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这篇综述聚焦牛健康监测技术，详细探讨了相关生物传感参数，如温度、心率等，分析了智能药丸（smart boluses）、可穿戴设备等监测设备的特点，还讨论了技术应用挑战与机遇，对推动牛健康监测技术发展意义重大。
用于牛健康监测的新兴传感器和仪器系统
随着全球对动物产品需求的不断攀升，牛健康监测对于提升乳业效率和保障产品质量至关重要。这不仅关系到畜牧业的经济效益，还与环境保护等多方面紧密相连。在此背景下，各类用于牛健康监测的技术应运而生。
生物传感
生物传感技术在牛健康监测领域应用广泛，它通过检测和测量牛的各种物理、生理、化学和生化参数，为牛的健康状况提供重要信息。生物传感器就像一个个 “小卫士”，能够将生物信号转化为电信号，方便人们进行分析和解读。
生物计量参数
在众多可监测的参数中，体温、活动和心率是重要指标。正常情况下，牛的体温在 38oC - 39oC 之间，体温的变化可能预示着感染、生殖问题或其他健康状况。例如，发热可能是感染的早期迹象，而与生殖周期相关的体温波动则需结合具体情况判断。测量体温的设备多样，如项圈、耳标和智能药丸等。不过，这些设备各有优劣，外部测量设备易受环境因素影响，而从肠道内测量能更准确反映核心体温，但部分方法存在侵入性问题。
牛的活动水平也是健康的重要体现。通过全球定位系统（GPS）模块、加速度计和陀螺仪等，可对牛的活动进行量化监测。活动量减少可能暗示牛身体不适，结合人工智能（AI）技术，还能进一步预测产犊事件、发情期等，为养殖管理提供有力支持。
心率同样是反映牛健康状况的关键参数。它会因压力等因素发生变化，可用于兽医诊断多种健康问题。目前，测量心率的技术包括心电图、光电容积脉搏波（PPG）等，其中 PPG 技术被应用于耳标，为连续监测心率提供了可能。
化学和生化参数
除了生物计量参数，化学和生化参数也能反映牛的健康状况。例如，血糖水平与牛奶质量和产量密切相关，低血糖可能导致乳糖合成减少，影响牛奶产量，还可能暗示酮症等疾病；高血糖则可能与胰岛素抵抗有关。目前有多种测量血糖的方法和设备，包括血糖仪、可应用于牛的人类血糖监测设备以及正在研发的可穿戴设备，但这些技术在准确性、适用性等方面还存在一定问题。
血氧水平也不容忽视，低血氧可能引发多种呼吸或心血管问题。血氧量计是常用的测量设备，此外，脉搏血氧仪可通过皮肤测量血氧水平，还能同时测量脉搏率，是一种较为实用的监测工具。
酮体是酮症的重要标志物，监测酮体水平有助于早期发现酮症。肠道微生物群在牛的消化、免疫等方面发挥着重要作用，然而目前尚无能够实时监测微生物群落变化的即时检测设备，研究人员主要通过实验室的离线测量技术来研究肠道微生物群。
甲烷是反刍动物消化过程中产生的一种气体，它不仅能反映瘤胃微生物的活动和消化健康状况，还对全球变暖有较大影响。测量甲烷排放的方法多样，包括直接测量、间接测量和遥感技术等，通过这些方法，农民可以采取措施减少甲烷排放，降低畜牧业对环境的影响。
pH 值也是一个重要参数，血液 pH 值异常可能表明酸碱平衡问题，瘤胃 pH 值对评估消化系统健康至关重要。过高或过低的瘤胃 pH 值都可能引发健康问题，如亚急性瘤胃酸中毒（SARA）等。测量瘤胃 pH 值的方法有多种，传统方法存在一些弊端，而瘤胃 pH 传感器药丸的出现为连续监测提供了便利。
乳酸，尤其是 D - 乳酸水平，与 SARA 的检测相关，高乳酸水平还可能与动物应激、感染和酮症等有关。但目前测量乳酸的设备存在成本高、需采集血液样本等问题，限制了其在实际养殖中的广泛应用。
传感设备
用于牛健康监测的传感设备种类繁多，主要由传感器、微控制器单元（MCU）、数据存储组件和无线通信模块等组成。智能药丸（smart boluses）能够深入牛的消化系统，提供实时内部数据，对检测 SARA 等疾病有重要意义，但目前其传感能力有限，通常只能测量温度和 pH 值。
可穿戴设备如耳标、腿带和项圈等，可实时向用户提供数据。耳标能跟踪牛的位置、运动和健康状况，但可能会对动物造成感染、受伤等负面影响；腿带可检测行走模式变化，及时发现跛行等健康问题；项圈能测量温度、跟踪运动，还能提供采食和活动水平等数据。
不同的监测设备在封装材料、尺寸、传感参数、通信频率、电池寿命和重量等方面存在差异。例如，smaXtec Classic 智能药丸电池寿命约为 5 年，而 eBolus 智能药丸电池寿命为 2 年。电池选择对设备性能影响重大，可充电电池在一些设备中得到应用，但也面临着环境适应性等问题。
在通信方面，不同频率在牛健康监测系统中各有应用，如 433MHz、868MHz、2.45GHz 等，但它们也受到环境因素的制约。天线设计是医疗植入设备面临的挑战之一，研究人员开发了多种天线设计来应对这一问题，同时，利用人体电导率进行体内通信的技术也在探索中。
设备的尺寸和材料也很关键。可穿戴设备需要轻巧、紧凑、抗冲击和防水，而智能药丸则可借鉴人类健康设备的尺寸减小技术，但要在尺寸和性能之间找到平衡。此外，材料的生物相容性至关重要，必须符合相关标准，以确保动物安全。
农场集成
一些公司研发的先进监测设备可集成到现代养殖中，如 eCow Limited 的 eBolus、smaXtec 的智能药丸技术和 Moonsyst Industrial Technologies 的 Smart Rumen Bolus 等。这些设备通过实时数据采集和分析，为养殖决策提供支持，但在成本、易用性和农民培训等方面还面临挑战。
讨论与结论
牛健康监测系统的设计需要多学科协作。目前，瘤胃中许多分析物尚未得到充分研究，智能药丸技术虽有潜力，但存在传感能力有限、缺乏实际测试和标准等问题。未来应拓展可监测参数范围，加强传感器集成和设备优化，结合 AI 技术处理数据，同时关注农民需求，推动技术在实际养殖中的应用，为畜牧业发展和环境保护做出贡献。
