基于过渡乳FTIR光谱的荷斯坦奶牛子宫炎和乳腺炎早期预测与分类：多模型策略比较研究

本研究针对奶牛产后高发的子宫炎和乳腺炎早期预测难题，创新性地利用产后7天内的过渡乳FTIR光谱数据，采用 pooled、multiblock 和 single-day 三种PLS-DA建模策略进行疾病预测。结果表明：子宫炎的预测性能显著优于乳腺炎（AUROC达79.4%），且光谱数据在样本量充足时（≥40%）能显著提升预测效能，为奶牛产后疾病早期预警提供了非侵入性解决方案。

　　

在现代化奶牛养殖业中，子宫炎（metritis）和乳腺炎（mastitis）是困扰奶牛产后健康的两大常见疾病，临床发病率高达20%。这些疾病不仅导致产奶量下降、乳品质劣化，还会引发繁殖障碍和淘汰率上升，据估算每例子宫炎和乳腺炎分别造成513美元和444美元的经济损失。传统诊断方法依赖代谢血标检测（如非酯化脂肪酸、BHB和触珠蛋白）或物理检查，成本高且难以适用于大规模牛群。近年来，虽然涌现出基于传感器监测产奶量、反刍和行为活动的自动化系统，但对轻度至中度疾病的早期识别灵敏度有限，亟需开发更精准、非侵入性的预测手段。

牛奶傅里叶变换红外（Fourier-transform infrared, FTIR）光谱技术作为一种高通量、低成本的分析方法，已被广泛应用于乳成分（脂肪、蛋白质、尿素、乳糖）及脂肪酸、蛋白质组分和矿物质含量的定量分析。近年研究表明，FTIR光谱还能反映奶牛代谢状态的变化，尤其是健康状态对乳汁成分的影响。然而，尚未有研究系统探讨产后14天内利用过渡乳FTIR光谱预测子宫炎和乳腺炎发病的潜力。

在这一背景下，美国康奈尔大学兽医学院的D. Lin和J.A.A. McArt领导的研究团队开展了一项前瞻性观察队列研究，旨在评估产后早期（0–7天）牛奶FTIR光谱在子宫炎和乳腺炎早期识别中的价值，并比较不同建模策略的效能。该研究近期发表在《Journal of Dairy Science》上。

研究人员从纽约州卡尤加县一家商业化奶牛场选取1103头荷斯坦奶牛，追踪至产后14天，最终纳入784头健康牛、57例子宫炎牛和72例乳腺炎牛。所有牛奶样本在产后7天内每日采集，经FTIR光谱仪（Lactoscope CombiScope FT600）测定，光谱范围覆盖4000–990 cm?1，分辨率8 cm?1。通过剔除高噪声区间并保留R1（3000–2800 cm?1）、R2（1800–1700 cm?1）、R3（1585–1000 cm?1）区域，最终获得与脂肪、蛋白质和乳糖吸收相关的光谱数据。研究采用三种PLS-DA（Partial Least Squares Discriminant Analysis, 偏最小二乘判别分析）建模策略：pooled（合并所有天数）、multiblock（分块处理每日数据）和single-day（单日建模），使用留一交叉验证（LOOCV）和置换检验评估模型性能。

研究结果揭示了几项重要发现：

描述性统计显示疾病组与健康组存在显著差异

健康牛的产奶量（23.6±8.3 kg/次）显著高于子宫炎组（14.2±6.5 kg）和乳腺炎组（21.4±8.4 kg），而体细胞计数（SCC）在疾病组中显著升高。从产后第3天起，子宫炎牛产奶量低于乳腺炎牛，但两组间SCC无显著差异。

子宫炎牛过渡乳光谱呈现脂肪吸收升高、蛋白与乳糖吸收降低的模式

通过层次聚类和主成分分析（PCA），研究发现子宫炎样本在脂肪相关波段（2923、2854、1747和1157 cm?1）吸收显著增强，而蛋白质（1540 cm?1）和乳糖（1040 cm?1）吸收峰值低于健康组。这一变化趋势与能量负平衡导致的乳脂率升高、蛋白与乳糖下降的生理状态相符，提示子宫炎发展可能与能量代谢紊乱密切相关。

子宫炎预测性能显著优于乳腺炎，且依赖样本量大小

在所有建模策略中，子宫炎预测的AUROC最高达79.4%（pooled策略），而乳腺炎预测仅达60.7%，未达到显著性阈值。研究进一步通过降采样实验发现，仅当样本量保留在40%以上时，加入光谱数据的模型才显著优于仅使用常规特征（产奶量、SCC、胎次、DIM）的模型。这表明FTIR光谱的预测优势高度依赖充足的数据支持。

多策略建模揭示时空异质性

Pooled PLS-DA因融合多天数据而表现最佳，multiblock和single-day策略在样本量有限时性能下降。此外，cow-level特征（如产奶量、SCC）在多数情况下已提供较强预测力，而光谱数据的加入进一步优化了子宫炎的鉴别准确性。

研究人员在讨论中指出，子宫炎相关光谱变化可能与系统性炎症和能量代谢失调有关，而乳腺炎因病原体异质性（革兰阳性与阴性菌）导致光谱信号较弱且难以捕捉。尽管过渡乳（尤其是0 DIM）中存在部分异常光谱（吸收度<0.1），且多见于疾病组，但其是否真正预示疾病仍需进一步验证。

该研究的结论强调，过渡乳FTIR光谱在产后7天内可捕捉到与子宫炎发展相关的特异性变化，为实现奶牛产后疾病早期预警提供了可行路径。然而，这一技术的实际应用仍需扩大样本规模、开展多牛场验证，并结合其他传感器数据（如反刍、活动量）以提高鲁棒性和泛化能力。

总之，这项研究为开发基于乳汁成分的奶牛健康监测系统奠定了重要基础，未来有望通过集成化、实时化的光谱分析手段，提升畜牧业精准管理和动物福利水平。