20140513 fk os v03 - fzmb · 2018. 8. 28. · title: 20140513 fk os v03 author: oschewtschenko...

Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnol ogieForschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnol ogie

Kontinuierliche pHKontinuierliche pH --Messung in vivo im Pansen von Rindern Messung in vivo im Pansen von Rindern zur Optimierung des Futtermitteleinsatzes in der zur Optimierung des Futtermitteleinsatzes in der

MilchviehhaltungMilchviehhaltung

Projekt: ZIM-Kooperationsprojekt

Träger: BMWi, AIF GmbH

Laufzeit: 01.04.2011 – 31.12.2013

Projektpartner: ACI, KSI, BITSz, fzmb


13.05.2014 O. Schewtschenko 2

Teilaufgaben der ProjektpartnerTeilaufgaben der Projektpartner

ACI Entwicklung einer langzeitstabilen Sondenelektronik sowie der telemetrischen Übertragungs- und Auswerteeinheiten

KSI Entwicklung des elektrochemischen Messsystems und Entwurf der Sondenausstattung

BITSz Entwicklung und Bereitstellung der Messtechnik zur Erfassung vonergänzenden physiologischen Parametern zur Bewertung der Aktivität und des Gesundheitszustandes der Tiere

fzmb Durchführung tierexperimenteller Untersuchungen der Sondenerprobung sowie die Entwicklung von Methoden und Algorithmen zur Datenanalyse für die Bewertung des Gesundheitszustandes von Rindern mittels Pansensonde



ErlErl ääuterung der Arbeitspakete fzmbuterung der Arbeitspakete fzmb

AP1 Vorbereitung tierexperimentelle StudienAP2 Vorversuche PansensondeAP3 Vorversuche TierphysiologieAP4 Auswertung VorversucheAP5 Erprobung Sensorik TierphysiologieAP6 Zuordnung zu physiologischen ZuständenAP7 Erprobung Labormuster pH-PansensondeAP8 Auswertung LabormustererprobungAP9 Erprobung Funktionsmuster pH-PansensondeAP10 Algorithmen zur Bewertung des GesundheitszustandesAP11 Abschlussbericht und Nachweis FuE-Zielstellung



Experimentelle Untersuchungen der TierphysiologieExperimentelle Untersuchungen der Tierphysiologie

Messsystem ParameterÜberwachung der Tieraktivitäten

smardwatch® • Hautwiderstand• Hautpotential• Körperoberflächentemperatur• Elektromyogramm (EMG)• Bewegungsmuster

Videoüberwachung • Fressverhalten• Wasseraufnahmeverhalten• Tag- und Nachtaktivitäten

Durchlaufsensor • Wasseraufnahmeverhalten

3D-Magnetortungssystem • Lokalisation der pH-Sonde im Pansen• Erfassung des Bewegungsmusters der pH-Sonde

Überwachung des Tiergesundheitszustandes

pH-Sonde • pH-Wert-Verlauf im Pansen und Netzmagen• Temperaturverlauf im Pansen und Netzmagen

Kausensor (Überwachung der Kau- und Wiederkau-aktivitäten)

• Hautwiderstand• 3D-Beschleunigung• Elektromyogramm• Körperoberflächentemperatur

Überwachung der Umgebungsbedingungen

Wetterstation im Stall • Lufttemperatur• Luftdruck• Luftfeuchtigkeit



– 3D-Beschleunigung � Bewegungsmuster– Elektromyogramm (EMG) � muskuläre Reaktion– Hautwiderstand � vegetativ-emotionale Reaktion– Hautpotential � vegetativ-nervale Reaktion– Hauttemperatur � Temperaturregulation

smardwatch® am Hals smardwatch® am Bein

Sensorische Sensorische ÜÜberwachung mittels smardwatchberwachung mittels smardwatch ®® (BITSz)(BITSz)



Ergebnisse der Messungen mittels smardwatchErgebnisse der Messungen mittels smardwatch ®®



Sensorische Untersuchung des KauSensorische Untersuchung des Kau -- und und WiederkauverhaltensWiederkauverhaltens

– Kausensor (BITSz)

– Videoüberwachung im Stall (BITSz)



Wiederkauzyklen:10-11 in 10 Min.

Anzahl der Kiefer-schläge pro Bissen:55 - 60




Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnol ogie

MagnetfeldortungMagnetfeldortung

• Motivation– Detektion und Aufzeichnung der Bewegungscharakteristik des

Pansenbolus im ventralen Pansensack

• Messprinzip– Messverfahren beruht auf Auswertung des quasistatischen

Magnetfeldes, welches sich um die magnetische Kapsel ausbildet (Pansenbolus mit Magnet)

– Ermittlung der Position und Ausrichtung der magnetischen Kapsel erfolgt durch die Lösung des inversen Feldproblems:

• Die Minimierung der Differenz der aus der Simulation der Kapsellage resultierenden Feldverteilung mit der real gemessenen Magnetfeldverteilung durch Veränderung der Kapsellage liefert die dreidimensionale Position und die Ausrichtung der Kapsel




MagnetfeldortungMagnetfeldortung

• Hardware– Aluminiumgestell– Messgerät besteht aus 9 Modulen

mit je drei AMR-Sensoren (Anisotrop-Magneto-Resistiv)

– Pansenbolus + Magnet

• Untersuchungsbedingungen– Versuchsdauer max. 1h – Kuh war angehalftert, angebunden

und fraß Heu – Ortungssystem befand sich im Bereich des

ventralen Pansensackes




MagnetfeldortungMagnetfeldortungVersuchsergebnisse Versuchsergebnisse

EingabePansenbolus

ventraler Pansensack

|s|=2487cm, v=0,753cm/s

Pansenbolus ρ=2,94g/cm³

EingabePansenbolus

ventraler Pansensack

|s|=5308cm, v=1,436cm/s

Pansenbolus ρ=2,17g/cm³



ZeitaufgelZeitaufgel ööste Untersuchung der pHste Untersuchung der pH -- und Temperaturund Temperatur --verlverl ääufe im Pansenufe im Pansen

– pH-Bolus (smaXtec GmbH, Österreich)– pansengefistelte Kuh (fzmb)



Untersuchung rhythmischer Schwankungen von pH- und Temperaturverläufen mittels FFT

10-6 10-5 10-40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequenz [Hz]

rel.

Am

plitu

de

10-6 10-5 10-40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequenz [Hz]

rel.

Am

plitu

depH-Wert

Temperatur

24 h 12 h 8 h

� circadianer Rhythmus (24h)





Gegenüberstellung von Tag-Nacht-Aktivitäten des Versuchstieres und 24h-Verläufen von pH-Wert und Temperatur




Gegenüberstellung von pH- und Temperaturverläufen im Pansen und Netzmagen



ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen

10 x pH-Bolus (smaXtec®)

Betrieb A5 x Hochleistungskühe im gleichen Laktationsstadium

gleiche Fütterungsration

Betrieb B5 x Hochleistungskühe in verschiedenen Laktationsstadien

3 x Fütterungsrationen

Zusätzliche Untersuchungen

- tägliche Kontrolle der Milchleistung- monatliche Kontrolle der Milchinhaltsstoffe- Stoffwechseluntersuchung in Blut und Harn




pH- und Temperatur-Verläufe im Netzmagen der Hochleistungskuh

0 20 40 60 80 100 120 140 160

3

4

5

6

7

8

pH

Messdauer [d]

Kuh 719

0 20 40 60 80 100 120 140 16030

40

50

60

Tem

pera

tur

[°C]




Tägliche Schwankungen der pH- und Temperaturwerte im Netzmagen der Hochleistungskühe




Untersuchung rhythmischer Schwankungen von pH- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT

Betrieb A




Untersuchung rhythmischer Schwankungen von pH- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT

Betrieb B




Einfluss der Fütterungsstrategie auf den mittleren Tagesverlauf des pH-Wertes im Netzmagen der Kühe der beiden Betriebe

Betrieb A

Betrieb B



Zusammenhang zwischen NSBAZusammenhang zwischen NSBA --Wert im Harn und Wert im Harn und mittlerem pHmittlerem pH --Tageswert im NetzmagenTageswert im Netzmagen

r = 0.53, p>0.05

r = 0.82, p0.05

r = 0.1, p>0.05

r = 0.38, p>0.05

Kuh mit Azidose (Kuh 302): Natürliche Regulierung des Säure-Basen-Haushaltes ist praktisch außer Kraft gesetzt



Untersuchung von Langzeitstabilität und Biofilmverblockung

KSI: Langzeituntersuchungen im Heuaufguss (einfache Methodezum Kultivieren von Mikroorganismen)

fzmb: Langzeituntersuchungen im Milieu des Pansens

Experimentelle Untersuchung der KomponentenExperimentelle Untersuchung der Komponentender pHder pH --Sonde Sonde

Miniaturisierte pH-Glaselektrode (KSI)(d = 3 mm, l = 25 mm)

Miniaturisierte Referenzelektrode mit Kapillardiaphragma (KSI)(Mikrokapillare-Durchmesser: < 10 µm)




Langzeituntersuchung der miniaturisierten Referenzelektrode in Panseninhaltsprobe



Mikrokapillare wurde nicht verblockt �Miniaturisierte Referenzelektrode ist voll

funktionsfähig

Verunreinigungen durch schwerlösliches Silbersulfid




InIn--vivovivo --Test des Labormusters der pHTest des Labormusters der pH --Sonde Sonde

Funktionsprüfung im Pansen

vor dem Test

nach dem Test



InIn--vivovivo --Test des Labormusters der pHTest des Labormusters der pH --Sonde Sonde

Funktionsprüfung im Pansen



InIn--vivovivo --Test des Funktionsmusters der pHTest des Funktionsmusters der pH --Sonde Sonde

Abmaße: d = 36 mm, l = 165 mm

Funktionsmuster• elektrochemische Messkette (miniaturisierte

pH-Elektrode + miniaturisierte Referenz-elektrode mit Kapillardiaphragma)

• kombiniertes Druck- und Temperatursensormodul

• Elektronik zur Erfassung und Umwandlung der Sensorsignale

• Sende- und Empfangseinheit

• Energieversorgung

+

Telemetrie-Station• Funkmodul (868 MHz) für die

Datenübertragung

• Wake-Up Sender (125 kHz)

• Rechnermodul mit WLAN Funktionalität

• interne Antennenanordnung (WLAN, 868 MHz, 125 kHz)

• Display für Statusanzeige

• RS232-Schnittstelle für die Monitoring-PC-Software



InIn--VivoVivo --Test des Funktionsmusters der pHTest des Funktionsmusters der pH --Sonde Sonde




Prüfung der Messgenauigkeit im Puffer pH7

pH-Sonde nach 12 Tagen im Pansen




Gegenüberstellung der Wasseraufnahme und Temperaturmessung mit der pH-Sonde

0 6 12 18 24 30 36 42 48 540

1

2

3

4

5

Was

serfl

uss

[L/m

in]

Zeit [d]0 6 12 18 24 30 36 42 48 54

30

32

34

36

38

40

Tem

pera

tur [

°C]

WassersensorpH-Sonde



Vielen Dank fVielen Dank f üür Ihre Aufmerksamkeit!r Ihre Aufmerksamkeit!

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