CN1980570A - 评价动物健康和表现的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种低成本的动物健康识别、表现和评估装置和方法包括一个或多个测量动物(如马)步态、各个肢在地上撞击有关的信号和马步态的所有阶段的运动的传感器。控制器单元接受来自一个或多个传感器的数据，分析该数据，并且产生与动物有关的指征或识别数据。将所述识别被设计成迅速并且可靠的野外使用。

Description

评价动物健康和表现的方法及其装置
技术领域：
本发明属于一种用于评价或识别动物，例如马，的表现、健康或状态的方法和装置，特别是，一种方法和包括附着于动物蹄或肢的传感器和电子分析器的装置，其中当动物运动并产生指征该动物状态的信号时该电子分析器接收来自于传感器的信号。
背景技术：
动物，并且尤其是马匹被用于包括表演和娱乐活动的各种用途。动物移动的精确方式可以显示其表现和健康。必须尽早检测出差的表现或跛行以便确保迅速解决任何问题。这可包括休息、治疗或训练，视情况而定。
虽然这些关注适用于各种活动中的马匹，但它们对所有表演的马匹如驯马、赛马或其它竞争事件尤其重要。马类运动的特性决定该动物的用途，并且运动的质量基本上决定该动物的价值。运动中的病态问题，例如跛行，可以致使动物完全不适合。这在马匹中尤其真实，其中在所有动物的10％中发生跛行，由于用途、有关费用和治疗的损失，导致年度损失超过十亿美元。主人缺乏动物跛行或表现的状态和属性的注意能导致损失动物执行其指定任务的能力。因此，未确诊的跛行在马产业中是主要的经济耗费。及早意识到跛行或差的表现可以纠正该问题，并且使动物迅速修复到完全的功能。
马匹步态功能和机能障碍的大多数评估是通过个人如兽医和驯马师的定性测定进行的，因为这对于在野外在受伤之后不久做出决定更实际，以避免需要迁移动物。已经作出努力，以通过步态要素(包括地面反作用力和蹄触击的时机)的测量对马运动的功能和机能障碍进行定量分析。在这些方法中，使用影像分析、撞击力测量或其它手段，测量步态要素。撞击、或地面反作用力通过安装在地上的测力板进行测量，或通过在动物脚的触击表面上安装具有撞击传感器的专门的鞋或长靴进行测量。还可以使用影像分析检验肢和其彼此相对的部分之间的关系。另外，安装在马匹肢上的加速计可以提供运动的信息。然而，这些方法的明显缺点在于：它们是时间密集型的，要求复杂的仪器和熟练的技师进行识别。这个问题基本上将这些方法局限于研究实验室和大型动物医院，而在野外不是真的可用。
现有方法的其它缺点包括，受到要求有效的计划并且设置时间的这样限制，并且必须将动物迁移到有适当装备的实验室或动物医院。使用具有撞击传感器的鞋或长靴的两个更不利的特点是：第一，这种方法对每个动物要求使用由蹄大小指定的鞋或长靴，第二，鞋或长靴对肢的最远端增加质量，这会改变步态的特性。
发明内容：
确定动物(例如马)的健康和表现的装置包括与动物的至少一个脚相关联的一个传感器和一个控制器单元。所述传感器检测来自于一个或多个动物蹄或肢骨的信号，该蹄或肢骨与动物移动或奔跑有关。然后调节这些信号使其适合于处理并存储。然后，控制器单元处理该信号，例如通过将这些信号与标准和参照信号比较。然后产生指征马表现状态的输出。
在本发明的一个方面，使用一种算法，采用三种方法中的一种。所有方法利用所获得的提供阈值或参照水平的数据，该算法将表现与这些数据比较。在第一种方法中，最初当其健康时，可从相同的动物获得一系列脚步的历史数据库，并且因而作为评价后续表现的算法的参照。该数据可以在最初购买前测试时收集，例如制定标准文件。使用自我参照来排除问题，与通过允许各种特定动物制定其自身的参照以建立马匹“正常的”步态相关联。对于历史参照，将马匹在普通条件的步态中所建立的数据库用于未来研究。
在第二种方法中，可选地或在动物历史参照之外，在一个肢中跛行的状态可以参照同时从同一动物的其它肢获得的数据。
在第三种方法中，从一个动物获得的数据参照从许多动物获得的数据库。
附图说明：
参考以下附图和说明，可以进一步了解本发明的特征、方面和优点，其中：
图1是根据本发明构造的动物健康识别和表现评估系统的视图，该系统具有位于动物身上并且通过导线连接到一个或多个传感器的控制器单元；
图2是具有位于远离动物并且通过无线与一个或多个传感器通信的控制器单元的动物健康识别和表现评估系统的视图；
图3显示具有图1或图2的动物健康识别和性能评估系统的一个或多个传感器的马蹄的放大图；
图4是图1或图2的动物健康识别和表现评估系统的传感器单元的原理图；
图5是图1所示的本发明的框图；
图6a-6d显示马的典型步伐的四个阶段；
图7a-7d显示来自于图1的传感器相应于图6a-d的四个阶段的四个输出；
图8a和8b显示对于相同的马间隔两个月分别从图1的传感器获得的第一和第二套轨迹；
图9a和9b分别显示健康的马的完整轨迹和部分放大轨迹；
图9c和9d分别显示图9a、9b具有左后腿跛行的马的完整轨迹和放大轨迹部分；
图10显示用于表现评估的系统的实例，包括从小跑(环绕)到步行(直行)的步态的过渡；
图11显示表示马步态的图；
图12显示图11具有指示跛行马的数据的绘图，该参照腿RF(Al)和跛足LR(A2)
图13显示一个表示用于单一马腿的数据收集的方框图；和
图14显示一个表示用于所有马腿的数据收集的方框图。
具体实施方式：
本发明涉及一种识别动物健康和表现的改进系统、传感器和方法。可以对许多用途进行健康和表现的评估，包括但不局限于：购买前测验、正常步态质量评估、偏离正常步态的评估和跛行或疾病的评定。额外的说明性用途包括评定其它步态变化因素：脚步、各种类型/形状/尺寸/材料的鞋的性能、性能的遗传倾向性、育种双亲的优势、伤害治愈率、天生的能力、性能测定能力(包括改进或退化)、设备如马鞍/马具/马嚼子的作用、骑手/驾驭者的作用、安全保障措施的性能标准和药物/膳食/营养增补剂/康复治疗例行测试的效果。
图1显示本发明的第一个实施例。一个或多个超轻质量的传感器单元10附着于马H的每个蹄壁(hoofwall)20的外表面。控制器单元具有其自身的电源(未显示)并且也安装在马上。每个传感器通过导线35与控制器单元30连接。整理该导线，使它们不妨碍马H的运动。传感器元件10检测数据，并且将其发送到控制器单元30。由控制器单元30收集的数据可以原位分析或存储在存贮器中用于以后分析，如下面更详细描述的那样。
在一个可选的实施例中，传感器元件10与控制器单元30无线连接，在这种情况中，省略导线35。在图2所示的另一个实施例中，在蹄(或肢)20上安装一个或多个传感器单元10，并且在该区域布置的监视位置上布置控制器单元。在这种情况下，控制器单元30和传感器单元10之间的连接是无线的。而且，控制器单元30可以通过标准通信信道与远程处理器单元36交换数据，如以下更详细描述的那样。
现在转到图3，根据它是否是直接有线连接到控制器单元还是与其无线通信连接，每个传感器元件10可以由一个或多个部件组成。传感器元件10包括一个附着于蹄的非撞击表面(优选为蹄的前侧壁的表面)的传感器元件12，如所示。传感器元件10也可以包括布置在蹄的其它侧壁的另一个传感器元件12A或并连到马的一些肢骨如管骨的传感器元件12B。在大多数情况中，每条腿一个传感器是足够的。优选地，传感器元件12是超轻重量的压电膜(如Measurement Specialties，Inc.(Fairfield，NJ)提供的那些)且被设置便于即时测量物理活动(应力、振动、温度、加速度)并且产生指示所述数据的电信号。也可以使用其它类型的传感器。对于图1的实施例，传感器元件12通过导线35与控制器单元30直接连接。否则，来自传感器元件12的信号通过如下所述的传感器元件10处理。
优选地，传感器元件12通过粘合层、可溶粘合剂、粘膜或其它类似的方法可以将传感器元件12快速附着于蹄(或骨)上或移出，最好对于蹄没有外形损坏。例如，传感器元件通过双面胶带(未显示)附着于蹄上。应该清除蹄表面的剩余物，并且使蹄表面足够光滑以便传感器在该蹄的外壁表面获得并且维持均匀的接触。可以处理蹄的外侧表面，以便提高传感器接触面积的均匀性和光滑度。也可以使用连接传感器元件的机械装置。
正如以上的讨论，在图1所示的一个实施例中，控制器单元30位于动物身上，并且通过导线或无线通信信道与(一个或多个)传感器单元10连接。用与传感器元件10相同的粘合手段使控制器单元30附着于蹄20中的一个。或者控制器单元通过使用带子或皮带附着于球节上，通过使用带子、皮带或腿外套附着于小腿。
在图2所示的另一个实施例中，控制器单元30位于远离动物，如图2所示从传感器收集数据。
如图4所示，如果传感器元件10没有用导线直接连接到控制器单元30，则传感器元件12的输出连接到放大器/滤波器40，它通过除去噪音并且使信号放大来调节来自传感器的信号。然后通过发送器42，使用射频、蓝牙、WiFi或光波传输，将放大器40的输出传送到控制器单元30。
参考图5，控制器单元30包括用于调节并且过滤来自(一个或多个)传感器单元的信号的放大器42，并且如果需要，也可以包括模/数(A/D)转换器。将放大器42的输出传送到CPU44。控制器40还包括一个或多个用于保存CPU44的程序和用于数据记录的存储器模块如RAM46。可选地，控制器单元30还包括显示器48、通讯装置(如调制解调器50)和数据及命令输入装置如键盘52。图5所示的装置用于获得关于动物如马匹的信息，并且产生关于它们健康以及表现的报告。
一般而言，由于马H涉及各种物理运动(如步行、奔跑、飞奔等)，传感器元件即时检测机械变化并且产生相应的传感器信号。以这种方式，传感器单元通过动物的一个或多个蹄的非撞击表面检测机械能量的标记和作用力。这些作用力和能量由地面相互作用产生，尤其是蹄撞击地面、足尖转折、拖曳、摆动和刮擦地面。传感器是全方向的，并且它利用蹄作为变化的通道(conduit)汇集有关机械变化的信息。更尤其是，当马跨步时，蹄和地面之间的接触以四个阶段进行，通常称为：触击、立姿、转折(breakover)和摆动。这些阶段的每一个在动物蹄和肢骨中产生作用力，这些作用力在本发明中被感觉到并且记录。图7a-d表示在这些阶段的每一阶段的过程中由传感器产生的特征信号。图8a表示从移动的马获得的典型的轨迹。该轨迹由四部分组成，相应于来自于与以下腿有关的传感器的输出的部分，依次从顶端开始：RR(右后)、RF(右前)、LR(左后)、LF(左前)。查看这些轨迹，可以容易辨认图7a-d所示的四个明显的阶段。重要地，图8b显示类似于图8a轨迹的轨迹。两个轨迹取自相同的马，图8b的轨迹取自约两个月以后。两个轨迹是非常类似，表示本发明中采用的方法随着时间获得一致的结果。
图9a、9b和9c、9d再次指征移动马的各个轨迹。然而在图9a、9b中，该马是健康的，虽然在图9c、9d中左后腿是跛的。这通过对蹄的脚底板粘牢小的螺母临时使马跛行。
从马获得的轨迹可以在视觉上分析和/或自动地分析。例如，如图10所示，可以识别每条腿的相同阶段，并且可以添加直线用于说明。在图中，用右侧的线用于连接腿的RR、RF、LR和LF触击阶段。触击阶段成列表明是步行。另一个分析轨迹的方法是比较阶段的相对位置。例如，在图的轨迹中，如两个大椭圆所示的那样，腿RF和LR的触击阶段几乎重合，表明小跑。
图11表示用作另一解释从马中获得的信号的方法的图。在这个图中，四对角线轴L1、L2、L3和L4从中心或起源C发出。每一个轴相应于所示的一条腿。从传感器中获得的数据表示为点，如图上的D1。点从中心C的径向距离与各步阶段(如触击)的振幅成正比例。较短距离显示比更长的距离更温和的步态。从各自的轴偏离的角度X显示各个阶段(例如触击)的晚或早。图12显示跛马的图。在区域A1中的点表示参照腿(RF)，而区域A2中的点显示表示LR跛行的数据。
现在参考图13，控制器单元30可以以多种方式进行操作。在一种方式中，分析数据并且使用一个或多个从单一传感器(例如布置在单一蹄上的传感器)获得的动物脚步的特征。例如当已经认识到或怀疑指定的马的指定脚步有问题时，这种方法是可取的。参考图13，在步骤13中，该控制器单元收集原始数据。在步骤102中，数据被过滤/调节/转化，并且常规处理，使该数据易于存储和进行进一步处理。在步骤104，数据存储在RAM46中。在步骤106中，分析最近存储的数据。作为这个分析的一部分，分析表征马步态的数据，包括图7a-7d所示的四曲线，包括指定曲线之间时限、最大/最小曲线振幅、力量和响应频率、各个脚步间隔的持续时间和特征、脚步的各个部分之间的间隔。控制器辨认和使用的特征也包括蹄的最初撞击、在蹄和地面之间的接触时间、足尖的滚转(这是单个运动的步态特性和特征)、蹄沿着地面的刮擦、和蹄提起时的拖曳，随着其升起，以便确定部分或所有特征是否正常，或显示问题。在步骤108中，控制器单元将它们与标准阈值或参照值比较。作为这一步骤的一部分，也可以使用曲线拟合法代替比较指定数值，如持续时间、振幅等。
这些值存储在RAM46中，并且可以以许多方式获得。一种方法是用特定的马当它健康时进行试验，并且收集这些需要的信息，以便可以在以后使用。另一种方法是从马的其它腿收集信息。再一种方法是从一个或多个其它马匹获得信息，优选与被测试的马共有一些特征，并且存储这些信息，包括来自类似动物标本的信息(品种、尺寸、年龄、用途、血亲)、和可能的关系(运动素质、患病的、受伤的、虚弱的)。又一种方法是分析多个相同类型或不同类型的马匹，并且收集统计数据，包括指定特征的平均数和RMS偏差。也可以使用其它获得阈值或参考值的方法。
一旦完成分析阶段，在步骤110中，显示结果，例如在显示器48上。分析可以在本地完成，或者可以通过调制解调器将原始数据送到中央处理站。
如图14所示，以第二种更复杂的操作方式，从马的所有四腿收集数据。步骤150-154除了在从所有四条腿收集的数据上进行以外，与步骤100-104类似。在步骤156中，曲线或图与图7-12中的那些类似。在步骤158、参照、阈值水平、标准曲线和其它类似信息被收集。在步骤160，将目前的轨迹和图与来自步骤158的参照和阈值比较。在步骤162中，将数据库更新成包括步骤154中收集的数据，并且然后在步骤164中，显示数据，或者传送到用户。
装置和方法除了识别动物健康以外还可以具有其它可能的用途。该系统在训练过程中可以提供直接的、接近实时的反馈。可以用这种反馈帮助制定和维持这些动物所需的步态。例如，没有备鞍的马可以围着围栏小跑，并且所获得的数据设置为指定马的标准。可以对马背添加马鞍，并且可以改进马鞍的安装、重量或设计，直至相同的小跑过程尽可能接近与添加马鞍之前取得的原始数据匹配。以同样的方式，在没有骑手的情况下，设置参照，使骑手能学习调节其行为，以便使马产生最佳的运动。在本文中用于表征指定步态的方法也可以用于预测年轻马的未来用途，从而实现更好结果。
可以对本发明做许多修改，而不背离所附权利要求书限定的范围。

Claims (20)

1.一种评价具有若干肢的动物的装置，包括：
一个附着于肢上的非撞击表面上并且由于物理运动产生指征肢与地面的接触的传感信号的传感器；和
一个接受所述传感信号并且基于所述传感信号产生动物的一个状态指征和特征的控制器单元。
2.根据权利要求1所述的装置，其中通过所述的接触所述传感器产生与骨的运动相关的所述信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述传感器产生指征应力、温度、振动和加速度的信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器附着于蹄壁上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感信号被无线传送到所述控制器单元。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感信号通过导线传送到所述控制器单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器单元附着于动物上。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器单元远离所述动物。
9.一种评估动物的装置，包括：
一个附着于动物的一肢上并且当动物涉及运动时产生信号指征由于肢的物理运动中肢的状态的数据的传感器；
一个接受所述信号并且根据所述信号产生动物的物理状态的指征的控制器单元；和
一个显示所述物理状态的显示器。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器单元产生时变轨迹，该轨迹由多个部分组成，每个部分相应于步的状态，所述轨迹在所述显示器上显示。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述控制器单元产生所述轨迹，所述轨迹具有多个连续部分，每个部分相应于迈步中肢运动的部分。
12.根据权利要求9所述的装置，其中所述显示器显示说明动物跛行的信息。
13.根据权利要求9所述的装置，其中所述显示器显示说明动物表现的信息。
14.根据权利要求9所述的装置，进一步包括多个传感器，每个传感器附着于不同的肢上，并且其中，所述控制器单元产生一个具有多个轴和部分的图，各个轴对应一个肢。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述控制器单元对每一次撞击产生图像元素，所述图像元素具有指征撞击数值的振幅和指征两个肢的撞击之间的不同时限的角度。
16.根据权利要求9所述的装置，其中所述控制器通过将所述的信号与预定的值比较产生所述指征。
17.一种通过其步态识别动物的方法，包括步骤：
将传感器附着到动物的肢上；
通过由于物理运动撞击地面在肢中产生传感作用力；和
分析所述作用力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析包括产生所述信号的时变轨迹。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将多个肢的特征彼此比较。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述分析包括产生多个信号沿着多个轴和象限的图，各个轴对应一个肢。
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