СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРНИКОВОГО ГАЗА, В ЧАСТНОСТИ, МЕТАНА, ВЫДЕЛЯЕМОГО ЖВАЧНЫМ ЖИВОТНЫМ, В ЧАСТНОСТИ, МОЛОЧНЫМ ЖИВОТНЫМ Российский патент 2015 года по МПК A01K29/00 A61B5/08 

Предлагаемое изобретение относится к способу и устройству для определения парникового газа, в частности метана, выделяемого жвачным животным, в частности молочным животным.

Парниковые газы имеют значение для изменения климата. Животноводство вносит существенный вклад в выделение парниковых газов, таких как диоксид углерода и, в частности, метан. Потенциал глобального потепления метана в 20-25 раз больше, чем потенциал глобального потепления диоксида углерода. Наибольшая часть данного выделения вызывается отрыжками. По оценкам средняя корова выделяет от 500 до 600 литров метана в день через отрыгивание и выдыхание. Метан производится жвачными животными в качестве побочного продукта ферментации органической массы в кишечнике. Он составляет значительную потерю энергии для животного, оцениваемую как 2-12% от потребления валовой энергии.

Необходимо найти простой путь для определения или по меньшей мере оценки выделения парникового газа, в частности метана, животными.

Способ и система для измерения выделяемого парникового газа известны из US 5265618. В данном случае животное проглатывает трубку с индикаторным газом (SF₆), при этом из данной трубки просачивается индикаторный газ. Кроме того, в ротовую полость животного вставляют систему отбора проб, при этом с помощью трубки для отбора проб берут пробы дыхания. Выделение парникового газа может быть определено посредством анализа проб дыхания, в котором определяют соотношения парникового газа и индикаторного газа по отношению к внешнему воздуху.

Недостаток известного способа и системы состоит в том, что он является очень сложным за счет того, что животное должно проглотить трубку с индикаторным газом, а затем проводят газовый анализ, используя оборудование для газового анализа. Это делает известный способ менее приемлемым для применения в случае целого стада животных. Кроме того, потенциал глобального потепления индикаторного газа (SF₆) опять же в тысячу раз больше, чем потенциал глобального потепления метана.

Цель предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы предоставить очень простой способ и систему для определения выделения парникового газа, который является приемлемым для применения в случае больших количеств животных.

Изобретение достигает данной цели с помощью способа согласно пункту 1 формулы изобретения и с помощью устройства согласно пункту 8 формулы изобретения. Применение в данном случае осуществлено, с одной стороны, за счет понимания, что отрыжка, или отрыгивание является легкораспознаваемым, а, с другой стороны, за счет открытия, что процентное содержание метана в отрыжке является относительно постоянным, составляя приблизительно 25-35%. Тогда в первую очередь достаточно подсчитать отрыжки для того, чтобы обеспечить возможность определения выделения жвачного животного. При первоначальной оценке количество отрыжек на жвачное животное будет приблизительно постоянным. В данном случае предполагается, что с нарастанием количества газа в кишечнике форма и другие характеристики жвачного животного, в частности кишечник, пищевод и тому подобное, определяют давление, при котором газ может выходить. Тогда связанное количество также будет приблизительно постоянным, хотя оно может варьировать от животного к животному.

В частности, для каждого жвачного животного также выполняют ряд калибровочных измерений, например, связанных с общим количеством газа и средним содержанием метана. Например, может быть откалибровано давление в кишечнике, при котором газы будут выходить через отрыжку. В данном случае также может быть использована методика, которая уже описана в "Dietary influences on eructation and related phenomena in cattle", J Dairy Sci 1958 41:1565-1579. В данном случае также сделана ссылка на исследование, проведенное KU Leuven (Catholic University of Leuven), например http://www.adinstruments.com/news/230909/ Ruminate-On-This-Vet-Students-Learn-About-Cow-Digestive-Physiology-with-PowerLab/corporate/, где исследовано расположение датчиков давления или по меньшей мере измерительных приборов мышечной активности в желудке. Если оно показывает, что давление в случае каждой отрыжки является в действительности постоянным, или варьируется в пределах определенного диапазона, измерение с простым подсчетом становится более достоверным, допуская более хорошее сравнение с измерениями выделений для других животных.

При условии, что действие метана, обусловленное продуктом газосодержания и потенциалом глобального потепления, больше, чем в случае других вдыхаемых и выдыхаемых газов, ниже в принципе будет обсуждаться только метан, хотя изобретение также в принципе применимо для других парниковых газов.

Значительное преимущество изобретения состоит в том, что оно очень простое и, в частности, не влечет за собой глотание деталей. Говоря очень простым языком, изобретение влечет за собой автоматизацию подсчета отрыжек. С этой целью необходимо выполнить этап идентификации и этап подсчета.

В частности, для получения общей продолжительности времени способ включает определение продолжительности каждой отрыжки и суммирование продолжительности времени, определенного для каждой отрыжки. Тогда общее выделение парникового газа может быть определено более точно на основании измеренных продолжительностей времени посредством сравнения со средним выделением на продолжительность времени. В данном случае также калибровка для жвачного животного может также обеспечивать более точные, специфичные для животного значения.

Количество отрыжек предпочтительно подсчитывают за предварительно заданный период времени. Другими словами, определяют частоту отрыжек, при этом из частоты отрыжек определяют выделение за тот же самый период времени.

В способе согласно изобретению, в принципе достаточно определить относительное значение посредством подсчета отрыжек или их временной продолжительности. В конце концов, если изменения выделения происходят вследствие изменения в снабжении кормом, в состоянии здоровья животного и т.д., это будет видно по количеству или продолжительности времени. Тем не менее, может быть предпочтительно получить по меньшей мере оценку полного выделения. Для этого способ преимущественно включает умножение числа отрыжек на значение выделения, являющееся показателем количества парникового газа на отрыжку.

Опять-таки калибровочное измерение может повышать точность. Для этого способ может, например, включать корректировку определенного выделения путем умножения на поправочный коэффициент, выбираемый из специфичного для животного корректирующего значения, справочного корректирующего значения или зависимого от парникового газа поправочного коэффициента. Таким образом, можно принять в расчет специфичное для животного значение, например, если жвачное животное (всегда) вырабатывает относительно большое количество метана при дыхании, или справочное корректирующее значение, например, если состав дыхания изменяется с возрастом или в течение сезона, или если в дополнение к метану определяют специфичный тип парникового газа, такого как, например, диоксид углерода.

В способе согласно изобретению измеряют сигнал, связанный с отрыжками жвачного животного, и из сигнала определяют количество и/или продолжительность времени отрыжек. Это может быть сделано множеством путей. Сигнал преимущественно включает звуковой сигнал, измеренный в месте, где возможно измерение отрыжек жвачного животного. В частности, сигнал включает звуковой сигнал из ротовой полости или горла жвачного животного. В данном случае применение основано на понимании, что отрыжку, или "отрыгивание", легко идентифицировать и характеризовать аудиально, в показателях высоты, локализаций форманты и/или тембра и т.д. Сигнал, например, может быть получен с микрофона, такого как контактный микрофон, прилаженный к шее или горлу жвачного животного, или с микрофона направленного действия, направленного в сторону ротовой полости жвачного животного.

Сигнал может также включать сигнал давления газов в кишечнике животного, при этом отрыжку считают, если упомянутое выше давление падает за предварительно заданное время по меньшей мере до предварительно заданной величины. При условии, что с отрыжками выходят газы кишечника, давление будет существенно снижаться за короткое время. В данном случае с помощью калибровочного измерения или тому подобного, в свою очередь, возможно определить пределы для определения сигнала как отрыжку, например: если разница давления между кишечником и атмосферой уменьшается за 3 секунды по меньшей мере на 20%. Данные пределы конечно зависят от животного, зависят от корма и т.д.

Способ преимущественно включает фильтрацию сигнала для того, чтобы повысить качество сигнала. В данном случае фильтрация помогает, например, получить более хорошее соотношение сигнал-шум или по меньшей мере уменьшить количество ложноположительных и/или ложноотрицательных сигналов. В частности, фильтрация включает регистрацию одновременного оптического изображения жвачного животного и обработку с помощью обработки изображений, определяя посредством этого, согласуется ли зарегистрированное и обработанное оптическое изображение с отрыжкой, и/или акустическую фильтрацию, при которой анализ спектра частот звука должен соответствовать предварительно заданным, в частности специфичным для животного, требованиям, при этом требования более конкретно касаются пиковых частот, соотношений между пиковыми частотами, уровня звука и/или изменений уровня звука с течением времени, и/или исключением измеренных сигналов, которые продолжаются в течение более короткого времени, чем минимальная продолжительность времени.

В данном случае регистрация оптического изображения камерой может служить для оценки того, связан ли звуковой сигнал с реальной отрыжкой. Во всяком случае звуковой сигнал более или менее сильно зависит от того, открыта или закрыта ротовая полость. Если ротовая полость открыта, звуковой сигнал будет во всяком случае иметь более повышенные частоты, чем если ротовая полость закрыта. Если требуется и преимущественно в свою очередь может быть проведено одно или более калиброванных измерений для ситуации с закрытой ротовой полостью и для ситуации с открытой ротовой полостью, при этом различие может быть сделано даже между полностью открытой ротовой полостью и наполовину открытой ротовой полостью. Это может быть установлено более достоверно с помощью распознавания изображений путем обработки оптического изображения. Множество ложноположительных сигналов может быть отфильтровано с помощью проверки данного типа.

Достоверность также может быть улучшена с помощью акустической фильтрации посредством анализа звукового сигнала на основании специфических для животного требований, в частности типичного звука голоса или звука отрыжки данного животного. В данном случае можно использовать имеющиеся пиковые частоты, т.е. частоты с самым высоким уровнем звука, и/или соотношения между уровнями звука на конкретных частотах. Данный последний аспект может быть сравним с тембром. Как пиковые частоты, так и тембр по меньшей мере частично определяются формой глотки точно так же, как с голосом человека. Затем анализ звука также может сделать более четким различие между отрыжками и другими звуками, такими как обычное мычание или окружающие звуки.

В частности, фильтрации включают измерение давления газов в кишечнике животного и выбор только тех сигналов, при которых упомянутое выше давление падает более или менее одновременно. Падение данного давления во всяком случае показывает реальную отрыжку. Измерение давления, например, может быть проведено посредством проглоченного датчика и может быть идентичным способу, который может быть применен в случае калибровочных измерений для давления кишечника, как уже описано выше. Можно было бы сказать, что с помощью данной фильтрации один сигнал, акустический, фильтруется другим сигналом, сигналом давления.

Изобретение также относится к устройству детектирования для определения парникового газа, в частности метана, выделяемого жвачным животным, в частности молочным животным, содержащему датчик, выполненный с возможностью измерения сигнала, связанного с отрыжками жвачного животного, и устройство управления, выполненное с возможностью определения из сигнала количества и/или продолжительности времени отрыжек и в частности выполненное с возможностью осуществления способа согласно изобретению. Данное устройство таким образом содержит датчик для приема сигнала, из которого можно определить отрыжки, а также устройство управления, которое выполнено с возможностью фактического осуществления этого, а затем определения количества и/или продолжительности времени отрыжек. Как уже упоминалось ранее, относительные измерения данного типа удовлетворяют множеству целей, таких как изменения в течение времени, или для того, чтобы отслеживать реакции на окружающие условия, такие как изменения питания или погоды.

В частности, устройство детектирования выполнено в виде обруча. Таким образом, специфичный для животного мониторинг можно просто и достоверно проводить in situ, или в смежной области, где отрыжки наиболее легко обнаруживаются.

В вариантах осуществления устройства детектирования датчик содержит микрофон, в частности контактный микрофон. Микрофон данного типа применим преимущественно в качестве датчика для приема сигнала отрыжки, хотя также может быть применим, например, датчик, который измеряет выделение газа, в частности, если газ имеет состав, который отличается от нормального дыхания. Необходимо заметить, что контактный микрофон является менее чувствительным к изменениям звука, чем микрофон, который в первую очередь измеряет звук из ротовой полости.

В вариантах осуществления устройства детектирования узел включает направляемый микрофон направленного действия. В данном случае, микрофон направленного действия может, например, быть установлен в месте, где животные фактически обязательно проводят некоторое время, например, в доильном станке в случае молочных животных или на откормочной площадке. Затем за животным можно наблюдать некоторое время, при этом микрофон направленного действия также может быть направлен в сторону ротовой полости животного. Хотя животных нельзя или во всяком случае не легко отслеживать в течение длительного периода, большое преимущество состоит в том, что требуется только один микрофон и что нет необходимости прилаживать его к животному.

В частности, устройство детектирования содержит устройство фильтрации сигнала, активно соединенное с датчиком, и устройство управления, активно соединенное с устройством фильтрации сигнала. В данном случае, устройство фильтрации сигнала служит для фильтрации сигнала, в частности для сигнала ложноположительных и/или ложноотрицательных сигналов. Таким образом, сигнал после фильтрации затем может быть направлен дальше в устройство управления. Устройство управления и устройство фильтрации сигнала, конечно, также могут формировать единый блок.

Устройство фильтрации сигнала преимущественно содержит устройство анализа частоты для того, чтобы проводить анализ частоты звукового сигнала. Здесь также применимы такие же преимущества, как в случае соответствующего способа согласно изобретению. В частности, из нескольких калибровочных измерений для отрыжки изучаемого животного можно определить типовые частоты или соотношения частот. Их затем программируют в устройство для того, чтобы измерения можно было проводить более достоверно.

Изобретение будет описано ниже на основании ряда неограничивающих иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:

- фигура 1 показывает график состава газа кишечника, а

- фигура 2 показывает вариант осуществления устройства детектирования согласно изобретению.

График на фигуре 1 показывает состав газа кишечника в виде функции времени для дойной коровы с рационом из люцерны, сена и зерна. Можно видеть, что содержание метана варьирует очень незначительно и постоянно составляет приблизительно 35 ± 5%. Данная стабильность состава, которая затем также применима к составу отрыгиваемого газа, составляет основную суть изобретения. Необходимо заметить, что содержание может, конечно, зависеть от рациона, вида животного или породы животного и т.д. Также может быть ясно видно, что содержание диоксида углерода варьируется столь существенно с течением времени, что невозможно достоверное общее измерение из простого подсчета. Тем не менее, подсчет отрыжек всегда будет в состоянии обеспечить указание изменившихся обстоятельств.

Фигура 2 схематично показывает устройство согласно изобретению. В данном случае корова 1 имеет кишечник 2 с газами 3 кишечника, которые выделяются через пищевод 4 и ротовую полость 5 в направлении стрелок. Устройство 6 измерения и управления с микрофоном 7 подвешено вокруг коровы с помощью ошейника 8 и вспомогательного обруча 9.

Газы 3 кишечника являются побочным продуктом переваривания вследствие ферментации органической массы в кишечнике 2. Если давление газа в кишечнике становится все выше и выше, в заданное время достигается предел, при котором будет происходить отрыжка (отрыгивание), причем некоторое количество газа кишечника выходит через пищевод 4 и ротовую полость 5. Отрыжка сопровождается измеряемым звуковым сигналом. Для измерения данного сигнала микрофон 7 помещают близко к ротовой полости 5, с использованием вспомогательного обруча 9 для позиции копирования.

Данный микрофон 7 в принципе будет собирать все звуки, которые слышны рядом с ротовой полостью 5. Данные звуки включают все отрыжки, но также звуки кормления и пережевывания жвачки, а также звуки окружающей среды. В устройстве управления предусмотрено устройство фильтрации сигнала (отдельно не показано) для фильтрации отрыжки из общего сигнала. Отфильтрованный или не отфильтрованный сигнал подается в устройство 6 управления, которое подсчитывает отрыжки, для того чтобы определить на их основе выделение метана. Если требуется, устройство 6 управления может также определять продолжительность каждой отрыжки, обеспечивая посредством этого более точное общее измерение. Еще большая точность может быть достигнута с одновременной регистрацией оптического изображения, при этом отрыжка должна сопровождаться открытой ротовой полостью.

Необходимо отметить, что обручи со встроенным микрофоном уже коммерчески доступны. Данные контактные микрофоны, прилаженные к шее/горлу молочного животного, могут регистрировать звук и определяют из него активность пережевывания жвачки. Система данного типа, например, имеется на рынке под названием Lely Qwes HR. За счет программирования программного обеспечения по обработке звуков на основании калибровочных измерений и возможно фильтрации данное устройство может служить в качестве устройства согласно представленному изобретению.

Группа изобретений относится к животноводству. Способ включает измерение сигнала, связанного с отрыжками жвачного животного, и определение из сигнала количества и/или продолжительности времени отрыжек. Устройство содержит датчик, выполненный с возможностью измерения сигнала, связанного с отрыжками жвачного животного, и устройство управления, выполненное с возможностью определения из сигнала количества и/или продолжительности времени отрыжек и, в частности, выполненное с возможностью осуществления способа. Обеспечивается простой способ и система для определения выделения парникового газа, который является приемлемым для применения в случае больших количеств животных. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения парникового газа, в частности метана, выделяемого жвачным животным, в частности молочным животным (1), включающий:
- измерение сигнала, связанного с отрыжками жвачного животного; и
определение из сигнала количества и/или продолжительности времени отрыжек.

2. Способ по п.1, включающий определение продолжительности каждой отрыжки и суммирование продолжительностей времени, определенных для каждой отрыжки, для получения общей продолжительности времени.

3. Способ по п.1, включающий умножение количества отрыжек на значение выделения, являющееся показателем количества парникового газа на отрыжку.

4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, включающий корректировку определенного выделения посредством умножения на поправочный коэффициент, выбираемый из специфичного для животного корректирующего значения, справочного корректирующего значения или зависимого от парникового газа поправочного коэффициента.

5. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, в котором сигнал включает звуковой сигнал, измеренный в точке, где возможно измерение отрыжек жвачного животного, в частности звуковой сигнал из ротовой полости (5) или горла жвачного животного (1).

6. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, в котором сигнал включает сигнал давления газов в кишечнике животного, при этом отрыжку считают, если упомянутое выше давление падает за предварительно заданное время по меньшей мере до предварительно заданной величины.

7. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, включающий фильтрацию сигнала для повышения качества сигнала, при этом фильтрация, в частности, включает:
- регистрацию одновременного оптического изображения жвачного животного и его обработку с помощью обработки изображений, устанавливая посредством этого, согласуется ли с отрыжкой зарегистрированное и обработанное оптическое изображение; и/или
- акустическую фильтрацию, при этом анализ спектра частот звука должен соответствовать предварительно заданным, в частности, специфичным для животного требованиям, при этом требования более конкретно касаются пиковых частот, соотношений между пиковыми частотами, уровня звука и/или изменений уровня звука с течением времени; и/или
- исключение измеренных сигналов, которые продолжаются в течение более короткого времени, чем минимальная продолжительность времени; и/или
- измерение давления газов в кишечнике животного и выбор только тех сигналов, при которых упомянутое выше давление падает более или менее одновременно.

8. Устройство детектирования для определения парникового газа, в частности метана, выделяемого жвачным животным, в частности молочным животным (1), содержащее:
- датчик (7), выполненный с возможностью измерения сигнала, связанного с отрыжками жвачного животного, и
- устройство (6) управления, выполненное с возможностью определения из сигнала количества и/или продолжительности времени отрыжек и, в частности, выполненное с возможностью осуществления способа по одному из предшествующих пунктов.

9. Устройство детектирования по п.8, выполненное в виде обруча (8, 9).

10. Устройство детектирования по п.8 или 9, в котором датчик содержит микрофон (7), в частности, контактный микрофон.

11. Устройство детектирования по п.8, в котором датчик содержит направляемый микрофон направленного действия.

12. Устройство детектирования по п.8, содержащее датчик давления в кишечнике.

13. Устройство детектирования по п.8, содержащее устройство фильтрации сигнала, активно соединенное с датчиком (7), и устройство (6) управления, активно соединенное с устройством фильтрации сигнала.

14. Устройство детектирования по п.13, в котором устройство фильтрации сигнала содержит устройство анализа частоты.