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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
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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
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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
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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
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– 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)
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Ergebnisse der Messungen mittels smardwatchErgebnisse der Messungen mittels smardwatch ®®
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Sensorische Untersuchung des KauSensorische Untersuchung des Kau -- und und WiederkauverhaltensWiederkauverhaltens
– Kausensor (BITSz)
– Videoüberwachung im Stall (BITSz)
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Sensorische Untersuchung des KauSensorische Untersuchung des Kau -- und und WiederkauverhaltensWiederkauverhaltens
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Wiederkauzyklen:10-11 in 10 Min.
Anzahl der Kiefer-schläge pro Bissen:55 - 60
Sensorische Untersuchung des KauSensorische Untersuchung des Kau -- und und WiederkauverhaltensWiederkauverhaltens
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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
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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
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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
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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)
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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)
ZeitaufgelZeitaufgel ööste Untersuchung der pHste Untersuchung der pH -- und Temperaturund Temperatur --verlverl ääufe im Pansenufe im Pansen
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ZeitaufgelZeitaufgel ööste Untersuchung der pHste Untersuchung der pH -- und Temperaturund Temperatur --verlverl ääufe im Pansenufe im Pansen
Gegenüberstellung von Tag-Nacht-Aktivitäten des Versuchstieres und 24h-Verläufen von pH-Wert und Temperatur
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ZeitaufgelZeitaufgel ööste Untersuchung der pHste Untersuchung der pH -- und Temperaturund Temperatur --verlverl ääufe im Pansenufe im Pansen
Gegenüberstellung von pH- und Temperaturverläufen im Pansen und Netzmagen
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ZeitaufgelZeitaufgel ööste Untersuchung der pHste Untersuchung der pH -- und Temperaturund Temperatur --verlverl ääufe im Pansenufe im Pansen
Gegenüberstellung von pH- und Temperaturverläufen im Pansen und Netzmagen
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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
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ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen
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]
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ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen
Tägliche Schwankungen der pH- und Temperaturwerte im Netzmagen der Hochleistungskühe
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ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen
Untersuchung rhythmischer Schwankungen von pH- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT
Betrieb A
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ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen
Untersuchung rhythmischer Schwankungen von pH- und Temperaturverläufen im Netzmagen der Hochleistungskühe mittels FFT
Betrieb B
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ÜÜberwachung der pHberwachung der pH --WertWert -- und Temperaturverlund Temperaturverl ääufe im ufe im Netzmagen der MilchkNetzmagen der Milchk üühe unter Praxisbedingungen he unter Praxisbedingungen
Einfluss der Fütterungsstrategie auf den mittleren Tagesverlauf des pH-Wertes im Netzmagen der Kühe der beiden Betriebe
Betrieb A
Betrieb B
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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
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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)
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Experimentelle Untersuchung der KomponentenExperimentelle Untersuchung der Komponentender pHder pH --Sonde Sonde
Langzeituntersuchung der miniaturisierten Referenzelektrode in Panseninhaltsprobe
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Experimentelle Untersuchung der KomponentenExperimentelle Untersuchung der Komponentender pHder pH --Sonde Sonde
Langzeituntersuchung der miniaturisierten Referenzelektrode in Panseninhaltsprobe
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Mikrokapillare wurde nicht verblockt �Miniaturisierte Referenzelektrode ist voll
funktionsfähig
Verunreinigungen durch schwerlösliches Silbersulfid
Experimentelle Untersuchung der KomponentenExperimentelle Untersuchung der Komponentender pHder pH --Sonde Sonde
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InIn--vivovivo --Test des Labormusters der pHTest des Labormusters der pH --Sonde Sonde
Funktionsprüfung im Pansen
vor dem Test
nach dem Test
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InIn--vivovivo --Test des Labormusters der pHTest des Labormusters der pH --Sonde Sonde
Funktionsprüfung im Pansen
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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
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InIn--VivoVivo --Test des Funktionsmusters der pHTest des Funktionsmusters der pH --Sonde Sonde
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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
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InIn--vivovivo --Test des Funktionsmusters der pHTest des Funktionsmusters der pH --Sonde Sonde
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
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