DOI: https://doi.org/10.1016/j.animal.2024.101269
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39216156
تاريخ النشر: 2024-07-22
المؤلف: Anna Leclercq وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات سلوك الحيوان ورفاهيته
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة التغيرات الحركية في الأبقار الحلوب مع عرج خفيف إلى معتدل في الأطراف الخلفية، بهدف تحديد الميزات التي يمكن أن تميز بين الحيوانات العرجاء وغير العرجاء للاستخدام المحتمل في أنظمة المراقبة الآلية. تم إخضاع ستة عشر بقرة حلوب لتحفيز العرج، وتم تحليل حركاتها باستخدام 41 قياسًا للمشي في خط مستقيم، مما أدى إلى تسجيل أكثر من 3,000 دورة خطوة مع 11 وحدة قياس قصور ذاتي موضوعة على أجسامها. ركز التحليل على 31 معلمة مكانية وزمنية، بما في ذلك حركة الأطراف، وتنسيق الحركة بين الأطراف، وإزاحة الجسم العلوي الرأسية.
كشفت النتائج عن اختلافات كبيرة في 23 من أصل 31 معلمة حركية بين الظروف الأساسية والظروف المحفزة. ومن الجدير بالذكر أن العرج ارتبط بانخفاض زوايا التمدد والانكماش القصوى للطرف المتأثر، بالإضافة إلى تقليل الانفصال القطري والجانبي لمكان وضع القدم الذي يشمل الطرف غير المحفز. بالإضافة إلى ذلك، لوحظت زيادة في عدم التماثل في الإزاحة الرأسية في الجسم العلوي، خاصة في الظهر والرقبة، إلى جانب تغييرات في مكونات دوران الحوض. تحمل هذه الميزات الحركية المحددة وعدًا لتحسين اكتشاف العرج في الأبقار الحلوب، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من فعاليتها في البيئات الزراعية العملية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية المهمة للعرج بسبب اضطرابات الظفر في قطعان الألبان، والتي تؤثر سلبًا على كل من الإنتاجية الاقتصادية ورفاهية الحيوانات. غالبًا ما تكون التقييمات البصرية التقليدية لاكتشاف العرج غير كافية، خاصة في القطعان الكبيرة، مما يؤدي إلى تقدير منخفض لانتشار العرج من قبل المزارعين. تشير الأدبيات إلى أن الكشف البصري ليس فقط مستهلكًا للوقت ولكن أيضًا عرضة لتحيز المراقب، مما يعقد تحديد الحالات الخفيفة. على الرغم من التقدم في طرق الكشف التلقائي باستخدام تقنيات مثل أجهزة قياس التسارع ورؤية الكمبيوتر، لا يزال العرج منتشرًا، حيث أفادت الدراسات بمعدلات تصل إلى 22.8%.
تهدف هذه الدراسة إلى تعزيز الكشف المبكر عن العرج من خلال استكشاف التغيرات الحركية المرتبطة بالعرج في الأطراف الخلفية في الأبقار الحلوب، مستفيدة من المنهجيات المستمدة من بيوميكانيكا الخيول. باستخدام طريقة تحفيز العرج القابلة للعكس، تستخدم الدراسة 11 وحدة قياس قصور ذاتي مثبتة على الجسم العلوي والأطراف لجمع 31 قياسًا حركيًا قبل وبعد تحفيز العرج. تفترض الفرضية أن العرج سيؤدي إلى زيادة عدم التماثل داخل الخطوة في كل من الحركيات الخاصة بالجسم العلوي والأطراف. تسعى هذه الدراسة إلى تقديم فهم شامل لتغيرات المشي في الماشية، مما يسهم في تطوير أنظمة أكثر فعالية للكشف الموضوعي عن العرج.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء الإجراءات التجريبية في مركز الثروة الحيوانية السويدي في أوبسالا، السويد، مع التركيز على تحليل المشي للأبقار باستخدام نظام تحليل مشي الخيول. تم إدخال بقرتين إلى حظيرة مجانية للتكيف قبل أخذ قياسات المشي في ممر بطول 72 مترًا مع أرضية خرسانية مخططة بنمط ماسي. تم تجهيز كل بقرة بـ 11 وحدة قياس قصور ذاتي (IMUs) موضوعة بشكل استراتيجي على معالم تشريحية محددة لالتقاط بيانات حول التسارع والسرعة الزاوية. شملت وحدات القياس كل من أجهزة قياس التسارع منخفضة وعالية الجاذبية وتم معايرتها قبل القياسات لضمان الدقة.
تم دفع الأبقار على طول الممر القياسي، مع الحد الأدنى من التدخل من الباحثين لتعزيز سلوك المشي الطبيعي. تم أخذ قياسات أساسية قبل تحفيز العرج الخفيف إلى المعتدل، وتم تقييمه باستخدام مقياس سبراشر المعدل. تم التخلص من قياسات التحفيز إذا كان العرج غير مستقر أو إذا تم المساس بجهاز التحفيز. كان الهدف هو الحصول على قياسين ناجحين للتحفيز لكل بقرة، مع تقييمات بعد التحفيز لتأكيد وجود العرج. تم تقييم تسجيلات الفيديو للقياسات لاحقًا من قبل الأطباء البيطريين للتحليل الوصفي. بالإضافة إلى ذلك، تم تحفيز العرج في الأطراف الأمامية في مجموعة منفصلة من التجارب، والتي سيتم تفصيلها في منشورات مستقبلية.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء ما مجموعه 41 قياسًا شمل 16 بقرة، كل منها ساهمت بقياس أساسي واحد وقياس أو قياسين للتحفيز. ومع ذلك، تم التخلص من 15 قياسًا بسبب الفشل في تحفيز العرج، والذي تم تمييزه بأضرار ميكانيكية كبيرة لجهاز التحفيز أو العرج غير المستقر كما تم تقييمه بصريًا. وبالتالي، تم استبعاد بقرة واحدة (البقرة 3) بالكامل من التحليلات بسبب محاولات التحفيز غير الناجحة. أما القياسات المتبقية فقد نجحت في تحفيز مشية تشبه “العرج الطبيعي”، دون ملاحظة أي عرج متبقي بعد التحفيز، باستثناء انطباع طفيف على قرن الظفر لبقرة واحدة (البقرة 1).
في البداية، تم اختيار 3,475 خطوة للتحليل، ولكن بعد التقييم البصري والاستبعاد، تم تضمين 3,314 خطوة في التحليلات الإحصائية، مع عدد الخطوات لكل قياس يتراوح من 15 إلى 132. يمكن العثور على معلومات مفصلة بشأن الخطوات المضمنة وأسباب الاستبعاد في الجدول التكميلي S1.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في آثار العرج المحفز على المعلمات الحركية للأبقار الحلوب، مع التركيز بشكل خاص على الإزاحة الرأسية وحركة الأطراف أثناء المشي. تم اختيار سبعة عشر بقرة حلوب (الأحمر السويدي وهولشتاين)، وتم فحص جميعها سريريًا للتأكد من خلوها من الأمراض وآفات الظفر الكبيرة. تم استخدام طريقتين لتحفيز درجة خفيفة إلى معتدلة من العرج: تطبيق الضغط على باطن الظفر واستخدام كتلة مطاطية في المسافة بين الأصابع. تم مراقبة العرج المحفز بعناية، وتم جمع البيانات باستخدام وحدات قياس قصور ذاتي (IMUs) لتحليل أنماط مشي الأبقار.
شمل معالجة البيانات استخراج وتحليل بيانات IMU الخام لتحديد مختلف المعلمات الحركية، بما في ذلك نطاق الحركة الرأسية (ROM) وخصائص حركة الأطراف. استخدمت الدراسة نماذج مختلطة خطية لمقارنة الظروف الأساسية والظروف المحفزة، مع الأخذ في الاعتبار التباين الفردي بين الأبقار وتأثير مدة الخطوة على النتائج الحركية. كشفت التحليلات الإحصائية عن اختلافات كبيرة في المعلمات الحركية بين الظروف الأساسية والظروف المحفزة، مما يبرز تأثير العرج على حركة الأبقار. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أفضل لكيفية تأثير العرج على حركة الأبقار الحلوب، وهو أمر حاسم لتحسين رفاهية الحيوانات وممارسات الإدارة في الزراعة الألبانية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.animal.2024.101269
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39216156
Publication Date: 2024-07-22
Author(s): Anna Leclercq et al.
Primary Topic: Animal Behavior and Welfare Studies
Overview
This study investigates kinematic changes in dairy cows with induced mild to moderate hindlimb lameness, aiming to identify features that can differentiate between lame and non-lame animals for potential use in automated surveillance systems. Sixteen dairy cows were subjected to lameness induction, and their movements were analyzed using 41 straight-line walk measurements, capturing over 3,000 stride cycles with 11 inertial measurement units placed on their bodies. The analysis focused on 31 spatial and temporal parameters, including limb movement, inter-limb coordination, and upper body vertical displacement.
The findings revealed significant differences in 23 of the 31 kinematic parameters between baseline and induced conditions. Notably, lameness was associated with decreased maximum protraction and retraction angles of the affected limb, as well as reduced diagonal and lateral dissociation of foot placement involving the non-induced limb. Additionally, increased vertical displacement asymmetry was observed in the upper body, particularly in the back and poll, alongside changes in pelvic roll components. These identified kinematic features hold promise for enhancing lameness detection in dairy cows, although further research is necessary to validate their effectiveness in practical farm settings.
Introduction
The introduction highlights the significant issue of lameness due to claw disorders in dairy herds, which adversely affects both economic productivity and animal welfare. Traditional visual assessments for detecting lameness are often inadequate, particularly in larger herds, leading to underestimation of lameness prevalence by farmers. The literature indicates that visual detection is not only time-consuming but also subject to observer bias, complicating the identification of mild cases. Despite advancements in automatic detection methods using technologies such as accelerometers and computer vision, lameness remains prevalent, with studies reporting rates as high as 22.8%.
The research aims to enhance early detection of lameness by exploring kinematic changes associated with hindlimb lameness in dairy cows, drawing on methodologies from equine biomechanics. Utilizing a reversible lameness induction method, the study employs 11 upper body and limb-mounted inertial measurement units (IMUs) to collect 31 kinematic measures before and after lameness induction. The hypothesis posits that lameness will result in increased within-stride asymmetry in both upper body and limb kinematics. This investigation seeks to provide a comprehensive understanding of gait alterations in cattle, ultimately contributing to the development of more effective objective lameness detection systems.
Methods
In this study, the experimental procedures were conducted at the Swedish Livestock Centre in Uppsala, Sweden, focusing on the gait analysis of cows using an equine gait analysis system. Two cows were introduced to a free stall pen for habituation before gait measurements were taken in a 72 m long aisle with a diamond-pattern grooved concrete floor. Each cow was equipped with 11 inertial measurement units (IMUs) strategically placed on specific anatomical landmarks to capture data on acceleration and angular velocity. The IMUs included both low-g and high-g accelerometers and were calibrated prior to measurements to ensure accuracy.
The cows were driven along the measurement aisle, with minimal interference from researchers to promote natural walking behavior. Baseline measurements were taken before inducing mild to moderate hindlimb lameness, assessed using a modified Sprecher scale. Induction measurements were discarded if the lameness was unstable or if the induction device was compromised. The goal was to obtain two successful induction measurements per cow, with post-induction assessments to confirm the presence of lameness. Video recordings of the measurements were later evaluated by veterinarians for descriptive analysis. Additionally, forelimb lameness was induced in a separate set of experiments, which will be detailed in future publications.
Results
In this study, a total of 41 measurements were conducted involving 16 cows, each contributing one baseline measurement and one or two induction measurements. However, 15 measurements were discarded due to failures in inducing lameness, which was characterized by significant mechanical damage to the induction device or unstable lameness as assessed visually. Consequently, one cow (cow 3) was entirely excluded from the analyses due to unsuccessful induction attempts. The remaining measurements successfully induced a gait resembling “natural” lameness, with no residual lameness observed post-induction, aside from a minor indentation on the claw horn of one cow (cow 1).
Initially, 3,475 strides were selected for analysis, but after visual evaluation and exclusions, 3,314 strides were included in the statistical analyses, with the number of strides per measurement ranging from 15 to 132. Detailed information regarding the included strides and the reasons for exclusions can be found in Supplementary Table S1.
Discussion
In this study, the authors investigated the effects of induced lameness on the kinematic parameters of dairy cows, specifically focusing on the vertical displacement and limb motion during walking. Seventeen dairy cows (Swedish Red and Holstein) were selected, all of which were clinically examined to ensure they were free from disease and significant claw lesions. Two methods were employed to induce a mild to moderate degree of lameness: applying pressure to the sole of the claw and using a rubber block in the interdigital space. The induced lameness was carefully monitored, and data were collected using inertial measurement units (IMUs) to analyze the cows’ gait patterns.
Data processing involved extracting and analyzing raw IMU data to quantify various kinematic parameters, including vertical range of motion (ROM) and limb motion characteristics. The study employed linear mixed models to compare baseline and induced conditions, accounting for individual variability among cows and the influence of stride duration on kinematic outcomes. The statistical analysis revealed significant differences in kinematic parameters between baseline and induced conditions, highlighting the impact of lameness on the cows’ locomotion. Overall, the findings contribute to a better understanding of how lameness affects dairy cow mobility, which is crucial for improving animal welfare and management practices in dairy farming.