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Glas, Andrea (2008): Vergleichende Untersuchung klinisch gesunder und mit Escherichia coli infizierter Euterviertel von Kühen mittels Infrarotthermographie. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

Ziel dieser Studie ist es, Temperaturverläufe an gesunden und künstlich infizierten (E. coli) Eutervierteln von Milchkühen mithilfe eines infrarotthermographischen Messsystems zu beurteilen. Material und Methodik: Fünf zunächst eutergesunde Milchkühe werden während 48 Stunden ca. alle zwei Stunden infrarotthermographisch untersucht. 24 Stunden nach Beginn des Versuchs wird das jeweils rechte hintere Euterviertel (HR) mittels Injektion einer NaCl-Lösung (2 ml) mit Escherichia coli (250 CFU) infiziert (Infektionsgruppe). Diese Versuche dienen der Ermittlung der Temperaturverläufe an der Euterhaut vor und nach der Infektion, der Detektion thermischer Veränderungen an der Haut eines infizierten Euterviertels im Vergleich zur Oberfläche eines nicht infizierten, kontralateralen Viertels und im Vergleich zur Wärmeverteilung am Referenztag, als das Euter noch gesund war. Weitere 16 eutergesunde Tiere (Kontrollgruppe) werden über einen Zeitraum von 24 Stunden in den gleichen Messintervallen infrarotthermographisch untersucht. Diese Untersuchungen dienen zur Feststellung des physiologischen Verlaufs der Euteroberflächentemperatur im Verlauf eines Tages und etwaigen tageszeitlichen Schwankungen. Ferner soll für beide Gruppen ermittelt werden, inwiefern maschineller Milchentzug die Temperatur der Euterhaut beeinflusst und welche Zusammenhänge zwischen der Rektaltemperatur sowie der Umwelt und der Temperatur der Euteroberfläche bestehen. Verwendet wird eine Infrarotkamera der Serie ThermaCAM® B20 HS (FLIR Systems®) und andere Messinstrumente. Jeweils drei Infrarotbilder pro Messzeitpunkt werden mittels verschiedener Software-Tools (Polygone, Rechtecke, Linien) ausgewertet. Im Zuge der Präzisionsberechnungen wird die Polygon-Methode favorisiert, mit der die Flächen-Minimal- (Fl-Min), -Maximal- (Fl-Max), Differenz zwischen Minimal- und Maximaltemperatur (Fl-Max-Min) und -Durchschnittstemperatur (Fl-DsT) der Messfelder ermittelt werden. Ergebnisse: Beim Vergleich der durchschnittlichen Variationskoeffizienten (± Standardabweichung) der 3er Bildserien der Infektions- und Kontrolltiere (n = 544) zu jedem Messzeitpunkt weisen die Fl-DsT-Werte (0,12 % ± 0,09) die geringste Variation auf (Fl-Max: 0,19 % ± 0,14 und Fl-Min: 0,29 % ± 0,21). Darum werden nur Fl-Max- und Fl-DsT-Werte für weitere Berechnungen verwendet. Die Auswertungsmethode Polygone besitzt die beste Präzision und geringste Standardabweichung, weshalb sie gegenüber den Rechtecken und Linien favorisiert wird. Die Daten sind nicht normalverteilt, weshalb nicht parametrische Tests verwendet werden. Eutergesunde Tiere: Bei eutergesunden Tieren (n = 272) existieren im Durchschnitt nur geringste Temperaturunterschiede zwischen beiden Vierteln während 24 Stunden (Fl-Max 0,12 ± 0,12 °C und Fl-DsT 0,17 ± 0,13 °C). Im Tagesverlauf zeigen einige Tiere morgens niedrigere und abends höhere Temperaturen (v.a. in den Fl-DsT-Werten) mit einem Minimum von -0,42 ± 0,39 °C um 6:30 Uhr und einem Maximum von +0,45 ± 0,58 °C um 21:30 Uhr (im Vergleich zur tierindividuellen mittleren Tagestemperatur). Dies legt die Existenz eines zirkadianen Rhythmus der Eutertemperatur nahe. Durch den morgendlichen maschinellen Milchentzug wird die Temperatur am Euter zum Teil signifikant gesenkt, beim Melken am Abend steigt die Temperatur leicht an. Die Reaktion ist allerdings individuell sehr unterschiedlich. In einem gemischten Modell weist die Rektaltemperatur einen engeren Bezug zur Euterhaut-Temperatur auf als die Umgebungstemperatur. Dabei werden beide Viertel in gleichem Ausmaß von der Rektal- und in ähnlichem Maß von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Die Luftfeuchtigkeit ist nicht relevant. Tiere mit induzierter Mastitis: Nach Infektion (p.i.) des Euterviertels HR zeigen beide Viertel einen signifikanten Temperaturanstieg zwischen 13 bis 17 Stunden p.i., im Vergleich zu den Referenzwerten am Vortag, als das Euter noch gesund ist: Durchschnittliche Maximaltemperatur der Fl-Max 13 Stunden p.i.: HR (E. coli) = 1,98 ± 0,59 °C und HL (Placebo) = 1,93 ± 0,62 °C (p = 0,04 für beide). Die Fl-Max-Werte beider Viertel unterscheiden sich auch nach der Infektion nicht signifikant. Die Verläufe der Fl-DsT-Messwerte nach der Infektion differieren: Die Oberfläche des infizierten Viertels (HR) ist zwischen 11 und 19 Stunden p.i. (mitunter signifikant) kühler als die des gesunden, kontralateralen Viertels; der Höhepunkt der Differenz wird 13 Stunden p.i. erreicht (-0,89 ± 0,64 °C). Die obere Toleranzgrenze der Fl-Max-Werte beträgt 38,77 °C, die der Fl-DsT-Werte 37,53 °C im Vergleich zum Referenztag (Sensitivität 87 % und 60 %). Das Toleranzintervall reicht für Differenzen zwischen HR und HL für Fl-Max-Werte von -0,46 bis 0,29 °C, für Fl-DsT-Werte von -0,7 bis 0,49 °C (Sensitivität 27 und 40 %). Melken verändert die Eutertemperatur nach der Infektion ähnlich wie bei den eutergesunden Tieren, jedoch nicht signifikant. Allerdings existieren auch hier individuelle Unterschiede. Die Luftfeuchtigkeit hat auch nach der Infektion keinen Bezug zur Euterhaut (gemischtes Modell). Die Rektaltemperatur weist einen engeren Bezug zur Euterhauttemperatur auf als die Umgebungstemperatur auf. Fazit: Nach experimenteller Infektion eines Euterviertels mit Escherichia coli können entzündungsbedingte, signifikante Temperaturänderungen mittels Infrarot-thermographie gemessen werden.

Abstract

The aim of this study was to evaluate the course of thermographic patterns of the udder skin of udder-healthy cows and after experimentally induced inflammation with Escherichia coli (E. coli). Materials and Methods: In five udder-healthy cows thermographic pictures are taken every two hours during a period of 48 hours. 24 hours after beginning of the trial the right hind quarter (HR) is infected by inoculation of 2 ml of a suspension of E. coli in physiological saline (250 CFU) – infection group. These examinations serve for detecting thermal courses and changes at udder skin before and after infection, comparing the infected and the non-infected contralateral quarter and comparing the day of the inflammation with the day when the udder was still healthy. Another 16 udder-healthy cows are evaluated every two hours, as well, during 24 hours (control group) for determining the physiological course of the udder skin temperature and circadian rhythm during the day. Besides, they are included in the evaluation of precision. In addition to that influence of machine-milking (twice a day) is determined for both groups and reference to rectal temperature, ambient temperature and humidity and temperature of udder skin as well. Thermography is performed using a ThermoCAM® B20 HS (FLIR Systems®) and other devices. At each examination a series of three pictures is evaluated using different software tools (polygones, boxes, lines). After calculating precision the polygon-method is preferred and it is used for determination of minimum- (minT), maximum- (maxT), maximum – minimum (range)- and mean temperature (meanT) of each measuring field. Results: By comparing the mean ± standard deviation from the coefficients of variation of series of three consecutive pictures of the infected and control cows (n = 544), precision was best for mean temperature (0.12 % ± 0.09), compared to maxT (0.19 % ± 0.14) and minT (0.29 % ± 0.21). Because of that only maxT and meanT are used for further evaluations. Precision and standard deviation are also best for the polygons, so they are favoured over boxes and lines. The data are not distributed normally, so non-parametric tests are used. Control group (udder-healthy): Differences between hind quarters of individual measurements (n = 272) during 24 hours are very little (maxT 0.12 ± 0.12 °C ; meanT 0.17 ± 0.13 °C). In the morning some cows show lower and in the evening higher temperatures (especially in meanT) with a minimum of -0.42 ± 0.39 °C at 6:30 am and a maximum of +0.45 ± 0.58 °C at 9:30 pm (compared to an individual mean temperature calculated for 24 hours). This proves the existence of circadian rhythms of udder skin temperature. Udder temperature is minimally reduced by machine-milking in the morning but increased in the evening. But the reaction differs individually. Mixed models show a closer reference to udder temperature than ambient temperature. Both quarters are influenced by rectal and ambient temperature in the same amount, nearly. Relative humidity is not relevant. Cows with experimentally induced udder inflammation (infected group): After infection (pi) of the right hind quarter both quarters show a significant elevation in temperature, which is more pronounced in maxT than in meanT between 13 and 17 hours pi compared to values measured 24 hours before (maxT at 13 hours pi: infected quarter 1.98 ± 0.59 °C; uninfected quarter 1.93 ± 0.62 °C; p = 0.04 for both). Differences between hindquarters in maxT are not significant at any time point after infection but in meanT: The surface of the infected quarter is (sometimes significantly) cooler between 11 and 19 hours pi than the healthy contralateral one. Peak is reached 13 hours pi (-0.89 ± 0.64 °C). Upper tolerance limit relating to reference day in maxT is 38.77 °C and 37.53 °C in meanT (sensitivity 87 % and 60 %). Tolerance interval for differences between HR and HL in maxT is -0.46 to 0.29 °C, in meanT -0.7 to 0.49 °C (sensitivity 27 % and 40 %). Machine milking changes udder temperature after infection similar to udder healthy cows, but not significantly. There are again individual differences. Humidity is not relevant exerting influence on udder temperature after infection either (mixed models). Rectal temperature shows closer relation to udder temperature than ambient temperature. Conclusions: After experimentally invoked infection of the udder with E. coli significant changes due to inflammation can be measured by infrared thermography.