动物生命指征即临床症状为疫病预警提供了可能性。有效的兽医巡检方式，在当前绝大部分牧场的疫病预警方面，发挥着不可替代的作用。该技术主要依靠兽医的经验来确定奶牛健康状况。牧场兽医每天定时在牧场巡视，系统观察记录奶牛的临床症状，对发现的异常牛只进行重点观察、检测、诊断。该项技术已被荷兰牧场高级顾问专家Jan Hulsen博士系统整理成《奶牛信号学》系列丛书和配套的培训课程，在全世界30多个国家出版和教授，2017年在我国翻译出版。

2.2 奶样体细胞数测定技术

乳腺炎是对奶牛业影响最大的疾病之一。全球2亿头奶牛中，约1/3患过隐性乳腺炎，每年造成300亿美元的损失，其中我国每年的经济损失在100亿以上[5-6]。牧场总奶样体细胞数（somatic cell count，SCC）高于50万/mL时，预示50%～60%的奶牛患有隐性乳腺炎[7]，达到150万～200万个/mL时，预示乳腺大肠杆菌感染到达高峰值，180万～220万个/mL时，预示金黄色葡萄球菌感染出现高峰值[8]。研究表明[9-10]，根据SCC＞50万个/mL判断发生隐性乳腺炎的准确度（误差小）高于根据SCC≤50万个/mL判断无隐性乳腺炎的准确度（误差大）。因此，国内牛场主要根据SCC来预警奶牛隐性乳腺炎，多数选择丹麦Foss公司的FossomaticTMFC体细胞检测仪，也有的选择美国Bentley、荷兰Delta Instruments、中国牛博士、韩国DBT等公司生产的体细胞检测仪。该方法方便快捷，但对阳性奶样，还需要额外进行细菌培养和检测才能进一步确诊[11]。

2.3 奶牛群体改良测定技术

除了乳腺炎，酮病也是围产期奶牛最主要的疾病之一。由于其与围产期其他疾病有紧密的联系，因此初产奶牛酮病的发病率对于评估牛群围产期日粮水平以及提前干预可能发展为其他疾病的酮病牛是很重要的[12]。奶牛群体改良（dairy herd improvement，DHI），也称奶牛生产性能测定体系，不仅可以有效改善牛场的饲养管理状况，还可以预警奶牛乳腺炎及酮病的发生[13]。DHI在以色列、加拿大等奶业发达国家的应用已经很成熟。我国从1993年开始引入DHI测定，1999年中国奶业协会成立全国DHI工作委员会，以促进这一新技术在我国的推广应用。随着我国奶牛养殖业的发展和政府的大力推广，DHI测定近几年在国内迅猛发展。乳脂率和脂蛋比都是DHI测定中最主要的指标之一。乳脂率超过4.5%，脂蛋比大于1.4，表明奶牛体脂动员较多，牛群发生酮病的风险较高[14]，同时还有发生瘤胃酸中毒的风险[15]。

2.4 奶牛计步器及发情、反刍项圈预警技术

1979年以色列Afimilk公司在全球率先研制出奶牛计步器，通过给奶牛佩戴计步器，记录下奶牛每天行走的步数[16]。当奶牛处在发情期时，每天行走的步数将达到正常情况下的数倍；而在非发情阶段，若行走步数明显高于或者低于健康牛群的步数，预示奶牛可能患有某些疫病，如狂犬病等。瑞典Delaval、法国Allflex等公司随后也陆续推出类似产品。

2006年以色列SCR Engineers公司推出SCR监测项圈。该技术同时具备发情监测与反刍监测功能[17]。反刍次数下降，预示奶牛健康状况不良。结合运动传感器采集的工作频率，项圈可以更好地提醒兽医关注异常牛只，起到发病预警的作用。

近年来，国内奶牛计步器、项圈生产企业发展迅速，大量国产计步器涌入市场，拉低了进口产品的市场售价，客观上摊薄了国外产品盈利空间。但该类产品并没有相关技术的突破和创新，仍然仅适用于牛群的发情与反刍监测。

2.5 动物疫病防控大数据挖掘技术

每种疫病流行都有其时间与空间的规律性。通过长期持续地对某种疫病进行流行病学调查，可以掌握疫病流行的时间与空间规模，为疫病预警提供理论依据。

动物疫病防控大数据挖掘技术，包括数据采集、数据集成存储和数据挖掘分析，以提供动物疫病暴发预警信息。根据传染病的发生和发展规律，利用各种模型或算法，对传染病的发生和发展作出预测，进而对传染病的流行趋势及影响范围进行预警，是疫病预防控制中的一项重要工作。谷歌公司“网络爬虫”以及其他“软件密探”，运用搜索词条和统计建模相结合的方法，在流感暴发1 d后就形成了疫情报告，具有显著的时间优势。与此同时，谷歌的监测和预测分析还曾成功预测了美国H1N1和几内亚等地埃博拉的流行情况。基于网络的监测系统可以更快地锁定流行区域的发病热点，使预测结果具有更好的时效性[18]。我国对进境动物实行严格的疫病检测与监测，现已将相关互联网技术运用其中，为检验检疫管理、疫病预警、风险评估等提供快速、科学手段。

郑家三等[19]从软件工程的角度设计和研发，开发了奶牛主要群发性生产疾病的预警系统，用于对奶牛酮病、钙磷代谢障碍等主要群发性疾病的早期预警。用户可以在系统的帮助下，通过输入某一个疾病的预警指标数值，再通过系统对这些数据进行匹配及处理，经过一系列规则的运算，最终得出牛群发病概率。该类系统经过验证具有科学性强、可信度大、准确率高等优点，可以更好地为奶牛场开展群发性疾病早期预防提供技术支撑，为奶牛业的健康发展提供有利的医疗技术保障。

2.6 智能化体温连续远程监测及预警技术

体温是疫病监测预警的重要指标之一。口蹄疫、布鲁氏菌病、病毒性腹泻等重大传染病，均有明显的发热症状。此外，产乳热、产褥败血症、产褥脓血症等产科病也有明显发热特征。2014年我国军方研发的体温远程监测及预警系统在埃博拉病诊疗方面起到了很好的帮助作用，并成功应用于塞拉利昂援助行动中[20]。2016年国外第一款奶牛智能耳标“酷经理”进入我国市场。“酷经理”具备发情监测、反刍监测、耳廓温度监测等功能，可以通过监测奶牛因病导致的耳廓温度变化，预警动物健康状况。

南京稻盛弘网络科技有限公司2012年发明了视频与射频双频融合以及视频、射频、音频三频融合监测技术，同时研发出基于自组网的智能化体温连续远程监测及预警平台，将无线测温与互联网、云计算技术结合，实现了温度检测与分析的远程操作，大大提高了检测的便捷性，成为规模养殖和疫病预警平台的技术基础[21-22]。基于高精度与连续监测的特点，该产品已经被中国农业科学院哈尔滨兽医研究所马流感、马传贫国家参考实验室（OIE马病实验室），中国农业科学院兰州兽医研究所、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所、中国农业科学院特产研究所、上海畜牧兽医研究所、加拿大圭尔夫大学、中国兽医药品监察所等采用，并已开始在伊利、牧原、天邦、赛科星等养殖企业试用。2014—2017年，稻盛弘瘤胃体温监测器、母畜阴道体温监测器、尾静脉体温监测器、高精度耳部无线体温发射器（HMT）等陆续研发成功，并在美国堪萨斯州立大学中美兽医中心跨洋使用，表明平台不受时间与空间限制，可进行大规模动物疫病预警。

2.7 基于AI和群体热成像的奶牛行为分析技术

即通过可见光与红外成像设备，监视记录对象的行为与温度特征，通过现场视频数据与计算机经验值比对，筛查行为异常与温度异常对象，锁定病畜。东南大学移动通信国家重点实验室及中国科学院半导体研究所都研究了非接触式红外测温系统，采用图像识别及机器学习算法（SVM），并结合射频识别（RFID）技术，确定每个待测目标的身分。在以上基础上，采集红外热像仪测温数据，实现了集测温、目标识别及身份识别为一体的测温系统。

该系统包括红外热像仪、自然光摄像头、可转动的云台以及数据处理和控制系统。对于养殖场动物的体温测量，还需要利用RFID技术，以便记录每个个体的体温状况。利用温度校准模块进行温度标定校准。以测试养殖场的动物为例，系统的工作流程如下：首先在养殖场的上方安置云台，确保能够全面覆盖整个区域。云台上安装红外热像仪和分辨率较高的自然光摄像头，作为辅助识别工具。RFID射频标签能够作为动物身份的识别标志，在测温的同时，一旦发现个体体温异常，便可记录下动物的身分信息。由于红外热像仪在使用过程中，会发生温度漂移，因此隔一段时间后，要对红外热像仪进行校准，以保证温度的准确性。最后是数据处理和控制系统，包括云台控制、温度区域检测、图像识别、拍摄录像等功能。

目前国外相关技术主要基于商业化热成像，成本高、精度有限。将非制冷（小型化）红外成像技术应用于动物发热型疾病探测，尚有一系列科学问题需要解决[23-24]。多种热红外图像特征的提取和强化方法，如基于个体绝对温度、温差、时序温度变化等，为准确预警奠定了基础。

2.8 生物气溶胶激光光谱测量技术

病原微生物检测的常规方法是分离培养、PCR、ELISA和基因组测序等。这些方法的样品前处理复杂，耗时较长，不利于现场和实时在线检测。光谱技术是针对微生物分子组成、含量和构成的不同，找出对生物分子敏感的光谱技术，结合主成分分析、分级聚类或人工神经网络等化学计量学方法，寻找不同微生物间的差别与规律，以实现微生物的快速检测与鉴定[25]。光谱技术因具有快速准确、安全高效、非破坏性和便于在线侦检等特点，成为一种新型无创检测技术，在病原微生物检测、疫病诊断等领域得到重视。

病原微生物在大气中漂浮的载体是生物气溶胶。气溶胶使得许多病原微生物可以在空气中存活并通过空气在牧场中传播，对奶牛健康构成威胁[26]。通过生物气溶胶的激光光谱识别和荧光雷达探测，测得病原微生物种类和浓度[27]，可以达到预警疫病的目的。该技术在军方的应用中定位为“生物战剂”的侦察报警技术，目前主要集中在现场快速检测与远距离遥测生物气溶胶领域。北京汇丰隆公司研发的该项技术在国内领先，并达到国外同类产品的水平，已经装备在辽宁舰上。

3 展望

近年来，疫病预警技术在我国已经得到迅速发展，但与西方发达国家相比仍具有一定差距，相应的预警技术在不同的环境中也具有一定的局限性。虽然我国的驻场兽医临床水平普遍较高，但受限于人员流动的不确定性，国内牛场新发疾病多且复杂，常规的兽医巡检模式已不能满足大规模养殖牛场对于疾病迅速、高效预警的现实需求。SCC测定已经在我国奶牛场全面推广应用。该方法可以初步诊断隐性乳腺炎，对保障奶牛场正常生产具有重要意义。全国多地正在鼓励建设奶牛DHI检测中心。该测定技术以监测生产性能为主，可以显著改善牛场的饲养管理水平，及时评估生产性能，同时预警奶牛乳腺炎及酮病。计步器和发情、反刍项圈对奶牛场监测发情、反刍效率高，可同时满足对产后瘫痪、肢蹄病、反刍异常以及重症奶牛的预警监测。然而，以上三类技术只能完成对乳腺炎、营养性疾病和重症奶牛（步数明显减少）的预警任务，不适用于其他病原性疫病的早期发现，对于牧场重大疫病预警的应用有限。

针对现代规模化奶牛养殖，基于大数据、物联网的新兴技术手段完成对奶牛重大疫病的预警诊断是未来突破和发展的方向，但现有的相关应用技术仍有不足，如：美国谷歌公司依靠兽医在各种搜索引擎上产生信息进行大数据挖掘，虽然形成相应的疫病数据库，但离不开兽医的人工查询，预警效率受限；稻盛弘公司基于体温实时测定的智能化预警平台可以完成对多种疫病的报警，但无法完全替代临床诊断来应对复杂的发病情况，不能监测环境中的病原微生物[22]；中国科学院半导体研究所及东南大学移动通信国家重点实验室基于AI和群体热成像的奶牛行为分析技术与国外技术水平相当，但对发病初期无异常体温或行为的牛只无效；北京汇丰隆公司生物气溶胶激光光谱测量技术预警效率极高，但目前主要被军方用于人类重大疫病，针对牧场复杂环境的病原监测有待优化和成熟[27]。尽管如此，也可以看到国内在疫病预警技术研发上的努力，部分技术已经达到甚至领先国际水平。期待该类预警技术可以进一步相互结合、取长补短，充分利用大数据、物联网的技术特征，完善重大疫病的预警诊断机制，满足我国奶牛生产的实际需要，推动我国奶牛业的健康、稳定发展。