Создание интеллектуальной системы диагностирования ацидоза рубца у коров. Часть 1: Формализация задач

Введение. Сохранение поголовья крупного рогатого скота (КРС) на фермах и в частных хозяйствах является важнейшей задачей российского агропромышленного комплекса. Для борьбы с инфекциями выполняется обработка пастбищ, дезинфекция стойл и другие мероприятия, однако незаразные заболевания могут никак не проявляться до того момента, пока заболевание не перейдет в тяжелую стадию. К таким патологиям относится ацидоз рубца у коров — распространенное заболевание, которое наносит огромный ущерб сельскому хозяйству. Выявить ацидоз рубца сразу довольно сложно даже ветеринарному врачу с многолетним опытом. Этой проблеме посвящен ряд исследований [1–4], где рассмотрены вопросы раннего диагностирования ацидоза и предложены рекомендации по совершенствованию этого процесса.

Ацидоз характеризуется повышенной кислотностью pH содержимого рубца, которая появляется из-за нарушения обмена веществ, когда в рационе животного низкое содержание твёрдой пищи или её отсутствие. Важным условием для успешного лечения любого заболевания является точный и ранний диагноз. Ацидоз рубца у коров на начальном этапе заболевания может быть схож с атонией и гипотонией преджелудков, а при профилактике или лечении иногда может быть ошибочно принят за алкалоз. При позднем выявлении ацидоза или уже в запущенной стадии могут быть последствия, показанные на рис.1.

Массовость заболевания, риск поздней или неверной постановки диагноза (из-за схожести симптоматики с другими патологиями) делает задачу совершенствования процесса диагностирования ацидоза рубца весьма актуальной. Поскольку неопределенность показателей играет существенную роль в этой задаче, представляется наиболее эффективным ее решение с использованием современных методов, учитывающих и формализующих неопределенности, — т. е. методов интеллектуальных систем. На сегодня известен опыт применения в ветеринарии таких систем. Например, в работе [2] приведены математические основы теории нечетких множеств и на языке Python решена задача с использованием метода Сугено — авторы рекомендуют использование тестов интеллектуальной системы «Эйдос-Х++» без программирования для массового диагностирования и в учебном процессе. В работах [3][4] упоминается, как искусственный интеллект обнаружил ряд ошибок ветеринарных врачей. Тем не менее отсутствие достаточно развитых методов оценки развития патологии на основе математического аппарата не позволяет эффективно использовать современные интеллектуальные системы в России.

В связи с вышеизложенным, целью нашего исследования, состоящего из двух частей, является создание интеллектуальной системы диагностирования ацидоза рубца у коров на основе концепции нечеткой логики. В первой части мы планируем формализовать задачи диагностирования ацидоза. Для этого потребуется:

1) обосновать комплекс диагностических параметров;

2) выполнить содержательную постановку и формализацию задачи нечеткого вывода оценки патологии ацидоза;

3) разработать структуру интеллектуальной системы иерархического типа;

4) формализовать промежуточные переменные в нечеткой модели интеллектуальной системы.

Материалы и методы. Исследование проведено в Уральском государственном аграрном университете (г. Екатеринбург) и Государственном аграрном университете Северного Зауралья (г. Тюмень) в период с 2022 по 2025 гг. Перечень диагностических параметров, необходимых для формализации задач, включал: значения pH содержимого рубца, жирность молока, частоту пульса, частоту дыхательных движений (данные взяты из специализированных справочников и научных публикаций). В исследование не включались коровы: 1) с перенесёнными заразными заболеваниями из-за возможных последствий и ослабленного иммунитета; 2) готовящиеся к отёлу (примерно за 30–40 дней); 3) недавно отелившиеся (около 30 дней) в связи с перестройкой гормонального фона и естественного восстановления рН.

Минимального перечня диагностических параметров вполне достаточно для точной постановки диагноза «ацидоз рубца» при отсутствии корреляции с другими заболеваниями. Особую сложность могут вызывать сочетания нескольких параметров, превышающих референтные значения, что придает параметрам задачи свойства неопределенности. Для корректного решения задачи с учетом этих условий использовался метод формализации неопределенностей — теория нечетких множеств. Иерархическое построение структуры интеллектуальной системы делает ее строго логичной и прозрачной для анализа. Для разработки программы интеллектуальной системы использовалось открытое программное обеспечение Scilab (Scilab Consortium, Франция) и штатный редактор программного кода Scinotes.

Результаты исследования

1. Обоснование комплекса диагностических параметров. Предварительный диагноз «ацидоз рубца» ветеринар может поставить, наблюдая за поведением коровы и уточнив ее рацион кормления. Для ацидоза рубца характерны:

— pН содержимого рубца ниже 6 (в норме 6–6,9);

— pН крови ниже нормы 7,35;

— уровень молочной кислоты в 3-4 раза превышает норму (9–13 мг/дл);

— пульс поднимается до 120–140 уд./мин (норма 80–100 уд./мин); частота пульса повышается с увеличением кислотности;

— частота дыхания увеличивается до 50–60 дыхательных движений в минуту и достигает максимума в 70 дв./мин (в норме 18–28 движ./мин);

— корова съедает в среднем меньше 15–20 кг грубого корма и корнеплодов;

— содержание белка и жирность молока падает и становится менее 4 %;

— происходит потеря веса (средняя взрослая корова весит 300–450 кг);

— слюноотделение выше 90–180 л говорит о нарушении pН содержимого рубца;

— рН мочи ниже нормы 7,6–8,5+0,2;

— снижение количества жевательных движений до 30–40 (среднее количество жевательных движений после срыгивания у лактирующей коровы —55, максимально до 60).

Состояние рН содержимого рубца играет важную роль в жизни коровы. В работе [5] показано, что при систематическом промывании рубца у лактационных коров и добавлении к основному рациону премикса микробного состава, натрия гидрокарбоната и минералов среднесуточный удой молока повысился на 31,3 %. В исследовании [6] установлена положительная статистическая значимая корреляция между температурой содержимого рубца и ректальной температурой, а это значит, что, измеряя ректальную температуру, можно предупредить появление подострого ацидоза рубца у коров.

Авторы [7] выявили, что при ацидозе наблюдается значительное увеличение концентрации ионов натрия в эритроцитах и снижение их содержания в плазме крови, а параллельно происходит уменьшение количества ионов калия в эритроцитах и повышение их уровня в плазме: т. е. ацидоз негативно влияет на энергетический обмен, ухудшая синтез АТФ. Высказывалось также мнение [8], что для точного измерения рН содержимого рубца оптимальным является получение пробы путем руминоцентеза, поскольку на концентрацию водородных ионов в пробах, полученных с помощью зонда, определенное влияние оказывает слюна, что приводит к изменению рН в щелочную сторону в пределах 0,14 ед. (2,3 %).

Авторы [9] установили, что при ацидозе рубца у коров показатели клинического и морфологического статуса в целом стабильны, за исключением дыхательных движений, которые при заболевании выше нормы до 7 %. В результате исследования физиологии пищеварения коров [10] установлено, что снижение pH мочи является диагностическим методом для выявления признаков хронического ацидоза рубца, что, в свою очередь, подтверждается результатами молочной продуктивности подопытных животных.

На сегодняшний день существуют примеры успешного применения систем дистанционного мониторинга в ветеринарии [11–12], включая дистанционное исследование рН содержимого рубца [13]. В ходе этого исследования установлено, что рН содержимого рубца и температура у коров имеют суточные колебания, при этом высказывается мысль, что колебания рН содержимого рубца связаны с потреблением корма, а колебания температуры тела отражают объемы потребления воды животными.

В зарубежных источниках также рассматривалась проблема ацидоза рубца у коров с присущими ему условиями развития [14–15] и возможными последствиями [16–18]. Для более точной диагностики ацидоза рубца за границей использовались те же методы, что и в отечественной ветеринарии: руминоцентез и желудочное канюлирование [19] или биомаркеры [20]. Стоит отметить также авторов, которые обратили внимание на многократное увеличение молочной кислоты, появляющейся из крахмала [21–22], которая в свою очередь способствует образованию ацидоза рубца.

В контексте настоящего исследования следует отметить некоторые неопределенности в трактовке значений в разных источниках. К примеру, нормой pH содержимого рубца у коровы является 6, но некоторые эксперты-ветеринары утверждают, что границей является 7, а всё, что выше, относится к алкалозу, когда щелочной фон превышен. Ряд других экспертов в этой области считает, что при индексе pH ниже 6 кислотность рубца повышена, но если она, к примеру, составляет 5,5 и носит кратковременный характер, то сразу ставить животному диагноз «ацидоз рубца» преждевременно. Выявляя все значения кислотно-щелочного баланса рубца у коров всех пород, можно прийти к выводу, что интервальным значением нормы будет уровень pH 6–7, а всё, что ниже или выше, нужно считать отклонением от нормы. При этом значение ниже нормы будет указывать на ацидоз, а выше нормы — на алкалоз.

При правильном рационе молодая здоровая корова дает молоко высокой жирности, с возрастом жирность молока постепенно снижается. При первых проявлениях ацидоза рубца у коров показатель жирности молока резко снижается до 3–4 %, а иногда и ниже 2,5 %, т. е. минимальным значением можно принять 2,0 %. Все дело в наличии большого содержания молочной кислоты, которая снижает жирность молока.

Кроме этих показателей ветеринарные врачи иногда принимают во внимание контрольный показатель pH крови. Он необходим только в случае, если pH содержимого рубца находится в норме, но при этом жирность молока резко снижена. Уровень pH содержимого рубца и pH крови взаимосвязаны, поскольку содержимое рубца может вбрасываться в кровоток животного. Значения, свидетельствующие о симптоматике ацидоза рубца, будут для pH крови в диапазоне 7,1–7,3. Но данные значения слишком близки к тем, что имеют здоровые животные, поэтому такой параметр не может быть основным и достаточным для постановки диагноза. Следовательно, предпочтение нужно отдать параметру жирности молока, который, как правило, фиксируется не менее двух раз в сутки при доении коровы.

Другими важными параметрами для выявления признаков ацидоза рубца у коров являются такие физиологические показатели, как частота дыхательных движений и пульса. Норма пульса в обычном состоянии, т. е. без активных движений животного, составляет от 80до 100 уд./мин, тогда как при заболевании ацидозом он может повышаться до 120 уд./мин, достигая 130–140 уд./мин. Частота дыхания также будет увеличиваться по мере ухудшения состояния животного. Без нагрузки в нормальном состоянии корова может делать от 15 до 30 дыхательных движений; при осложнениях, связанных с ацидозом, эти показатели могут достигать 50–60 и более (до 70) движ./мин.

Таким образом, можно выделить четыре показателя, однозначно коррелирующие с заболеванием ацидозом рубца: рН содержимого рубца, жирность молока, частота пульса, частота дыхательных движений. Остальные показатели с большой вероятностью могут быть следствием других заболеваний. Поэтому для разработки интеллектуальной системы диагностирования принимаем указанные четыре параметра в качестве входных переменных для нечеткой системы

2. Выполнение содержательной постановки и формализация задачи нечеткого вывода оценки патологии ацидоза

Содержательная постановка задачи. В нечетком моделировании содержательная постановка задачи предназначена для представления эмпирических данных об объекте в форме определенных эвристических правил: выполняется словесное описание задачи состояния объекта (в данном случае — ацидоз рубца у коровы) в зависимости от диагностических параметров. В содержательном описании задачи определяются наиболее специфические особенности ветеринарного диагноза.

Сведения о симптоматике ацидоза рубца у коровы, влиянии различных факторов на протекание заболевания и его взаимосвязи с диагностическими параметрами достаточно подробно приводятся в справочниках по ветеринарии ^{1 2 3 4 5 6 7} и научных статьях [7–10]. Однако в трактовке некоторых значений присутствует, как мы уже упоминали, некоторая неопределенность. Принцип нечеткого моделирования позволяет обобщить разрозненные экспериментальные и экспертные данные и получить более полную картину состояния животного в зависимости от сочетания параметров, на основе которых выполняется точный диагноз.

Формализация задачи нечеткого вывода оценки патологии ацидоза. Введение нечеткости в задачу (фаззификация) заключается в формализации входных и выходных параметров в виде лингвистических переменных⁸. Напоминаем, что входными параметрами приняты: величина водородного показателя pH содержимого рубца, жирность молока, частота дыхательных движений и частота пульса. В качестве выходной величины принята степень патологии (тяжесть заболевания) животного.

Для оценки величины pH содержимого рубца в ветеринарной медицине используется терминология «Кислотность», «Щелочность». В теории нечетких множеств обозначения аналогичные: «Кислотность наибольшая» до 4 pH; «Кислотность средняя» от 4 до 6 pH; «Нейтральная среда» от 6 до 7 pH; «Щелочность средняя» от 7 до 9 pH; «Щелочность наибольшая» свыше 9 до 9,5 pH.

Для второй переменной «Жирность молока, Ж» в терминах нечеткого моделирования примем значения: «Минимальная» от 2,5 до 3 %; «Малая» от 3 до 4 %; «Средняя» от 4 до 6 %; «Высокая» от 6 до 7 %; «Максимальная» от 7 %.

Третья переменная «Частота пульса, ЧП» будет иметь следующие значения: «Минимальная» до 60 уд./мин; «Малая» от 60 до 80 уд./мин; «Средняя» от 80 до 100 уд./мин; «Высокая» от 100 до 120 уд./мин; «Максимальная» от 120 до 130 уд./мин.

Четвертая переменная «Частота дыхания, ЧД» будет иметь следующие значения: «Минимальная» от 5 до 10 движ./мин; «Малая» от 10 до 15 движ./мин (симптомы заболевания алкалозом); «Средняя» от 15 до 30 движ./мин (норма); «Высокая» от 30 до 50 движ./мин; «Максимальная» от 50 до 70 движ./мин.

Для выходной величины введен показатель «Степень патологии ацидоза, СПА». Для удобства определим этот показатель на шкале от 0 до 5 и в безразмерном виде. Переменная принимает следующие значения: «Минимальная» до 1; «Малая» от 1 до 2; «Средняя» от 2 до 3; «Высокая» от 3 до 4; «Максимальная» от 4 до 5. Градация степени патологии имеет следующее содержание:

1 — перманентная (животное здорово);

2 — субацидная (гипотония преджелудков или первые выраженные симптомы ацидоза рубца);

3 — хроническая (четко выраженные симптомы ацидоза с проявлениями средней тяжести);

4 — подострая (тяжелые проявления симптомов ацидоза);

5 — острая (критически тяжелая степень ацидоза).

В терминах теории нечетких множеств лингвистические переменные определены терммножествами со следующими значениями и обозначениями:

«Водородный показатель рубца, pH» {КНаибольшая, КСр, Нейтраль, ЩСр, ЩНаибольшая};

«Жирность, Ж» {Мин, М, Ср, В, Мах};

«Частота пульса, ЧП» {Мин, М, Ср, В, Мах};

«Частота дыхания, ЧД» {Мин, М, Ср, В, Мах};

«Степень патологии ацидоза, СПА» {Мин, М, Ср, В, Мах}.

На рис. 3 (а–г) показаны функции принадлежности входных переменных в виде треугольных нечетких чисел и трапецеидальных интервалов, а на рис. 2д приведена нечеткая функция выходной лингвистической переменной «Степень патологии ацидоза, СПА». Примем для терммножеств значений лингвистических переменных треугольные или трапецеидальные нечеткие числа, а на границах области определения z-образные и s-образные функции (рис. 3).

3. Разработка структуры интеллектуальной системы иерархического типа. Определим структуру системы в виде нечеткой системы иерархического типа⁹. Вначале выполняется нечеткий вывод от двух параметров — значения рН содержимого рубца и жирности молока Ж. Результирующую функцию этого нечеткого вывода от первых двух переменных обозначим фактором «pH–жирность, Y₁₂».

Затем в машину нечеткого вывода (НВ) подаются входные переменные «Частота дыхания, ЧД» и «Частота пульса, ЧП». Назовем результирующую функцию этого нечеткого вывода как фактор «Дыхание–пульс, Y₃₄». По значениям переменных факторов Y₁₂ и Y₃₄ после выполнения нечеткого вывода рассчитывается значение «Степени патологии ацидоза, СПА». В графическом виде эта структура модели показана на рис. 4.

4. Формализация промежуточных переменных в нечеткой модели интеллектуальной системы. Поскольку в структуре модели присутствуют промежу-точные переменные, их тоже необходимо привести к нечеткости. Для удобства определим лингвистические переменные в диапазоне от 0 до 5 и разделим на 5 интервалов для пяти нечетких функций принадлежности. В графическом виде переменные приведены на рис. 5.

Выполненная формализация всех необходимых задач позволяет разработать модель соответствующей интеллектуальной системы и реализовать ее в программном коде.

Обсуждение и заключение. В настоящее время внедрение интеллектуальных систем является приоритетным направлением развития высокотехнологичной ветеринарной помощи. В первой части исследования мы обосновали перечень необходимых для диагностирования ацидоза рубца у коров параметров, предложили структуру интеллектуальной системы и формализовали модели всех переменных для решения задачи с помощью теории нечетких множеств и ее практических приложений — нечеткой логики, нечеткого моделирования. На втором этапе работы мы планируем выполнить компьютерную реализацию интеллектуальной системы оценки патологии ацидоза рубца у коров, взяв за основу описанные здесь формализованные данные.