Kontinuierliche ph-messung in vivo im Pansen von Rindern zur Optimierung des Futtermitteleinsatzes in der Milchviehhaltung

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1 Kontinuierliche ph-messung in vivo im Pansen von Rindern zur Optimierung des Futtermitteleinsatzes in der Milchviehhaltung Projekt: Träger: ZIM-Kooperationsprojekt BMWi, AIF GmbH Laufzeit: Projektpartner: ACI, KSI, BITSz, fzmb

2 Teilaufgaben der Projektpartner ACI KSI Entwicklung einer langzeitstabilen Sondenelektronik sowie der telemetrischen Übertragungs- und Auswerteeinheiten Entwicklung des elektrochemischen Messsystems und Entwurf der Sondenausstattung BITSz Entwicklung und Bereitstellung der Messtechnik zur Erfassung von ergänzenden 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 O. Schewtschenko 2

3 Erläuterung der Arbeitspakete fzmb AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 AP7 AP8 AP9 AP10 AP11 Vorbereitung tierexperimentelle Studien Vorversuche Pansensonde Vorversuche Tierphysiologie Auswertung Vorversuche Erprobung Sensorik Tierphysiologie Zuordnung zu physiologischen Zuständen Erprobung Labormuster ph-pansensonde Auswertung Labormustererprobung Erprobung Funktionsmuster ph-pansensonde Algorithmen zur Bewertung des Gesundheitszustandes Abschlussbericht und Nachweis FuE-Zielstellung O. Schewtschenko 3

4 Experimentelle Untersuchungen der Tierphysiologie Messsystem Parameter Überwachung 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 O. Schewtschenko 4

5 Sensorische Überwachung mittels smardwatch (BITSz) smardwatch am Hals smardwatch am Bein 3D-Beschleunigung Bewegungsmuster Elektromyogramm (EMG) muskuläre Reaktion Hautwiderstand vegetativ-emotionale Reaktion Hautpotential vegetativ-nervale Reaktion Hauttemperatur Temperaturregulation O. Schewtschenko 5

6 Ergebnisse der Messungen mittels smardwatch O. Schewtschenko 6

7 Sensorische Untersuchung des Kau- und Wiederkauverhaltens Kausensor (BITSz) Videoüberwachung im Stall (BITSz) O. Schewtschenko 7

8 Sensorische Untersuchung des Kau- und Wiederkauverhaltens O. Schewtschenko 8

9 Sensorische Untersuchung des Kau- und Wiederkauverhaltens Wiederkauzyklen: in 10 Min. Anzahl der Kieferschläge pro Bissen: O. Schewtschenko 9

10 Motivation Magnetfeldortung 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 O. Schewtschenko 10

11 Hardware Magnetfeldortung 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 O. Schewtschenko 11

12 Magnetfeldortung Versuchsergebnisse Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie Pansenbolus ρ=2,94g/cm³ Eingabe Pansenbolus Pansenbolus ρ=2,17g/cm³ Eingabe Pansenbolus ventraler Pansensack s =2487cm, v=0,753cm/s ventraler Pansensack s =5308cm, v=1,436cm/s O. Schewtschenko 12

13 Zeitaufgelöste Untersuchung der ph- und Temperatur- verläufe im Pansen ph-bolus (smaxtec GmbH, Österreich) pansengefistelte Kuh (fzmb) O. Schewtschenko 13

14 Zeitaufgelöste Untersuchung der ph- und Temperatur- verläufe im Pansen Untersuchung rhythmischer Schwankungen von ph- und Temperaturverläufen mittels FFT 1 rel. Amplitude ph-wert Frequenz [Hz] 1 24 h 12 h 8 h rel. Amplitude Temperatur Frequenz [Hz] circadianer Rhythmus (24h) O. Schewtschenko 14

15 Zeitaufgelöste Untersuchung der ph- und Temperatur- verläufe im Pansen Gegenüberstellung von Tag-Nacht-Aktivitäten des Versuchstieres und 24h-Verläufen von ph-wert und Temperatur O. Schewtschenko 15

16 Zeitaufgelöste Untersuchung der ph- und Temperatur- verläufe im Pansen Gegenüberstellung von ph- und Temperaturverläufen im Pansen und Netzmagen O. Schewtschenko 16

17 Zeitaufgelöste Untersuchung der ph- und Temperatur- verläufe im Pansen Gegenüberstellung von ph- und Temperaturverläufen im Pansen und Netzmagen O. Schewtschenko 17

18 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen 10 x ph-bolus (smaxtec ) Betrieb A 5 x Hochleistungskühe im gleichen Laktationsstadium gleiche Fütterungsration Betrieb B 5 x Hochleistungskühe in verschiedenen Laktationsstadien 3 x Fütterungsrationen Zusätzliche Untersuchungen - tägliche Kontrolle der Milchleistung - monatliche Kontrolle der Milchinhaltsstoffe - Stoffwechseluntersuchung in Blut und Harn O. Schewtschenko 18

19 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen ph- und Temperatur-Verläufe im Netzmagen der Hochleistungskuh 8 Kuh ph Temperatur [ C] Messdauer [d] O. Schewtschenko 19

20 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen Tägliche Schwankungen der ph- und Temperaturwerte im Netzmagen der Hochleistungskühe O. Schewtschenko 20

21 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen Untersuchung rhythmischer Schwankungen von ph- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT Betrieb A O. Schewtschenko 21

22 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen Untersuchung rhythmischer Schwankungen von ph- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT Betrieb B O. Schewtschenko 22

23 Überwachung der ph-wert Wert- und Temperaturverläufe ufe im Netzmagen der Milchkühe he unter Praxisbedingungen Einfluss der Fütterungsstrategie auf den mittleren Tagesverlauf des ph-wertes im Netzmagen der Kühe der beiden Betriebe Betrieb A Betrieb B O. Schewtschenko 23

24 Zusammenhang zwischen NSBA-Wert im Harn und mittlerem ph-tageswert im Netzmagen r = 0.53, p>0.05 r = 0.1, p>0.05 r = 0.82, p<0.05 r = 0.38, p>0.05 r = 0.23, p>0.05 Kuh mit Azidose (Kuh 302): Natürliche Regulierung des Säure-Basen-Haushaltes ist praktisch außer Kraft gesetzt O. Schewtschenko 24

25 Experimentelle Untersuchung der Komponenten der ph-sonde Miniaturisierte ph-glaselektrode (KSI) (d = 3 mm, l = 25 mm) Miniaturisierte Referenzelektrode mit Kapillardiaphragma (KSI) (Mikrokapillare-Durchmesser: < 10 µm) Untersuchung von Langzeitstabilität und Biofilmverblockung KSI: Langzeituntersuchungen im Heuaufguss (einfache Methode zum Kultivieren von Mikroorganismen) fzmb: Langzeituntersuchungen im Milieu des Pansens O. Schewtschenko 25

26 Experimentelle Untersuchung der Komponenten der ph-sonde Langzeituntersuchung der miniaturisierten Referenzelektrode in Panseninhaltsprobe O. Schewtschenko 26

27 Experimentelle Untersuchung der Komponenten der ph-sonde Langzeituntersuchung der miniaturisierten Referenzelektrode in Panseninhaltsprobe O. Schewtschenko 27

28 Experimentelle Untersuchung der Komponenten der ph-sonde Mikrokapillare wurde nicht verblockt Miniaturisierte Referenzelektrode ist voll funktionsfähig Verunreinigungen durch schwerlösliches Silbersulfid O. Schewtschenko 28

29 In-vivo vivo-test des Labormusters der ph-sonde Funktionsprüfung im Pansen vor dem Test nach dem Test O. Schewtschenko 29

30 In-vivo vivo-test des Labormusters der ph-sonde Funktionsprüfung im Pansen O. Schewtschenko 30

31 In-vivo vivo-test des Funktionsmusters der ph-sonde Abmaße: d = 36 mm, l = 165 mm + Funktionsmuster elektrochemische Messkette (miniaturisierte ph-elektrode + miniaturisierte Referenzelektrode 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 O. Schewtschenko 31

32 In-Vivo Vivo-Test des Funktionsmusters der ph-sonde O. Schewtschenko 32

33 In-vivo vivo-test des Funktionsmusters der ph-sonde Prüfung der Messgenauigkeit im Puffer ph7 ph-sonde nach 12 Tagen im Pansen O. Schewtschenko 33

34 In-vivo vivo-test des Funktionsmusters der ph-sonde Gegenüberstellung der Wasseraufnahme und Temperaturmessung mit der ph-sonde Wasserfluss [L/min] 3 2 ph-sonde Wassersensor Temperatur [ C] Zeit [d] O. Schewtschenko 34

35 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! O. Schewtschenko 35