Screening of febrile cows using a small handheld infrared thermography device

Abstract

Objective As dairy herds increase in size, close monitoring of health becomes a necessity, but this is expensive and labour-intensive. Early detection of febrile diseases is essential for economical and welfare reasons and to prevent the spread of disease. The goal of this study was therefore to evaluate a mobile, non-invasive technique for measuring the body temperature of cows that precludes the need for restraint of the animals.

Materials and methods An infrared thermographic imaging camera installed on a smart phone was used to measure the surface temperature of cows. In experiment 1, a metal block heated to defined temperatures was used to obtain infrared thermographic measurements (THM). The accuracy of THM made at different distances from the block and at 2 different ambient temperatures was determined. In experiment 2, non-febrile cows underwent infrared thermographic imaging, and the body regions with the highest correlations between thermographic and rectal temperature were identified. In experiment 3, THM were made in febrile and neighbouring non-febrile cows.

Results In experiment 1, the thermographic and true temperatures of the block had the strongest relationships at 0.5 and 1.0 m (r = 0.98). The ambient temperature had a significant effect on the THM, which had larger variations and greater deviations from the block temperature at 14.8 °C than at 23.8 °C. In experiment 2, the maximum temperature at the eye (r = 0.37), THM at the muzzle (r = 0.28) and the medial canthus (r = 0.27) showed the strongest relationships with the rectal temperature. After correcting the THM with the mean difference between thermographic and rectal temperatures of the non-febrile cows, sensitivities of 88, 90 and 82 %, respectively, were calculated for THM at the muzzle, eye and medial canthus in febrile cows in experiment 3. The corresponding specificities were 6, 23 and 32 %.

Conclusion and clinical relevance Based on the low specificities of the infrared THM, the thermographic imaging camera has limited usefulness for the mass screening of dairy cows for febrile conditions. Cattle falsely identified as febrile need to be separated, caught and re-examined, which causes unnecessary stress to the animal and increases labour input.

Zusammenfassung

Ziel Mit zunehmenden Bestandsgrößen wird ein engmaschiges Gesundheitsmanagement unumgänglich, aber aufwendiger. Die frühzeitige Erkennung fieberhafter Erkrankungen ist dabei essenziell, um deren Ausbreitung zu verhindern. Ziel dieser Untersuchung war, eine mobile, nicht invasive Methode zur Messung der Körpertemperatur zu evaluieren, die keine Fixation der Tiere erfordert.

Material und Methoden Getestet wurde eine mit einem Mobiltelefon verbundene Infrarotkamera, mit der thermografisch die Oberflächentemperatur eines Objekts bestimmt werden kann. Im ersten Schritt erfolgten Infrarotmessungen (IR-Messungen) an einem auf verschiedene Temperaturen (25–45 °C) erhitzten Metallblock. Die Genauigkeit der Messung bei verschiedenen Abständen (0,5–5 m) und 2 Umgebungstemperaturen (14,7 °C und 23,8 °C) wurde bestimmt. Im zweiten Schritt wurde bei Kühen ohne Fieber (< 39,3 °C, n = 30) die Körperregion gesucht, deren Temperatur in der IR-Messung die höchste Korrelation zur Rektalmessung zeigte. Hierzu dienten Messungen in einem Abstand von 0,5 und 1 m an Flotzmaul, Auge, Flanke, Kronsaum, Euter und Schwanzbereich. An den 3 Stellen mit der höchsten Korrelation wurden die Messungen anschließend bei Kühen mit Fieber (n = 34) und deren fieberfreien Nachbarkühen (n = 23) durchgeführt. Bland-Altman-Plots wurden erstellt und Regressionsanalysen, Klassifikations- sowie Kappa-Tests berechnet.

Ergebnisse Die Ergebnisse der IR-Messung korrelierten bei einem Abstand von 0,5 m und 1 m am engsten mit den entsprechenden Temperaturen des Metallblocks (jeweils r = 0,98). Neben dem Abstand hatte die Außentemperatur einen signifikanten Einfluss auf die Messung. So variierten die Messergebnisse bei einer Außentemperatur von 14,8 °C stärker und wichen deutlicher von der Blocktemperatur ab als bei 23,8 °C. Bei den Kühen ohne Fieber wies die Maximaltemperatur am Auge sowie die Temperatur am medialen Augenwinkel und am Flotzmaul die höchsten Korrelationen (r = 0,37 bzw. 0,27 bzw. 0,28) zur rektal bestimmten Körpertemperatur auf. Nach Korrektur der IR-Messergebnisse mit der mittleren Abweichung zwischen der IR- und der Thermometermessung bei den gesunden Kühen ergab sich eine Sensitivität der IR-Messungen von 88 % am Flotzmaul, von 90 % am Auge und 82 % am medialen Augenwinkel zur Erkennung von Kühen mit Fieber. Allerdings lag die Spezifität bei 6 %, 23 % bzw. 32 %.

Schlussfolgerung und klinische Relevanz Aufgrund der niedrigen Spezifität der IR-Messungen mit dem Wärmebild-Kameramodul sind diese nur begrenzt geeignet, um ein Screening nach Kühen mit Fieber durchzuführen. Die falsch-positiv detektierten Tiere müssten jeweils fixiert und nachuntersucht werden, was ein erheblicher zusätzlicher Aufwand für das Betreuungspersonal und Stress für die Tiere wäre.

Key words

Infrared thermography - smart phone - health monitoring - fever - body regions - surface temperature

Schlüsselwörter

Infrarot-Thermografie - Smartphone - Gesundheitsüberwachung - Fieber - Körperregionen - Oberflächentemperatur

Publication History

Received: 14 April 2020

Accepted: 14 August 2020

Article published online:
15 February 2021

• References

• 1 Barkema HW, von Keyserlingk MAG, Kastelic JP. et al. Invited review: Changes in the dairy industry affecting dairy cattle health and welfare. J Dairy Sci 2015; 98: 7426-7445
• 2 Chiang M-F, Lin P-W, Lin L-F. et al. Mass Screening of Suspected Febrile Patients with Remote-sensing Infrared Thermography: Alarm Temperature and Optimal Distance. J Formos Med Assoc 2008; 107: 937-944
• 3 Johnson SR, Rao S, Hussey SB. et al. Thermographic Eye Temperature as an Index to Body Temperature in Ponies. J Equine Vet Sci 2011; 31: 63-66
• 4 Schaefer AL, Cook N, Tessaro SV. et al. Early detection and prediction of infection using infrared thermography. Can J Anim Sci 2004; 84: 73-80
• 5 Schaefer AL, Cook NJ, Bench C. et al. The non-invasive and automated detection of bovine respiratory disease onset in receiver calves using infrared thermography. Res Vet Sci 2012; 93: 928-935
• 6 Schaefer AL, Cook NJ, Church JS. et al. The use of infrared thermography as an early indicator of bovine respiratory disease complex in calves. Res Vet Sci 2007; 83: 376-384
• 7 Scherf L, Kretschmann J, Fischer M. et al. Thermographische Erfassung der Oberflächentemperatur im Kopfbereich von Kälbern unter Stallbedingungen. Schweiz Arch Tierheilkd 2019; 161: 649-658
• 8 Church JS, Hegadoren PR, Paetkau MJ. et al. Influence of environmental factors on infrared eye temperature measurements in cattle. Res Vet Sci 2014; 96: 220-226
• 9 Stelletta C, Gianesella M, Vencato J. et al. Thermographic Applications in Veterinary Medicine. In: Prakash RV. ed. Infrared Thermography: IntechOpen. 2012
• 10 Hoffmann G, Schmidt M, Ammon C. et al. Monitoring the body temperature of cows and calves using video recordings from an infrared thermography camera. Vet Res Commun 2013; 37: 91-99
• 11 McCafferty DJ. The value of infrared thermography for research on mammals: previous applications and future directions. Mammal Rev 2007; 37: 207-223
• 12 FLIR. Specifications. https://wwwflircom/support/products/flir-one-gen-2#Specifications Accessed: 22.11.2018
• 13 Ng EYK. Is thermal scanner losing its bite in mass screening of fever due to SARS?. Med Phys 2004; 32: 93-97
• 14 Ring EFJ, Jung A, Kalicki B. et al. New standards for fever screening with thermal imaging systems. In: Ring EFJ, Ammer K. eds. Infrared Imaging – A Casebook in Clinical Medicine. IOP Publishing; 2015: 1-11
• 15 Hurnik JF, Webster AB, DeBoer S. An investigation of skin temperature differentials in relation to estrus in dairy cattle using a thermal infrared scanning technique. J Anim Sci 1985; 61: 1095-1102
• 16 Cheung M, Chan L, Lauder IJ. et al. Detection of body temperature with infrared thermography: accuracy in detection of fever. Hong Kong Med J 2012; 18 (Suppl. 03) 31-34
• 17 Burfeind O, von Keyserlingk MA, Weary DM. et al. Short communication: repeatability of measures of rectal temperature in dairy cows. J Dairy Sci 2010; 93: 624-627
• 18 Bernard V, Staffa E, Mornstein V. et al. Infrared camera assessment of skin surface temperature – Effect of emissivity. Phys Med 2013; 29: 583-591
• 19 Soroko M, Howell K. Infrared Thermography: Current Applications in Equine Medicine. J Equine Vet Sci 2018; 60: 90-96
• 20 Head MJ, Dyson S. Talking the temperature of equine thermography. Vet J 2001; 162: 166-167
• 21 Nguyen AV, Cohen NJ, Lipman H. et al. Comparison of 3 infrared thermal detection systems and self-report for mass fever screening. Emerg Infect Dis 2010; 16: 1710-1717
• 22 Priest PC, Duncan AR, Jennings LC. et al. Thermal image scanning for influenza border screening: results of an airport screening study. Plos One 2011; 6: e14490