초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
<제1세부과제 : 생체정보 chip의 동물 적용방법 확립, 개체별 행동 및 건강정보 DB 구축 >
본 연구는 젖소의 생리적 변화를 감지할 수 있는 여러 가지의 바이오센서의 개발과 이들을 통합한 실시간 정보수집체계를 확립하는데 그 목적이 있으며, 이를 위해 정보수집장치의 동물적용방법을 확립하고, 실시간적인 정보수집을 위한 시험축사의 정보수집기반조성과 공시축을 확보하여 본연구의 궁극적 목표인 젖소의 실시간적 상황 및 행동분석 알고리듬 개발을 위한 데이터 베이스(D/B)구축을 위하여 수행되었다.
1) 피

Ⅳ. 연구개발결과
<제1세부과제 : 생체정보 chip의 동물 적용방법 확립, 개체별 행동 및 건강정보 DB 구축 >
본 연구는 젖소의 생리적 변화를 감지할 수 있는 여러 가지의 바이오센서의 개발과 이들을 통합한 실시간 정보수집체계를 확립하는데 그 목적이 있으며, 이를 위해 정보수집장치의 동물적용방법을 확립하고, 실시간적인 정보수집을 위한 시험축사의 정보수집기반조성과 공시축을 확보하여 본연구의 궁극적 목표인 젖소의 실시간적 상황 및 행동분석 알고리듬 개발을 위한 데이터 베이스(D/B)구축을 위하여 수행되었다.
1) 피부접촉식 외부 생체정보 수집장치의 젖소 적용방법확립 및 생체정보 D/B구축
세부 3과제에서 개발한 젖소 피부접촉식 외부 생체정보 수집장치를 젖소에게 적용하여 실시간적 생체다중정보 D/B를 구축하기위한 방법을 확립하였다. 그리고 외부생체정보 D/B 프로그램을 개발하여 실시간적 생체정보를 수집하고 수집된자료의 유형과 유효성을 분석하였다.
먼저, 생체정보수집장치의 젖소 부착위치와 안정적 정보수집을 위한 부착방법을 조사한 결과, 맥박과 체온 센서통합장치의 부착위치는 미근부 배면 상부, 좌 전지 겨드랑이 상부, 경추 중 좌상부의 세 위치에서 체온값과 맥박값의 안전성과 유효성을 분석하였는데, 세 위치에서 전송된 체온값은 직장온도에 비해 2～5℃ 정도 낮은 값이 수집되어 외기온도의 영향이 적은 부위로써 체온측정부위로 적합한 것으로 판단되었다. 특히, 경추 중 좌상부에서의 체온은 다른 부위에서의 부착 불안정성을 보인 것과 통신선의 훼손 등을 보이지 않고 수집된 정보의 변이도 가장 작고 안정적인 35.19±1.14 범위로 나타나 체온정보 수집부위로써 가장 좋은 것으로 나타났다. 맥박값에 있어서도 경추 중 좌상부는 159.9±14.29 범위에서 다른 부위에서 보다 정보 수신의 안정성과 편차도 적게 나타나 체온과 맥박정보의 부착부위는 경추 중 좌상부가 가장 좋았다.
활동성(Activity)정보와 배터리, 정보통합송신 모듈은 목걸이 형태로써 부착하였는데, 체온과 맥박센서 통합장치와 일체형으로 부착함으로써 부착성을 향상시키는 효과가 있었다. 젖소의 활동성은 X축(전후 변동값), Y축(좌우 변동값), Z축(상하 변동값)으로 나타내는데, 젖소의 이동, 사료섭취, 물섭취, 휴식, 수면, 분만 등의 각각의 행동 변화 시 마다 민감한 변이를 보였다. 임신 임박우(분만 전 3주) 14두를 이용한 가속도센서에 의한 활동성(Activity)정보 유효성 분석과 유형 분석을 하였는데, 5일간 10분간격으로 연속수집에 성공한 6두의 가속도 센서 자료는 각각의 방향별 위치에너지가를 나타낸 것으로, 0은 정지상태, 1은 1gravity(중력) 단위 이동 상태를 나타낸다. X축(전후이동)은 0.62±0.20으로 모든 개체의 전후이동은 이동량에 있어서는 모든 개체간 일정한 차이를 보였으며, 시각별로는 16:01~20:00시와 00:01~04:00에 가장 많이 이동하였다. Y축(좌우이동)은 0.59±0.16으로 개체간 차이와 시각별 변화에 있어서 전후 이동값과 비슷하게 나타났다. Z축(상하이동)은 1.06±0.16으로 개체간 차이는 뚜렷하였으나 시각별로는 변화를 보이지 않은 것으로 나타났다. 그러나 10분간격의 자료로는 전후이동의 정확한 개시와 종료시각을 알 수 없었다. 그래서 휴식(누워있음), 이동, 사료나 물의 섭취, 착유, 발정, 분만, 사고, 질병발생 등의 순간적 변화의 개시와 종료시각을 알기 위한 D/B 구성을 위해 현재의 10분 간격 수신에서 1분간격 수신으로 전환 하였다. 이에 대한 D/B수집과 분석은 진행 중에 있다.
그리고 개체별 영양물질 정밀관리장치와 연계하여 생체정보 D/B값 분석과 실시간 행동해석 알고리듬 개발에 이용하고자 기관내 개체별 정밀영양관리장치 통합시스템을을 설치하였다. 분만예정우 14두를 위해 배합사료 정량공급장치 1대, 전자동 물섭취조사장치 3대, 조사료(TMR)섭취조사장치 3대를 이용하여 개체별 섭취시각과 섭취량, 섭취소요시간 기록을 D/B자료의 해석과 분류에 사용하였다.
- 사료와 물섭취 정보는 시/분/초 단위로 입장과 퇴장시각이 명시되나 D/B자료는 10분 간격으로 나타나다보니 젖소의 섭취행동 개시와 종료 정보와 일치하지 않았음. 1분간격으로 수신할 경우, 개체별 정밀영양관리시스템과의 근접한 시각정보를 얻을 수 있을 것으로 사료되었다.
2) 젖소 반추위 주입식 생체정보 수집장치의 동물적용 방법 확립 및 D/B구축
3과제로부터 개발된 반추위 주입식 다중생체정보수집장치와 정보송수신시스템을 설치하여 반추위 온도, pH센서와 활동성(가속도)센서의 주입 및 안정성 확립과 정보송수신 체계 확립을 위한 연구를 수행하였는데, 반추위 온도, pH센서와 활동성(가속도)센서, 배터리 및 송수신모듈로 구성된 일체형 통합모듈은 반추위 주입시 반추위 내압에 의해 통합모듈내 위액침출로 인한 손상이 일어나 사용이 불가한 것으로 나타났으며, 반추위 내부에서 외부 D/B수집 PC로의 송신이 전혀 일어나지 않았다. 그래서 정보수집장치를 2개로 분리하여 반추위내로 주입되는 센서 모듈에는 온도, pH센서와 활동성(가속도)센서로 구성하고, 반추위 캐뉼라 뚜껑에는 정보송신모듈로써 배터리, 정보송신 모듈, 송신 안테나로 구성하였으며, 센서모듈과 정보송신모듈간은 1～2m 의 통신선으로 연결하였다. 센서모듈과 정보송신 모듈의 연결부위에는 반추위액에도 녹지 않는 충진제로 충진하여 반추위 내압에도 각 모듈의 내부로 위액의 침출이 없도록 하였다. 그리고 반추위 생체정보 D/B 프로그램을 개발하여 반추위 다중생체정보를 10분간격으로 최대값, 최소값, 및 평균값으로 수집되게 하여 정보의 유형분석과 반추위이상발생을 진단하기 위한 실시간 반추위 상황 해석 알고리듬 개발에 이용하도록 하였다.
시각별 반추위내 pH는 5.8~6.6 범위에서 파동형 변화를 보였으며, 반추위내 온도의 변화는 시간증가에 따라 38℃에서 39℃까지 증가하는 경향을 나타냈다. 그리고 반추위의 활동성(Activity)값은 전체적으로 0에서 0.4 범위에서 시각별로 변화를 보였으며, X축(전후이동)값은 사료섭취 30분 경과 후 감소하고, Y(좌우 이동)와 Z(상하이동) 값은 30분 경과 후 증가하여 나타났다. 그러나 10분간격의 반추위 정보로는 반추위의 변화, 즉 pH, 온도, 활동성이 변화개시와 종료시각을 정확하게 알 필요가 있는 본 연구 목적에는 부합하지 않은 것으로 판단되어 D/B 수집간격을 1분간격으로 조정하여 D/B를 구축하고 있다. 추후 D/B구축자료량이 충분히 축적되면 자료의 유효성분석과 실시간적 반추위 상황해석 알고리듬 개발에 이용할 것이다.
전체적으로 다중생체정보수집장치와 정보D/B의 문제점과 해결방안 및 추후 추진과제를 검토하였다. 첫 번째로 배터리 수명과 관리의 불편성이다. 사용 중 배터리(송아지용 리튬 3.8V 배터리와 성우용 7.2V)는 현재로써는 가장 수명이 긴 것이라고 하나 정보량 등의 문제로 전력이 많이 소모되는 본 연구과제상 배터리 잔량을 알 수 없어 수신되는 정보의 지속적인 관찰과 신속한 교체 필요하며, 이는 중요한 소의 행동이나 상황변화시 정보가 수신되지 못하여 소실될 위험이 있었으며 실시간 젖소 행동이나 상황변화를 판단할 상황 분석 알고리듬을 개발하기에 충분할 정도의 D/B구축에는 상당한 시간이 소요 될 것으로 사료되었다. 이의 해소를 위해 배터리 수명과 관리의 어려움은 추후과제를 통해 무선 전력공급 혹은 무선충전 배터리 체계 개발이 필요하였다. 두 번째는 지그비 통신방식이 저전력, 다중채널 가능성등 여러 가지 장점에 의해 채택되었으나 공간이 트인 축사의 경우 송신된 정보의 상당량이 소실되는 경향에 대한 기술분석과 대응기술개발이 필요한 것으로 사료된다.
<제2세부과제 : 생체정보와 개체별 영양정보를 이용한 건강상태 분석 알고리듬 개발 >
젖소 반추위와 외부접촉식 다중생체정보수집자료의 젖소 행동간 분석을 통한 실시간 젖소의 행동 및 상황 해석 알고리듬개발을 위해 수집된 각종 자료에 대한 통게적 분석을 통한 유효성과 자료의 유형과 젖소의 상황을 분석하였다.
먼저 반추위 pH센서의 유효성을 분석하기 위하여 산소이온농도 측정기의 정확도 비교와 젖소 분만전후 활동성 비교하였는데, 표준 Lab pH meter의 정확도가 가장 높았고, HMPh-200 기종이 SX-620기종에 비해 높은 정확도를 나타냈으며, 젖소의 분만전후 활동성에 있어서는 분만시는 분만 전과 후에 비해 운동량(보행수)이 증가하는 현상이 나타났으나 착유기와 건유기 간에는 별 차이 없었다. 산차별 활동성을 비교해보면 1산차 활동성이 이후 산차에 비해 높은 경향을 보였다. 이는 산차가 늘어남에 따라 분만에 대한 스트레스가 감소함으로 판단된다.
두 번째는 젖소 건강 모니터링 알고리듬 개발을 위한 생체 바이오센서 및 반추위 센서에 대한 모수 분포 및 모수 간 상관 추정을 실시하였는데, 운동성의 경우에는 X, Y 축으로는 90% 이상에서 반응이 나타나고, Z축으로는 +/- 양 방향으로 반응이 나타나며, 양(+)의 방향으로는 99%이상에서 그리고 음(-)의 방향으로는 5% 이하에서 반응이 나타났다. 센서가 부착된 개체는 정상적인 활동을 하는 개체이므로 체온(Temp), 직장온도(RecTemp)에서는 외기 온도(AmbTemp)와 습도(AmbHum)가 변하는 전 구간에서 정상적인 수치가 나타났다.
심장박동수는 외기온도와 습도가 상승하면서 3/4분기점(Q3, 75%) 이상에서 빨라지는 경향을 보였다. 운동성은 X축 반응과 Y축 반응 간에 상관관계가 높았으며, Z축과 X축간의 반응이 관련이 높았고, Y축과 Z축 간에는 관계 정도가 낮았다. 운동성 모수들과 체온 및 심장박동수, 직장온도는 외기 온/습도와 연관성이 낮았다. 이는 스트레스 등 큰 변동요인이 없기 때문으로 판단된다. 체온과 외기 온도, 습도 간에는 상관관계가 높게 나타났으며, 심장박동수도 약한 상관관계를 보였다. 반추위내 및 직장센서와 외부 온습도계로부터의 모수들 간의 상관관계를 통하여 각 모수들의 반응에 대한 연관성을 살펴 보았다.
운동성은 X축 반응과 Y축 반응 간에 상관관계가 있었으며, Z축과 X축간의 반응이 관련이 없었고, Y축과 Z축 간에는 음의 상관관계가 나타났다. 운동성 모수 중 X축으로의 운동성은 반추위내 센서에서 감지된 pH 변화와 정(+)의 상관관계가 있었으며, Y축으로의 운동성은 반추위 내용물의 온도와 높은 정(+)의 상관관계가 나타났다. Z축으로의 운동성은 반추위내용물의 온도 및 pH와 음(-)의 상관관계를 보였으며, 반추위 내용물의 온도와 pH 간에는 정(+)의 상관관계를 보였다.
세 번째 시험은 반추위 센서의 사료섭취시간 감지기능에 대한 유용성 분석을 실시하였는데, 사료 급여 전후 생리적 활동 상태 변화에 따른 센서 지수 변화를 분석한 결과, 반추위내 온도(Tave)와 반추위 pH(pHave)는 사료섭취시(eating)가 사료섭취후 소화시(digesting)나 전날 휴식시(resting)에 비해 유의적으로 낮았다. 반추위 내용물 내 센서의 운동성은 X축에서 사료 섭취 후 소화시가 높게 나타났으나 사료섭취시와 그 전날 휴식시 간에는 차이가 없었다.
반추위 내용물 내 센서의 운동성은 Y축과 Z축(상하) 가속도 차이에는 휴식시와 사료섭취 시, 소화시에 따라 유의적 차이가 없었다. 반추위내 온도와 pH 간에는 높은 정(+)의 상관관계가 있었으나, 이들 생리적 지수들과 운동성 간에는 거의 상관관계가 없었다. X축 방향의 운동성은 Y축 방향의 운동성과 부(-)의 상관관계가 있었으며, Y축 방향의 운동성은 Z축 방향의 운동성과 낮은 정(+)의 상관이 있었다.
네 번째시험에서는 외부생체 센서에 의한 젖소 행동 모니터링을 실시하였는데, 센서 모수와 행동양상 코드 결합분석에 대해 살펴보면, 수집된 자료가 센서자료와 행동관찰 자료가 많았으나 사료섭취량조사기(FIM) 체류시간이 최소 0.02분, 최대 9.92분(평균 2.82분)이며, 음수량 조사기(WIM) 체류시간이 최소 0.07분, 최대 6.12분(평균 1.22분)으로 분석이 불가능 하였는데,이는 자료 수 부족으로 인한 것으로 사료되었다.
(결론) 센서 감지 시간 간격 10분은 WIM과 FIM 최대 섭취시간을 초과하므로 1분 간격으로 조정이 필요하며, 비정상적 모수가 관찰되었는데 체온, 맥박 등의 시간간격 내 최소값(=0)에 대한 조정이 필요할 것으로 판단된다.
<제3세부(1협동)과제 : 젖소 생체정보 통합 모니터링 시스템 개발>
본 프로젝트에서는 젖소의 생체 데이터를 모니터링 하는 젖소 생체 모니터링 시스템을 개발하였다. 그리고 센서의 신뢰성 여부를 위해 센서를 가지고 젖소의 질병 발견에 초점을 맞춰 각 센서별로 테스트를 하였다. 전체 시스템은 외부 생체 모니터링 모듈과 내부 생체 모니터링 모듈로 나눠지고 외부 생체 모듈은 가속도, 도, 맥박 센서를 내부 생체 모듈은 가속도, 온도, ph센서를 측정할 수 있게 제작 하였다. 외부 생체 모니터링 모듈의 가속도 센서의 경우, 장착하여 젖소의 운동의 분석 및 패턴화를 통한 알고리듬의 생성으로 발굽질병이 있는 젖소를 판별하여 관리자가 적절한 대응을 할 수 있도록 하였다. 온도 센서의 경우 송아지에 외부 생체 모니터링 모듈을 달아서 설사병이 있는 송아지와 없는 송아지의 데이터를 비교하여 차이점을 발견하였고, 이에 따라 향후 차이가 나는 송아지의 상태를 관찰하여 설사병이 있는 송아지와 없는 송아지의 알고리듬을 만드는 것이 필요 하다고 본다.
맥박 센서는 센서를 부착하여 실제 데이터가 나오는 것을 확인하였고 사람의 유무에 따른 스트레스로 맥박의 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 외부 생체 모니터링 모듈은 운동성 데이터와 맥박, 온도 데이터의 상황에 따른 관계 여부를 분석하여 알고리듬을 만드는 것이 필요 하다고 판단한다. 내부 생체 모니터링 같은 경우 기존의 제품은 장거리에서 실시간으로 반추위 내의 데이터를 측정 할 수 없었지만, 본 연구를 위해 제작된 내부 생체 모니터링 장치는 실시간적으로 데이터를 확인 할 수 있으면서, 기존의 제품과도 성능이 차이가 나지 않는 것을 확인 하였다.
향후 내부 생체 모니터링 장치를 이용하여 데이터를 추출하여, 반추위 연구에서 많이 연구되고 있는 SARA질병 감지와, 음식물 섭취와 위속움직임에 따른 온도변화 관한 연구를 하여 알고리듬을 만드는 것이 필요 하다. 본 연구의 최종 목적은 젖소의 생체 데이터를 모니터링하고 패턴화한 알고리듬을 적용하여 젖소의 상태를 원격으로 파악하여 적절한 대응을 가능하도록 하는 것이다. 이러한 최종 목적을 달성하기 위해서는 젖소의 생체 정보를 패턴화 하기위한 많은 데이터 수집이 필요하며, 젖소의 생애에 걸친 분석이 요구된다.
본 프로젝트에서 이러한 연구를 위한 모니터링 모듈을 개발 하였다. 향후 데이터를 확보하여 신뢰성 확보가 필요하다. 모듈 역시 앞으로 데이터를 수집하면서 소형화 및 경량화의 개량이 필요하며, 장기간 측정에도 변하지 않는 데이터의 신뢰성과 안정성을 가져야 할 것이다. 맥박 센서의 경우 동잡음을 지금보다 더 확실히 제거 할 수 있는 알고리듬이 필요하며, 호흡수와 같은 새로운 파라메터의 추가로 맥박을 대체하는 것도 생각해 볼 수 있을 것이다.
그리고 센서를 장기간 사용할 때의 교정의 문제도 장기간의 실험을 통해 극복해야할 문제이다. 부착도 지금보다 소에게 불편함을 주지 않으면서 파손이 되지 않는 위치와 방법을 찾기 위한 노력이 필요하다. 내부 생체 모니터링 모듈의 가속도 데이터도 유효한 값으로 의미를 갖기 위해서는 더 많은 데이터가 필요하다. 현재 개발된 시스템은 연구용으로 일반적으로 상용화 되어서 축사에서 사용하기에는 무리가 있으나, 시스템을 개량하여 일반인이 구매를 하여 축사에서 사용할 수 있는 제품이 되도록 연구를 해야 할 것이다. 일반 축사에 본 시스템이 적용된다면, 여러 증상과 질병으로 인한 경제적 손실을 예방 할 수 있으며, 2010년의 구제역이나, 전 세계를 강타한 광우병 등을 빠르게 진단하여 조기에 확산을 막는 것에 기여할 것이라고 기대한다.
<제4세부(2협동)과제 : 젖소의 개체별 반추위 환경 최적화를 위한 발효 조절체계 확립>
생체 내부정보 모니터링 기술을 이용한 개체별 반추위환경의 최적화를 위한 발효 조절체계의 확립을 위해 3단계의 시험 및 조사연구를 수행하였다.
첫 번째는 반추위 이상 주요증상중 하나인 반추위 과산증의 국내 발생실태를 조사하여 국내발생 요인에 대한 세심한 분석을 통한 반추위 이상 조기발견과 회복방법 개발에 이용하고자 국내 반추위과산증(RA)의 발생실태에 관한 현장조사를 실시하였다. 급성(ARA)의 경우, 대부분 변형 TMR에 의존하는 비유초기 착유우군 에서 출현하였으며, 원인은 고에너지사료의 과잉급여가 가장 많았으며, 산성도가 높은 옥수수사일리지(특히 고수분, 세절, 발효촉진제 처리시)나,발효율이 높은 가용성 탄수화물(특히 입자도가 고운 전분질사료)의 섭취로 인한 것으로 판단되었다.
두 번째 시험에서는 국내 사양조건(TMR)과 만성과산증(SARA) 유발특성 및 발효조절제 응용효과 조사 및 반추위 불량환경에서의 생리적 변화(모니터 시작기 테스트) 및 대사적 특성 구명하였는데, 각 단미사료의 pH는 밀기울의 pH가 4.33으로 가장 낮았고, 콘후레이크의 pH가 6.31로 가장 높았고, 배합비 작성에 사용된 사료 모두 pH 7.0 이하의 산성으로 나타났다. 완충능력을 나타내는 BC(buffering capacity)의 측정결과 최저는 비트펄프로 1.84, 최고는 단백피로 8.17였고, BVI(buffer value index)는 당밀이 -74.85로 가장 낮았고, 알팔파 건초가 72.79로 가장 높았다.
starch의 함량은 콘후레이크가 52.80%로 가장 높았으며, 당밀이 3.99%로 가장 낮았고, sugar의 함량은 당밀이 48.12%로 가장 높았고, 티모시 건초가 11.05%로 가장 낮았다. 또한 NSC(non-structural carbohydrates)의 함량은 콘후레이크가 68.47%로 가장 높았고, 알팔파 건초가 14.35%로 가장 낮게 나타났다. 사료의 소화율을 나타내는 건물소실율과 유기물소실율 측정 결과, HR와 LR의 건물 소실율은 각각 57.80%와 55.98%로 나타났으며, 유기물 소실율은 각각 63.04%와 61.27%로 모두 HR가 약간 높게 나왔지만, 비슷한 수준을 보여 소화율 면에서는 통계적으로 유의차는 나타나지 않았다. 섭취하는 에너지가의 함량과 관련이 있는 gas formation test 측정에서는 HR가 46.13%, LR가 43.72%로 생성되어 에너지 함량면에서도 유사한 수준으로 나타났다. HR와 LR를 급여한 후 섭취 완료 2시간부터 10시간 까지 시간 경과에 따른 반추위 내 pH 변화를 살펴보면, 반추위 내 pH는 사료 급여 후 HR와 LR 모두 감소하는 것으로 나타났다. 모두 섭취완료 후 4시간째가 가장 낮은 pH를 보였으며, 6시간이 지난 시점부터 반추위내 pH가 다시 증가하는 경향을 보였다.
LR 사료를 급여한 경우, 공복 시 pH 6.51에서 사료를 섭취 후 감소하였으나, 최저 pH 시점인 4시간이 지나도 pH 6.00 수준을 유지하였고, 6시간이 지나자 공복상태 수준의 pH를 회복하여 미생물이 활동하기에 적합한 pH 범위로 복귀하였다. HR 급여 시 공복상태에서의 pH는 6.4 수준으로 LR 급여시와 비슷하였으나, 섭취 후 2시간이 지나자 급격하게 낮아져 4∼6시간에는 pH 5.4 수준으로 낮아져 SARA(sub-acute rumen acidosis)가 유발한 것으로 나타났다. 8시간이 지난 시점에서도 반추위내 pH는 6점대를 회복하지 못하고 pH 5.8 수준에 머물러 있었다. 10시간이 지나자 pH 6.4 수준의 정상적인 수준의 pH를 회복하였다. 2∼8시간까지 HR와 LR가 유의적인 차이를 보여 HR를 섭취하면 pH가 더 낮아지는 것으로 나타났다(p<0.05). 급여 사료와 비율별로 완충능력을 평가하기 위하여 pH와 함께 Tucker(1992)가 제시한 방법에 의해 반추위내 완충능력BC(buffering capacity, BC) 및 완충가지수(buffer value index, BVI)의 수치를 측정하였다.
BC에 주로 영향을 주는 요인들은 일반적으로 사료의 입자도, 사료내 조사료의 함량, 타액분비량과 함께 bicarbonate, phosphate, VFA 등으로 알려져 있다(서 등, 2005). 그러나 이들 물질들의 값은 모두 달라 각기 다른 pH 범위에서 완충능력을 갖게 되는 관계로 BC 하나의 수치만으로 반추위액의 완충능력을 평가하기 보다는 pH와 함께 BVI도 고려하여 평가할 필요가 대두되었다.
세 번째 시험에서는 적정 발효조절제 선발 및 모니터링 장치를 이용한 반추위환경 제어효과 검증을 실시하였는데, PPG 본래의 기대효과에 추가하여 급여 시 반추위 내 pH의 저하를 방지하거나 저하의 가속화에 영향을 미치지 않음이 관찰되었다. 따라서 비유 초기 착유우에서 (-)에너지 균형을 개선하기 위하여 공급되는 PPG의 공급은 최소한 SARA를 가속화하지는 않을 것으로 사료된다. 그리고 완충제로 NaB를 사용할 경우 젖소 고능력우나 비육우를 위한 농후사료 위주의 사양형태에서 보다 큰 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
사료용 첨가물 급여가 혈액 내 LPS 농도 변화에 미치는 효과시험 결과, 전체적으로 LPS의 농도는 AD급여구에서 현저히 높아 ND급여구와 뚜렷gks 차이를 보였으며, NaB첨가구와 PPG첨가구는 둘 간의 중간에 해당하는 형장 농도를 보여 AD급여구에서 나타나는 부작용을 완화시키고 있음을 암시하였다. 즉 완충제로서 NaB를 급여한 경우 공복시에는 AD와 큰 차이를 보이지 않았으나 아침사료에 NaB를 혼합 급여함으로써 혈 중 LPS 농도가 뚜렷이 낮아진 것을 확인할 수 있다. 그러므로 혈 중 LPS 농도는 장기적인 제1위과산증 및 제엽염 등을 암시하는 유효한 지표로서 활용 가능할 것으로 사료된다.

Abstract ▼

Establishment of attaching method of multi bio-sensors, And Database of real time behavior and health information for individual cattle
The objective of this study was to develop various electronic bio-sensors to detect physiological variation of dairy cattle and to establish data col

Establishment of attaching method of multi bio-sensors, And Database of real time behavior and health information for individual cattle
The objective of this study was to develop various electronic bio-sensors to detect physiological variation of dairy cattle and to establish data collection protocol. Real time data collection system was designed with animal database models.
1) Development of data collection and storage protocol with bio-sensors attached on cattle body surface
A real time biometric information DB manager in connection to sensors attached on skin developed from the third project was developed. Validity of the sensors were tested with the data collected. First, positioning and mounting method of the sensors were compared. A device with pulse and temperature sensor units were attached to three positions, inner tail root, armpit position of a foreleg, and on the upper left part of the cervical spine. The temperature values transmitted from three positions were about 2 to 5℃ lower than rectal temperatures, which verified a low impact of ambient temperature and judged to be safe and appropriate for body temperature measurement. In particular, in the upper left of the cervical spine was found more stable without data transmission errors than the other two positions compared to detect body temperature. Variation of body temperature detected on this position appears stable in the range of 35.19 ± 1.14.
The pulse detected on upper-left of the cervical position ranged from 159.9 ± 14.29, more stable than the other two positions.
Activity sensor with battery and data transmission device in a necklace form was tested. When body temperature and pulse rate sensors were put together with an activity sensor, stability was improved. The activity values in X-axis (forward and backward movement), Y-axis (left and right movement), Z-axis (vertical movement) represented sensitively the behaviors of moving, eating, drinking, resting, sleeping or delivery.
Activity patterns of 14 pregnant cows and heifers right around the corner of delivery (three weeks before delivery) were observed with moment sensors. We were successful to obtain continuous transmission of data collected by every 10 minutes for five days from 6 animals. Data from moment sensors indicated levels of potential energy in each direction. Therefore it is 0 if the sensor is at original position, and 1 if the sensor is at 1 gravity ( G ) apart from the original position. Average front-to-back movements (X-axis) was 0.62 ± 0.20, the values of which were different by individual animals. Animals observed tended to move the most frequently in this direction between 16:01 to 20:00 or between 00:01 to 04:00 during the day. Average values of right-to-left movements (Y-axis) was 0.59 ± 0.16. And diurnal cycles and individual differences followed similar pattern to X-axis movements. Average vertical movements (Z-axis) was 1.06 ± 0.16. The difference between individuals was apparent, but diurnal change was not found significant. What we found from this experiment was that detection of movement in 10 minutes interval was too long to identify exact start and end of moving. So we change the time interval of detection to 1 minute. A new experiment with one minute interval is in progress now.
Activity sensors were combined with information from precision nutrient management devices. 14 pregnant heifers and cows were group fed in a pen with weight controlled suppliers of one concentrate feeder, three water buckets and three forage (TMR) feeders. And the times of in and out of these suppliers were recorded for each animal with activity sensors attached. In this experiment also, 10 minute data collection interval was too long to exactly detect duration time in each supplier. We decided to try further in one minute interval.
2) in situ rumen sensors
Rumen sensor units with transmitter developed from third project was inserted into the rumen of cannulated animals. Data received from sensor units were temperatures, pH's and activity (moments) parameters of rumen fluid. But a problem with this runmen sensor module along with built-in batteries was leeching of gastric juice into the device by internal pressure which blocked transmission of signals out to data receivers (PC).
Thus we redesigned data transmission apparatus inside the rumen into two separate modules. One module dipped in the rumen fluid is a sensor module with temperature sensor, pH sensor and activity (momentum) sensor. The other module placed in the cannula cap is the communication module with transmitter, antenna and battery. And the exchange of signals between these two modules were made through communication wire of 1 ~ 2m long. The connections between these two modules were coated with filler insoluble in gastric fluid pressure. Rumen biometric information was received in 10 minute intervals; the maximum, minimum, and average values.
Ruminal pH's fluctuated between 5.8 to 6.6 over time while the temperature in the rumen increased from 38 ℃ at 39 ℃. And the pattern of activity of the rumen fluid changed over time. Here also 10-minute intervals might not seem to give us enough information to develop prediction models. And new experiments set the interval at one minute are planned further.
Problems we found in general from our experiments with multiple bio-sensors and data collection protocols can be summarized. First, battery life and constant management.
The battery (3.8V lithium battery for calves and 7.2V for the mature) we used was one with the longest life now. But we could not check the battery level such that we could not replace on time not to have losses in sensor transmitted information. Second problem was with low-power multi-channel ZigBee communication protocol. This protocol is known to be the best so far but we lost communication so often from sensors apart in spacious pen area.
Development a prediction algorithm of health status of dairy cattle utilizing the information collected from bio-sensors in correlation with nutritional levels of individual animals.
The objective of this research project was to develop a prediction algorithm of health status of dairy cattle utilizing the information collected from bio-sensors in correlation with nutritional levels of individual animals. Four series of studies were made. First, we compared precision of three pH meters and motility patterns of cows before and after calving. Lab pH meter was more precise in terms of standard errors of repeat measures than HM Ph-200 or SX-620, the latter two machines of which were designed for hand carriage. Therefore, measures out of Ph-200 and SX-620 were somewhat lower estimates in three standard solutions (pH 4, 7, 9). And the differences by pH meters are affected by ambient temperature changes when tested in standard solutions of pH 4 and 9. Cow movements at the time of calving were increased as compared to those before and after calving. However, the activities during milking or during dry periods were not different significantly. Activities of heifers at first parity were more than activities of cows of later parity. In the second study, bio-sensors attached on body surface to collect data of body temperature, pulse, heart beats, rectal temperature, and activities on three axial directions.
Intra-ruminal sensors were inserted into rumen fluid of ruminally cannualated animals to collect ruminal data of pH and rumen fluid temperature. Ruminal pH, temperature were measured manually by taking rumen fluid through cannula as well. The correlation between movements on X and Y axes were high and positive (0.48). But the correlation movements on Y and Z axes was low. Correlation between movement parameters and physiological parameters were low. Heart beat rates were positively correlated with ambient humidity and temperature. Ruminal fluid motitlity parameters were correlated with pH, temperature of rumen fluid. But because the animals on test in this study were all in normal states, we could not find any causal changes in sensor parameters with physiological malfunctioning. The third study was about monitoring changes in ruminal temperature, pH and fluid motility paramters in accordance with eating and drinking behaviors. To observe the pattern, one dry cow with rumen cannula was sensed for three days from July 9, 2013 to 11. Ruminal sensor paramters were recorded for every 10 minutes intervals. Ruminal temperature and pH while eating were higher than those while digesting (ruminating) or while resting. Ruminal pH and temperature were highly and positively correlated. However, these two parameters showed no correlated changes in rumen fluid motility. The fourth study was done to find the patterns of changes in body temperature, pulse and movements on three axes sensed by sensors attached on body surface in accordance to changes in activities of four cows. Sensor parameters were recorded in 10 minute intervals. Activities were classified into 26 categories. But the recording interval was longer than duration of cows on feed bucket (0.02-9.92 min, 2.82 min on average) or on water bucket (0.07-6.12 min, 1.22 min on average) such that we could not observe parameter changes over the activity pattern changes.
The sensor studies we have conducted remained only as pilot studies because it took so long a time to set up sensor design and appropriate sensing protocols. But we could so far find the feasibility of bio-sensors on the body and in the rumen. We could convince that our new bio-sensors can be easily implemented under real farm environments as far as we can have some more time to test sensors, to renovate data transfer protocols and to analyze output records with real animal behavioral changes.
Development of realtime monitoring system using integrated bio-sensors for cattle
Monitoring system means the service system or environment that ofers the various medical services of prevention, diagnosis, treatment, and follow-up at any time, and anywhere by applying monitoring system in the medical industry. There have been researches to extend its application to livestock all over the globe. Using Monitoring system in animal husbandry can help livestock farmers in preventing the loss due to diseases caused by their poor management as one of the root causes that decrease competitiveness of it. Technical development of animal husbandry has been committed in many countries of the world, but there is yet a lack of research on the technology in our country. This study includes building hardware for the health care system and testing for its possibility by the individual management and bio-information monitoring of livestock using monitoring system. This system is applied to milk cows, and its final goal is to manage the individual health status and the physical changes with the data base on ach cow that has been configured measuring and collecting various bio-information including a cow’s movement, body temperaure, pulse, and the acidity within the ruminant stomach, etc
Development of realtime monitoring system using integrated bio-sensors for cattle
A study was conducted to determine if subacute ruminal acidosis(SARA) induced by feeding high level of non-structural carbohydrates results in increases in lipopolysaccharides(LPS) of peripheral blood placing indwelling probes within the rumen for measuring long term pH changes. In the experiment four Holstein steers, two of which having ruminal canulae, were alloted into two dietary treatments in a cross-over design, where an acidogenic diet(AD) was formulated by including high amount of non-structural carbohydrates(NSC) based on corn silage and corn flake as TMR ingredients. Data for ruminal pH change and plasma LPS concentration were compared against normal diet(ND) which contained grass hay as forage and low NSC ingredients.
Feeding AD for more than 14 days to animals brought about a pH change as low as less than 5.8 for more than 4 hours, which made good contrast to ND fed animals. Decreased ruminal pH also had an effect on LPS concentrations which showed significantly higher level for AD compared with ND. Therefore, plasma LPS concentration may be used as an effective indicator to verify acidosis whether it is acute or chronic. Na-bentonite and Propylene glycol, which are frequently included in dairy TMR as additives, helped decrease ruminal pH by buffering and then ultimately alleviates SARA. Therefore, it could also be helpful to lower the occurrence of laminitis which is often caused by increased blood endotoxin(LPS) concentration.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 13
• 목차 ... 18
• 제1장 서론 ... 19
• 1절 연구개발의 목적 ... 19
• 2절 연구개발의 필요성 ... 19
• 3절 연구개발의 범위 ... 19
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 1절 세계적 연구개발현황 ... 20
• 2절 국내 수준 ... 20
• 3절 국내외 연구현황 ... 20
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 22
• 1절 생체정보 chip의 동물 적용방법 확립, 개체별 행동 및건강정보 DB 구축<제1세부과제> ... 22
• 2절 생체정보와 개체별 영양정보를 이용한 건강상태 분석알고리듬 개발<제2세부과제> ... 50
• 3절 젖소 생체정보 통합 모니터링 시스템 개발<제3세부(1협동)과제> ... 67
• 4절 젖소의 개체별 반추위 환경 최적화를 위한 발효 조절체계 확립<제4세부(2협동)과제> ... 114
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 147
• 1절 목표대비 달성도 ... 147
• 2절 정량적 목표대비 달성도 ... 149
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 150
• ○ 추가연구의 필요성 ... 150
• ○ 타 연구에의 응용 ... 150
• ○ 추진 중인 성과 및 계획 ... 150
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 151
• 1절 Ambulatory Instrumentation Suitable for Long-Term Monitoring of Cattle Health. ... 151
• 2절 A Real-Time Monitoring System Using a Multimodal Sensor with an Electrical Conductivity Sensor and a Temperature Sensor for Cow Health control. ... 151
• 3절 A system for continuous recording of ruminal pH in cattle. ... 151
• 4절 A wireless telemetric method of monitoring clinical acidosis in dairy cows. ... 151
• 5절 Wearable Sensor System for Wireless State-of-Health Determination in Cattle. ... 152
• 6절 Rumen Logger LRCpH T-7, T-9(DASCOR) ... 152
• 7절 Polar Heart rate Monitor & belt(Polar) ... 152
• 제7장 중요 변동사항 ... 153
• 제8장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구장비 현황 ... 153
• 제7장 참고문헌 ... 154
• <참고 1> 연차평가 지적사항 및 조치결과 ... 160
• <참고 2> 주요연구 성과 ... 161
• 끝페이지 ... 162