DOI: https://doi.org/10.1016/j.animal.2025.101482
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40198998
تاريخ النشر: 2025-03-13
المؤلف: Anna Leclercq وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات سلوك الحيوان ورفاهيته
نظرة عامة
تؤكد هذه الدراسة على أهمية الكشف المبكر عن العرج في الأبقار الحلوب، مع التركيز بشكل خاص على عرج الأطراف الأمامية، الذي تم دراسته أقل مقارنة بأمراض المخالب الخلفية. باستخدام تسعة وحدات قياس قصور ذاتي (IMUs) مثبتة على الجسم، قام الباحثون بإجراء تحليل للمشي على 12 بقرة حلوب سليمة سريرياً، وجمعوا بيانات من أكثر من 2000 خطوة. تم استخدام طريقة تحفز عرجًا خفيفًا وقابلًا للعكس في أحد الأطراف الأمامية، مما أدى إلى حساب 31 معلمة حركة تقيم بشكل أساسي تماثل الحركة. كشفت التحليلات عن اختلافات كبيرة في 22 معلمة بين حالة الأساس وحالة العرج (P ≤ 0.05)، مما يشير إلى أن العرج في الأطراف الأمامية أدى إلى مشية أكثر شبيهة بالخطو وغيرت زوايا بروز وسحب الأطراف.
تشير النتائج إلى أن التغيرات الحركية المحددة، مثل زيادة الزاوية القصوى لبروز الطرف الأمامي المصاب وتغيرات في الحركة العمودية للجسم العلوي، يمكن أن تعمل كعلامات للكشف عن العرج في الأطراف الأمامية. بينما تعتبر الطرق المعتمدة على IMU غير عملية للاستخدام التجاري، فإن النتائج تمهد الطريق لتطوير أدوات الكشف عن العرج المعتمدة على الفيديو. تبرز الدراسة إمكانيات تقنيات تحليل المشي بدون علامات، التي يمكن أن تسهل التشخيص المبكر للعرج الخفيف من خلال مراقبة التغيرات الحركية عبر مواقع تشريحية متعددة في وقت واحد.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القضية المهمة للعرج في الأبقار الحلوب، والتي لا تتسبب فقط في تكاليف اقتصادية ولكن أيضًا تؤثر سلبًا على رفاهية الحيوان وتؤدي إلى الاستبعاد المبكر. غالبًا ما تكون التقييمات البصرية التقليدية للعرج ذات طابع شخصي ومعرضة للتحيز، مما يؤدي إلى تقدير أقل لانتشار العرج على مستوى القطيع. عوامل مثل “عمى الحظيرة” تعقد الكشف، مما يبرز الحاجة إلى تحسين طرق الكشف التلقائي عن العرج. على الرغم من التقدم، لا يزال انتشار العرج، وخاصة الحالات الخفيفة، مرتفعًا، مما يتطلب تدخلًا في الوقت المناسب لمنع الحالات المزمنة والخسائر الإنتاجية المرتبطة بها.
ترتبط الغالبية العظمى من حالات العرج بآفات القدم، حيث تتأثر الأطراف الخلفية بشكل متكرر أكثر من الأطراف الأمامية. تشير هذه الفجوة إلى أن أدوات الكشف عن العرج الحالية قد تكون أقل فعالية لمشاكل الأطراف الأمامية بسبب نقص الفهم للتغيرات الحركية المميزة المرتبطة بكل نوع من الأطراف. تناقش المقدمة إمكانيات أنظمة تحليل المشي الموضوعية، التي تم دراستها بشكل أكثر شمولاً في الخيول، لتوفير رؤى مفصلة حول حركة الأطراف وتنسيق الحركة بين الأطراف. تقدم التقدمات التكنولوجية الحديثة، بما في ذلك رؤية الكمبيوتر، طرقًا جديدة لمراقبة أنماط الحركة دون استخدام المستشعرات التقليدية. تهدف الدراسة الحالية إلى معالجة الفجوة في المعرفة المتعلقة بالعرج في الأطراف الأمامية من خلال تصنيف تغيراته الحركية باستخدام طريقة جديدة لتحفيز العرج، مما يعزز استراتيجيات الكشف عن العرج للأبقار الحلوب.
طرق
في هذه الدراسة، تم جمع البيانات في مركز الأبحاث السويدي للثروة الحيوانية للتحقيق في العرج في الأطراف الأمامية في الأبقار من خلال سلسلة من التجارب المنضبطة. خضعت كل بقرة لتجربة أساسية واحدة تلتها تجربة أو تجربتين لتحفيز العرج، حيث تم توصيل “محفز العرج” بشكل عشوائي إلى أحد الأطراف الأمامية اليسرى أو اليمنى. شمل الإعداد التجريبي ممرًا بطول 72 مترًا مع أرضية خاصة مزخرفة بنمط الماس، وتم تجهيز الأبقار بـ 11 وحدة قياس قصور ذاتي (IMUs) لالتقاط تسارع عالي ومنخفض السرعة والسرعة الزاوية في ثلاثة أبعاد. تم وضع وحدات IMUs بشكل استراتيجي في مواقع مختلفة على الجسم، بما في ذلك الرأس، والعنق، والكتف، والظهر، والأطراف، مع تردد أخذ عينات يبلغ 200 هرتز وتزامن زمني دقيق.
كانت التجارب تهدف إلى تقييم العرج الخفيف إلى المعتدل، المحدد على أنه الدرجات 1-2 على مقياس سبرشر المعدل، الذي يصنف شدة العرج من الحركة الطبيعية (الدرجة 0) إلى رفض تحمل الوزن (الدرجة 4). قام المقيمون ذوو الخبرة بمراقبة استجابة الأبقار خلال تجارب التحفيز، مستبعدين أي تجارب حيث كان العرج غير مستقر أو شديد جدًا. تم تصوير كل تجربة لتحليلها لاحقًا، حيث قام الأطباء البيطريون بتقييم شدة العرج بناءً على اللقطات المسجلة. تضمنت طرق تحفيز العرج تطبيق الضغط على المساحة بين الأصابع أو على باطن المخلب الأمامي الداخلي، باستخدام مواد مثل الكرات المطاطية والبلاستيكية، مؤمنة باستخدام لاصق وضمادات.
نتائج
في هذه الدراسة، تم اختيار 17 بقرة في البداية، ولكن تم استبعاد ثلاث بسبب مشاكل في التعامل، وحالة موجودة مسبقًا، وعرج في الأساس، مما ترك 14 بقرة للتحليل. تم تسجيل ما مجموعه 35 تجربة، تتكون من 14 تجربة أساسية و21 تجربة لتحفيز العرج، مع استبعاد ثماني تجارب لأسباب مختلفة. في النهاية، تم تضمين 27 تجربة من 12 بقرة، كل منها يساهم بتجربة أساسية واحدة وتجربة أو تجربتين لتحفيز العرج. كانت درجات العرج المخصصة لهذه التجارب في الغالب 1/4 (11 حالة) و2/4 (أربع حالات).
شملت التجارب المضمنة 2,574 دورة خطوة كاملة، مع تجارب فردية تتراوح من 27 إلى 142 دورة خطوة. ومع ذلك، تم استبعاد بيانات من بقرة واحدة (البقرة 15) بسبب مشاكل في التسجيل مع وحدة قياس القصور الذاتي للرأس (IMU). تم تحديد عيوب في بيانات IMU عبر دورات خطوة مختلفة، مما أدى إلى استبعاد البيانات المتأثرة. بعد هذه الاستبعادات، تم الاحتفاظ بما مجموعه 2,051 إلى 2,357 دورة خطوة للتحليل الإحصائي، اعتمادًا على المعلمة التي تم تقييمها. يتم تقديم معلومات مفصلة حول عدد الخطوات المضمنة لكل معلمة في الجدول التكميلي S1.
مناقشة
في هذه الدراسة، بحث الباحثون في آثار العرج المحفز على مشية الأبقار الحلوب، مع التركيز بشكل خاص على معلمات الجسم العلوي والأطراف. تم اختيار سبع عشرة بقرة بناءً على معايير صارمة، بما في ذلك عدد الولادات وحالة الصحة، وتم إخضاعها لطريقتين لتحفيز العرج لتحقيق عرج خفيف إلى معتدل. كانت الطريقة الأولى تحاكي عدم الراحة الناتجة عن إزاحة عظم القدم، بينما كانت الثانية تحاكي عدم الراحة الناتجة عن التهاب الجلد الرقمي. استخدمت الدراسة وحدات قياس قصور ذاتي (IMUs) لتحليل الإزاحة العمودية وحركة الأطراف أثناء المشي، مما يسمح بتقييم مفصل لتماثل المشية والديناميات.
كشفت تحليل البيانات عن اختلافات كبيرة في معلمات المشية المختلفة بين حالة الأساس وحالة العرج. بشكل ملحوظ، انخفضت الزوايا القصوى للسحب للطرف الأمامي المحفز والطرف الخلفي غير المحفز، بينما زادت الزاوية القصوى لبروز الطرف الأمامي المحفز. كما أظهرت المعلمات الزمنية، مثل الانفصال القطري والجانبي، تغييرات كبيرة، مما يدل على تنسيق الأطراف المتغير أثناء العرج. زادت نطاق الحركة العمودية للجسم العلوي بالنسبة لوحدات IMU للرأس والعنق والظهر، مما يشير إلى عدم تماثل أكبر في الحركة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على التفاعل المعقد بين العرج وميكانيكا المشية في الأبقار الحلوب، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآثار على رفاهية الحيوان وممارسات الإدارة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.animal.2025.101482
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40198998
Publication Date: 2025-03-13
Author(s): Anna Leclercq et al.
Primary Topic: Animal Behavior and Welfare Studies
Overview
This study emphasizes the importance of early detection of lameness in dairy cows, particularly focusing on forelimb lameness, which has been less studied compared to hind claw diseases. Utilizing nine body-mounted inertial measurement units (IMUs), the researchers conducted gait analysis on 12 clinically sound dairy cows, collecting data from over 2,000 strides. A method inducing mild, reversible unilateral forelimb lameness was employed, leading to the computation of 31 movement parameters that primarily assessed motion symmetry. The analysis revealed significant differences in 22 parameters between baseline and lameness conditions (P ≤ 0.05), indicating that forelimb lameness resulted in a more pace-like gait and altered angles of limb protraction and retraction.
The findings suggest that specific kinematic changes, such as increased maximum protraction angle of the lame forelimb and variations in the vertical motion of the upper body, could serve as indicators for forelimb lameness detection. While the IMU-based methods are impractical for commercial use, the results pave the way for the development of video-based lameness detection tools. The study highlights the potential of marker-less gait analysis technologies, which could facilitate the early diagnosis of mild lameness by monitoring kinematic changes across multiple anatomical locations simultaneously.
Introduction
The introduction highlights the significant issue of lameness in dairy cows, which not only incurs economic costs but also adversely affects animal welfare and leads to premature culling. Traditional visual assessments of lameness are often subjective and prone to bias, resulting in an underestimation of herd-level prevalence. Factors such as “barn blindness” further complicate detection, underscoring the need for improved automatic lameness detection methods. Despite advancements, the prevalence of lameness, particularly mild cases, remains high, necessitating timely intervention to prevent chronic conditions and associated production losses.
The majority of lameness cases are linked to foot lesions, with hindlimbs being more frequently affected than forelimbs. This disparity suggests that existing lameness detection tools may be less effective for forelimb issues due to a lack of understanding of the distinct kinematic changes associated with each limb type. The introduction discusses the potential of objective gait analysis systems, which have been more extensively studied in equines, to provide detailed insights into limb motion and inter-limb coordination. Recent technological advancements, including computer vision, offer new avenues for monitoring movement patterns without traditional sensors. The current study aims to address the gap in knowledge regarding forelimb lameness by characterizing its kinematic changes using a novel lameness induction method, thereby enhancing detection strategies for dairy cows.
Methods
In this study, data were collected at the Swedish Livestock Research Centre to investigate forelimb lameness in cows through a series of controlled trials. Each cow underwent one baseline trial followed by one or two induction trials, where a “lameness inductor” was randomly attached to either the left or right forelimb. The experimental setup included a 72 m aisle with specialized diamond-pattern grooved flooring, and cows were equipped with 11 inertial measurement units (IMUs) to capture high-g and low-g acceleration and angular velocity in three dimensions. The IMUs were strategically placed on various body locations, including the poll, neck, withers, back, and limbs, with a sampling frequency of 200 Hz and precise time synchronization.
The trials aimed to assess mild to moderate lameness, defined as degrees 1-2 on a modified Sprecher scale, which categorizes lameness severity from normal movement (score 0) to refusal to bear weight (score 4). Experienced assessors monitored the cows’ responses during induction trials, discarding any trials where lameness was unstable or too severe. Each trial was filmed for retrospective analysis, where veterinarians scored lameness severity based on the recorded footage. The lameness induction methods involved applying pressure to the interdigital space or the sole of the medial fore claw, using materials such as rubber and plastic spheres, secured with adhesive and bandages.
Results
In this study, 17 cows were initially selected, but three were excluded due to handling issues, a pre-existing condition, and lameness at baseline, leaving 14 cows for analysis. A total of 35 trials were recorded, comprising 14 baseline trials and 21 lameness induction trials, with eight trials excluded for various reasons. Ultimately, 27 trials from 12 cows were included, each contributing one baseline trial and one or two lameness induction trials. The lameness scores assigned to these trials were predominantly 1/4 (11 instances) and 2/4 (four instances).
The included trials encompassed 2,574 complete stride cycles, with individual trials ranging from 27 to 142 stride cycles. However, data from one cow (cow 15) were excluded due to recording issues with the poll inertial measurement unit (IMU). Artefacts were identified in the IMU data across various stride cycles, leading to the exclusion of affected data. Following these exclusions, a total of 2,051 to 2,357 stride cycles were retained for statistical analysis, depending on the parameter assessed. Detailed information on the number of included strides per parameter is provided in Supplementary Table S1.
Discussion
In this study, the researchers investigated the effects of induced lameness on the gait of dairy cows, specifically focusing on upper body and limb parameters. Seventeen cows were selected based on strict criteria, including parity and health status, and were subjected to two methods of lameness induction to achieve mild to moderate lameness. The first method simulated discomfort from pedal bone displacement, while the second mimicked discomfort from digital dermatitis. The study employed inertial measurement units (IMUs) to analyze vertical displacement and limb movement during walking, allowing for detailed assessment of gait symmetry and dynamics.
Data analysis revealed significant differences in various gait parameters between baseline and lameness conditions. Notably, the maximum retraction angles of the induced forelimb and the non-induced hindlimb decreased, while the maximum protraction angle of the induced forelimb increased. Temporal parameters, such as diagonal and lateral dissociation, also showed significant changes, indicating altered limb coordination during lameness. The vertical range of motion for the upper body increased for the poll, neck, and back IMUs, suggesting greater asymmetry in movement. Overall, the findings highlight the complex interplay between lameness and gait mechanics in dairy cows, emphasizing the need for further research to understand the implications for animal welfare and management practices.