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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, mittels beweglicher Anordnung von Messelektroden die Bioimpedanz von Schweinen zu registrieren.
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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Bioimpedanz mittels spezieller beweglicher Anordnung der Messelektroden während der Fütterung und/oder der Wasseraufnahme der Schweine.
- 1. Landwirte eines Schweinemastbetriebs unterliegen als Vertragspartner der Schlachthöfe vertraglich festgelegten Bedingungen, wie der Einhaltung der Gewichtsklasse und des Schlachttermins. Zudem hat die Fleischqualität, die unter anderem durch das Fett-Muskel-Verhältnis bestimmt wird, einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe des Ertrags. Die Schweinemast erfolgt zu ca. 95% in konventioneller Stallhaltung in Kleingruppen.
- 2. Zur Überwachung des Mastverlaufs in Kleingruppen steht dem Landwirt nur ein mobiles mechanisches Wägesystem zur Verfügung. Dieses kommt in Stallgassen zum Einsatz; die Tiere werden zur Einzelwägung an bestimmten Wägetagen in die Einrichtung getrieben. Dieser Umstand ist mit großem personellem Aufwand verbunden und bedeutet für die Tiere neben Stress auch eine hohe Verletzungsgefahr infolge von Panik. Erfasst wird hierbei lediglich das Lebendgewicht der Tiere. Eine Beurteilung der Körperkonstitution kann bestenfalls visuell durch den Landwirt erfolgen.
- 3. Eine andere Möglichkeit zur Überwachung der Gewichtszunahme stellt die Gruppenwägung einer Mastschweinegruppe dar. Hier kann jedoch keine Einzeltierbeurteilung erfolgen, ein unter- oder überdurchschnittlicher Ansatz einzelner Schweine wird nicht erfasst. Das Messergebnis ist auch hier lediglich eine Angabe von Lebendgewicht, eine Beurteilung der Körperkonstitution ist noch weniger möglich als bei der mechanischen Einzeltierwägung.
- 4. Für die Haltung in Großgruppen stehen dem Landwirt Sortierschleusen wie beispielsweise optiSORT® der Fa. Hölscher + Leuschner zur Verfügung. Sie stellen ein stationäres Wäge- und Kamerasystem mit integrierter Bildverarbeitung dar. Hier erfolgt neben der Wägung auch ein Body-Scoring. Ein spezielles Bildverarbeitungsprogramm beurteilt die Körperkonstitution anhand biometrischer Daten entlang der Rückenlinie (Fa. Hölscher + Leuschner). Es kann jedoch keine Aussage über das Fett-Muskel-Verhältnis der Tiere erfolgen.
- 5. Weiter besteht die Möglichkeit, den Mastverlauf mittels Ultraschallmesstechnik zu beurteilen. Hier erfolgt eine sonographische Messung der Rückenspeckdicke an der Futterabrufstation mittels Roboterarm (Bockisch et al. 2004). Das System ist in Anschaffung und Wartung sehr kostenintensiv und wie die Sortierschleusen für eine Mastschweinehaltung in Großgruppen ausgerichtet. Des Weiteren kann die Rückenspeckdicke nur einen eingeschränkten Eindruck von dem Fett-Muskel-Verhältnis des gesamten Körpers liefern. Eine tägliche Kontrolle der erwünschten Masttageszunahme des Einzeltieres von > 800 g (Wähner 2011) bei gleichzeitiger Verlaufskontrolle des Fett-Muskel-Verhältnisses des Tierkörpers ist derzeit nicht möglich
- 6. Für den Humanbereich sind Bioimpedanz-Messsysteme in verschiedener Ausführung bezüglich der Anzahl, Anordnung und Ausführung der Messelektroden bzw. des damit verbundenen Messprinzips (Vierleitermessung, Zweileitermessung) üblich. Die Messung der Bioimpedanz erfolgt vor allem für die Feststellung des Fitnesszustandes bzw. im Zusammenhang mit einer Gewichtskontrolle zur Bestimmung des Fettanteils im Körper. Die Messung erfolgt in der Regel im Zusammenhang mit der Messung des Körpergewichts. Dabei steht die zu messende Person ruhig auf einer Waage.
- 7. Kasahara & Shiokawa (2004) beschreiben in ihrer Patentanmeldung EP 1 452 132 A2 „Animal health care system” ein Vierleitermesssystem zur Messung der Körperimpedanz mit fest angeordneten Elektrodenpads, bei der jedes Pad selbst mehrere an den Spitzen abgerundete Nadelelektroden enthält, um vor allem für die Messung bei Hunden durch das Fell einen Hautkontakt herzustellen. Das Tier liegt dabei möglichst unbeweglich auf der Messeinrichtung.
- 8. In ihrer Patentanmeldung EP 1 537 778 A2 beschreiben Kasahara & Shiokawa (2004) ein Messgerät zur Körperfettmessung – eine ähnliche Vorrichtung, bei der aber die Elektrodenpads in Handschuhe für eine Person integriert sind, die die Bioimpedanzmessung am Tier ausführen soll. Dazu werden die Tiere auf eine Elektrodenanordnung auf dem Boden gestellt, so dass die Füße (Sohlen) der Tiere und die am Rumpf der Tiere anliegenden Handschuhelektroden das Messsystem darstellen. Hier ist durch die Beweglichkeit der Handschuhelektroden eine begrenzte Bewegung der Tiere möglich.
- 9. Okawa et al. (2005) nutzen in ihrer Patentanmeldung eine feststehende Elektrodenanordnung von zylindrischen abgerundeten Elektroden, die mit leichtem Druck manuell auf die Hautoberfläche eines Hundes gedrückt werden. Bei dichtem Fell wird die Messung der Bioimpedanz bei Hunden wesentlich erschwert. Zur Verbesserung der Übergangswiderstände zwischen den Elektroden und der Haut wird durch zwischen den Elektroden liegende Düsen Gel gedrückt ( EP 1 862 113 A1 ).
- 10. Von der Emme Company (USA) wurde 1975 ein Patent zur Messung des Gewebeinhalts von Tieren angemeldet ( US Patent 1 398 735 ), bei dem die Veränderung der dielektrischen Eigenschaften in einem Magnetfeld analysiert werden. Dabei müssen die Gewebeproben oder Tierkörper ähnlich wie bei einer CT in einer entsprechend groß dimensionierten Röhre unbeweglich liegen.
- 11. Um Messfehler bei kabelgebundenen Bioimpedanz-Messgeräten zu verhindern oder zu minimieren, haben Brown & Tidy 2005 ( GB Patent 2 426 824 A ) ein Patent angemeldet, bei dem die Messung der Bioimpedanz in einem Teststab mit fester Anordnung von Knopfelektroden nach dem Vierleitersystem erfolgt und die Messergebnisse via Telemetrie übertragen werden.
- 12. Ein Zweileitermesssystem zur Bestimmung der Bioimpedanz nutzen Nakato et. al (2001) in ihrer Patenanmeldung für ein Messsystem zur Bestimmung der Leitfähigkeit und des Körperfetts ( JP Patent 2003144005 A ). Dabei werden zwei Elektrodenpads, die jeweils ein Set aus Nadelelektroden enthalten, in einen Handschuh integriert.
- 13. Cha (2012, Korea-Patent 1020120012257 A ) hat ein Vierleitermesssystem bestehend aus Elektrodenpads mit Mehrfachpunktelektroden zum Patent angemeldet. Dabei sollen die Vielzahl der Punktelektroden Messfehler bei Bewegungen des zu messenden Systems (Tier) möglichst ausgleichen. Größere Tierbewegungen wie etwa das Laufen des Tieres sind nicht möglich.
- 14. Toole & Wade (1973, US-Patent 3,851,641 ) haben ein System zur Messung der Impedanz von Körperteilen eines Tieres angemeldet. In einem Zweileitermesssystem für Humanmessungen werden mit zwei unterschiedlichen Messfrequenzen die in-phase befindlichen Anteile bei der Auswertung benutzt, um die außer-phase befindlichen Anteile zu eliminieren. Anschließend werden die resultierenden in-phasen-Anteile von den anderen subtrahiert, um nur die interne Impedanz eines Teils zu bestimmen.
- 15. Morgan et. al (2004, WO 2004032612 A1 ) nutzen vier Elektrodenpads in einem Vierleitersystem zur Messung des Körperfettanteils. Die vier Elektrodenpads bestehen aus je einem mäanderförmigen Elektrodenarray, um den Kontakt zur Hautoberfläche herstellen. Die Impedanzmessung erfolgt nacheinander wechselnd zwischen den zwei vorderen zu je einem der hinteren Elektrodenpads. Die Berechnung der Körperzusammensetzung erfolgt aus den Daten der einzelnen Messungen.
- 16. Zur Erfassung der Körperkonturen von Schweinen wurde von Leuschner, P (2010) ein Verfahren zur Überwachung von Schweinen, EP 2168430 A1 , angemeldet. Dabei werden die metrischen Abmaße aus einer Bildanalyse gewonnen.
- 17. Alle recherchierten und bekannten Bioimpedanz-Messsysteme verwenden entweder starre bzw. unbewegliche Elektrodensysteme oder bewegliche Elektrodensysteme, die an eine messende Person gekoppelt sind. Größere Bewegungen des Tieres während der Messungen verursachen damit zahlreiche Messfehler, die nicht korrigiert werden können. Unter landwirtschaftlichen Haltungsbedingungen sind die bisherigen Systeme nicht einsetzbar, da sie entweder bei Schweinen nicht angewendet werden können, Messfehler verursachen oder eine Bedienung durch den Menschen erfordern. Unter landwirtschaftlichen Haltungsbedingungen ist die Möglichkeit gegeben, die Fütterung bzw. Tränke in einer Box vorzunehmen. In dieser ist die Beweglichkeit der Tiere zwar eingeschränkt aber möglich.
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In der Erfindung wird eine Anordnung von Elektroden beschrieben, die es ermöglicht, die Bioimpedanz eines Schweines während der Fütterung oder der Tränke in einer Box auch bei Bewegung des Tieres zu messen. Die Messung erfolgt durch ein neuartiges System zur beweglichen Anordnung von Elektroden in Form von Bürstenwalzen, die durch Rotation der Bürstenwalzen und Translation der Bürstenwalzen eine Bewegung in allen drei Raumkoordinaten gestattet, sich während der Messung der Bioimpedanz der Bewegung eines Tieres anpasst und gleichzeitig einen fortwährenden Hautkontakt gestattet.
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In vielen Messanordnungen wird die Bioimpedanz mittels Vierleitertechnik bestimmt. Aus der Bioimpedanz kann bei Kenntnis der Messstrecke sowie des Gewichtes des Tieres der Fettanteil bestimmt werden (Liedtke 1997). 3 zeigt das Prinzip der Messung der Bioimpedanz mittels Vierleitertechnik. Dabei wird über den Messanschluss M1 mittels eines Signalgenerators (19) ein Wechselstrom in den Tierkörper (1) eingespeist und im Messsystem (20) die Stromstärke des durch das Tier fließenden Stromes bestimmt. Über die Messanschlüsse M2 und M3 erfolgt eine Spannungsmessung der über den Tierkörper (1) abfallenden Spannung durch das Messsystem (20). Aus der Strom- und Spannungsmessung wird die Bioimpedanz des Tierkörpers bestimmt. Die Zuleitungswiderstände der Messanschlussleitungen fallen bei der Vierleitertechnik nicht ins Gewicht.
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Um eine Messung der Bioimpedanz bei sich bewegenden Tieren zu ermöglichen, wird folgende technische Lösung dargestellt (1 und 2): Die Messung der Bioimpedanz erfolgt während der Fütterung oder der Tränke in einer speziellen Box (5). In dieser Box (5) sind die Anordnung zur Messung der Bioimpedanz, eine Waage zur Gewichtsbestimmung und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Länge (14) und Höhe (13) des Tieres sowie die Wegmessgeber (10) und Drehwinkelgeber (12) zur Bestimmung der Messstrecke (s) integriert. Das Tier geht freiwillig zur Fütterung oder Tränke in die Box.
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Um einen fortwährenden und annähernd gleichmäßigen Elektrodenandruck bei sich bewegenden Tieren bzw. Tierkörpern zu erreichen, sind 4 elektrisch leitfähige Bürstenwalzen (2, 2a), die als Elektroden dienen, so angeordnet, dass sich ihre Oberfläche in allen drei Raumkoordinaten x, y und z gegenüber der Oberfläche des Tierkörpers (1) bzw. Bewegungen des Tierkörpers anpassen kann. Die Bürstenwalzen (eine mögliche Ausführung zeigt 1(2a)) sind rotationsfähig mittels einer Achse (9) im Messbügel (3) gelagert. Damit wird bei Bewegung des Tieres in Längsrichtung der Box (5) (z-Achse) ein ständiger Andruck an die Haut des Tierkörpers erreicht, ohne dass die auf der Bürstenwalze (2, 2a) befindlichen Drahthaare den Tierkörper (1) reizen oder schädigen. Die Drahthaare sind aus elektrisch leitfähigem niederohmigen Material (z. B. Edelstahl) gefertigt und verfügen über eine entsprechende Federkraft, so dass jedes einzelne Drahthaar selbst einen gewissen Andruck auf die Hautoberfläche des Tierkörpers (1) erzeugt. Die Dichte der Drahthaare pro cm2 wird so gewählt, dass einerseits die mögliche Reizung der Hautoberfläche minimiert wird, andererseits aber ein Durchdringen der Drahthaare der Bürstenwalzen durch die vorhandenen Borsten der Tierhaut (z. B. bei Schweinen) erreicht wird. Der Messbügel (3) ist in einem Kippgelenk (8) kippbar in der y-Achse gelagert. Durch diese kippbare Lagerung passt sich die Oberfläche der Bürstenwalze (2) optimal an die Form des Tierkörpers (1) an. Das Kippgelenk (8) ist an der Federstange (4) befestigt. Die Federstange (4) ist in der x-Achse mittels einer Feder (7) federnd gelagert. Die Feder (7) ist so vorgespannt, dass die Federkraft zum Andruck der Bürstenwalze im linearen Bereich der Federkennlinie zum Einsatz kommt. Durch die Lagerung aller vier Bürstenwalzen (2) auf diese Art und Weise wird sowohl bei Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Tieres (z-Achse), bei seitlicher Bewegung (x-Achse) oder bei Bewegung in der vertikalen Richtung (y-Achse) ein gleichmäßiger und optimaler Andruck der Elektroden (Bürstenwalzen) (2) erreicht.
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Zur Bestimmung des Anteils des Körperfettanteils wird die mittlere Messstrecke zwischen den Elektroden benötigt. Das hintere linke Ende der linken Federn (7) bzw. das rechte hintere Ende der rechten Federn (7) ist jeweils mit einem Wegmesssensor (10) gekoppelt. Aus den Weginformationen der Wegmesssensoren (10) und den mechanischen Abmessungen der Box (5) sowie der Länge der Federstangen (4) und den Abmessungen der Kippbügel (3) und der Bürstenwalze (2) kann die mittlere Messtrecke s zwischen den Elektroden, hier ausgeführt als Bürstenwalze (2), berechnet werden. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Messung der mittleren Messtrecke s (1) können in den Kippgelenken (8) und der Federstange (4) Drehwinkelgeber (12) so angeordnet sein, dass die Entfernung vom jeweiligen Kippgelenk (8) zur Hautoberfläche des Tieres genau bestimmt werden kann.
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Die Elektrodenanordnung (18), bestehend aus Federstange (4), Feder (5), Kippbügel (3) und Bürstenwalze (2, 2a) mit Achse (9), ist gegenüber der Box (5) bzw. dem Abdecktopf (6) elektrisch isoliert gelagert. Die Elektrodenanordnung (18) ist jeweils über eine Messleitung (11) mit dem jeweiligen Messanschluss M1...M4 verbunden.
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Die Elektrodenanordnung (18) kann vor Beginn der Messung am Tier manuell mechanisch oder elektromechanisch so im Gehäuse der Box (5) versenkt werden, dass beim Hineinlaufen des Tieres in die Box die Elektrodenanordnung vom Tier nicht gesehen bzw. als störend empfunden wird oder das Hineinlaufen behindert. Die Messung der Bioimpedanz beginnt, wenn das Tier vollständig in der Box steht und zu fressen oder trinken beginnt. Dazu kann ein Sensorsystem benutzt werden, dass in der Nähe des Futterbehälters (19) oder der Tränke (19) in der Box (5) installiert ist und dementsprechend einen Impuls an das Bioimpedanz-Messsystem (bestehend aus den Positionen 18, 19 und 20, 2) zu Beginn der Messung gibt (z. B. durch Erkennung des Tieres mittels eines in einer Ohrmarke (17) integrierten RFID-Transponders und des dazugehörigen RFID-Transceivers (16) oder anderer Systeme). Bei Nutzung eines RFID-Systems mit integrierter Tiernummer können die Messdaten des Bioimpedanz-Messsystems dem gemessenen Tier zugeordnet werden.
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In einer zusätzlichen Messeinrichtung (13) wird die Höhe des Tierkörpers h3 (1) gegenüber der Bodenplatte (5a) der Box (5) gemessen. Die Messung kann z. B. optisch (mittels Reflexionsmessung) oder akustisch (mittels Ultraschall) erfolgen. Das Ergebnis der Messung der Tierkörperhöhe h3 (1) wird der Stelleinrichtung (14) mitgeteilt. Die Stelleinrichtung (14) optimiert die vertikale Position (Höhe h1 bzw. h2) der in den Abdeckhauben (6) angebrachten Elektrodenanordnungen (18), so dass Tiere mit unterschiedlichen Größen (hier Tierkörperhöhen) gemessen werden können. Die Höhenverstellung kann auch manuell erfolgen.
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In einer weiteren zusätzlichen Messeinrichtung (14) wird z. B. mit Hilfe von Infrarot- oder Ultraschallsensoren die Länge des in der Box (5) befindlichen Tieres gemessen. Mittels einer mechanischen oder elektromechanischen Stellvorrichtung (15) werden unter Nutzung der Information über die Länge des Tieres die Position der Elektrodenanordnungen (18) so in der Längsrichtung der Box (5) (z-Achse) verschoben, dass die Bioimpedanz von Tieren verschiedener Körperlänge an den annähernd gleichen Stellen des Tierkörpers, bezogen auf die Länge des Tieres, gemessen werden kann. Dazu wird mittels der Stellvorrichtung (15) der entsprechende Abstand a (2) eingestellt.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1–Fig. 3:
- 1
- Tierkörper
- 2, 2a
- Bürstenwalze
- 3
- Kippbügel
- 4
- Federstange
- 5
- Box
- 5a
- Bodenplatte der Box
- 6
- Abdeckung
- 7
- Feder
- 8
- Kippgelenk
- 9
- Bürstenachse
- 10
- Wegmesssensor
- 11
- Messleitung
- 12
- Drehwinkelmessgeber
- 13
- Messeinrichtung zur Messung der Tierkörperhöhe
- 14
- Stellvorrichtung zur Einstellung der Höhe h1 der unteren Elektrodenanordnungen 18 und der Einstellung der Höhe h2 der oberen Elektrodenanordnungen 18
- 15
- Stellvorrichtung zum Verstellen der Elektrodenanordnung (18) in der z-Achse der Box (5)
- 16
- RFID-Transmitter
- 17
- Ohrmarke mit RFID-Transponder
- 18
- Elektrodenanordnung bestehend aus Position 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12
- 19
- Futtertrog/Futterautomat und/oder Tränke
- 20
- Messsystem
- a
- Abstand der Elektrodenanordnungen vom Eingang der Box
- h1
- Abstand der unteren Elektrodenanordnung 18 von der Bodenplatte 5a der Box
- h2
- Abstand der oberen Elektrodenanordnung 18 von der Bodenplatte 5a der Box
- h3
- Höhe des Tierkörpers 1 gegenüber der Bodenplatte 5a der Box
- s
- mittlere Messstrecke zur Bestimmung des Körperfettanteils
- M1...M4
- Messanschlüsse 1 bis 4
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1452132 A2 [0002]
- EP 1537778 A2 [0002]
- EP 1862113 A1 [0002]
- US 1398735 [0002]
- GB 2426824 A [0002]
- JP 2003144005 A [0002]
- KR 1020120012257 A [0002]
- US 3851641 [0002]
- WO 2004032612 A1 [0002]
- EP 2168430 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bockisch et al. 2004 [0002]
