令和３年度畜産・酪農生産力強化対策事業（繁殖性向上対策事業）に係る技術交流会

子牛の損耗低減対策に向けた分娩監視装置の活用

画像認識AIによる分娩検知システムについて
北里大学獣医学部 動物資源科学科
動物飼育管理学研究室

鍋西 久

nabe9@vmas.kitasato-u.ac.jp

自己紹介
氏名：鍋西 久（なべにし ひさし）
出身：宮崎県 昭和48年生まれ
H4.4～

H8.3

北里大学獣医畜産学部畜産学科 卒業

H8.4～

H10.3

北里大学大学院獣医畜産学研究科修士課程
ヒツジを用いた栄養生理学的研究（家畜飼育学研究室）

H10.4～

H13.3（財）環境科学技術研究所 環境シミュレーション研究部
シバヤギを用いた物質循環に関する研究

H13.4～

H16.3

宮崎県児湯農業改良普及センター
畜産農家に対する技術・経営指導

H16.4～

H19.3

宮崎県優良家畜受精卵総合センター
繁殖関連技術の開発に関する研究

H19.4～

H28.2

宮崎県畜産試験場 家畜バイテク部
家畜の生産性向上に関する研究

H28.3

～

北里大学獣医学部 動物飼育管理学研究室
家畜の生産性向上に関する研究北里大学獣医学部 動物飼育管理学研究室 鍋西 久
自己紹介（これまでに携わってきたこと）
受精卵移植関連技術の開発
ガス濃度調整剤による胚の培養（特許4362633号）（意匠登録1438892）

熱環境と家畜の生産性に関する研究

ICTを活用した家畜生産

ヒートストレスメーター

繁殖管理アプリ“繁殖アラート”

子牛のストレスメーター（特願2012-148644）

発情発見装置“牛歩Lite”（特願2010-282614）

H13-宮崎県児湯農業改良普及センター
H16-宮崎県優良家畜受精卵総合センター
H19-宮崎県畜産試験場家畜バイテク部
H28-北里大学獣医学部動物飼育管理学研究室
R02-大学発ベンチャー “ライブストックジャパン合同会社” 設立

飼料設計アプリ“フィードバランサー”

卵巣触診シミュレータ“ウシ卵巣モデル”

本日の話題
肉用牛生産の現状と課題について分娩時期を予測するための技術開発研究について

分娩検知システム “牛わか” について

肉用牛繁殖雌牛の動向（畜産・酪農をめぐる情勢（R3年7月）（農林水産省）

我が国における畜産（牛）の動向✓ 飼養戸数（農家数）→ 減少傾向
✓ １戸当たり飼養頭数 → 増加傾向 → 規模拡大

経営規模の拡大に対応できる飼養管理技術が必要✓ 酪農・肉用牛経営では、労働負担軽減と経営の効率化が大きな課題✓ 経験や勘だけに頼らない、データに基づいた合理的な飼養管理が重要✓ 情報通信技術（ICT）を活用することにより、飼養管理の効率化・高度化を推進していくことが必要（スマート農業）

ICT の利用によるスマート畜産のイメージ

畜産経営者のためのスマート畜産マニュアルより引用

ICTを活用した畜産技術～歩数計による発情発見～（株）コムテックとの共同研究（2004年頃～）

雌牛の発情兆候（求愛行動）■雄を求める行動■落ち着きがなくなる■乗駕許容（スタンディング）■行動量の増加■外陰部の腫脹・発赤、粘液の漏出✓ 発情時に特有の様々な変化を見つけることが重要！
＝ 発情観察 ≒ 農家の技術（経験、勘、時間）じょうが発情行動のひとつ：乗駕許容（スタンディング）

発情開始時間の内訳
18～24時

0～6時

24%

42%

12～18時
24%

6～12時
10%

✓ 牛舎にいない時間帯の発情開始が全体の約３／４→ 発情を見逃し易い＝ 発情発見効率の低下 → 繁殖成績の低下

発情時に特有の行動量増加を万歩計で検知↓
発情発見

お母さん牛の前肢に装着した万歩計（活動量計）

発情時に特有の行動量増加を万歩計で検知↓
発情発見

お母さん牛の首輪に装着した万歩計（活動量計）

万歩計による発情発見
歩数計②受信アンテナ③受信機①歩数計を牛の肢に装着（歩数をカウント）開始

発情持続終了

歩数の増加④制御パソコン
過去15日間の平均発情期には歩数が増える！

万歩計による発情発見

発情開始

発情による歩数増加
過去15日間の平均

発情持続時間発情終了

発情持続時間

活動量の増加に着目した発情発見ツール
ネックカラータイプ

歩数計タイプ

現在では、採食や反芻もモニタリングできるツールが主流

牛にストレスを与えないセンサを利用した分娩監視技術の開発

研究の背景〈1戸当り頭数の推移（頭）〉 〈胎児死廃率の推移（％）〉980〈妊娠期間の分布（日）〉黒毛和種:n=175,11870

平均値：292日
最大値：309日

660

飼養規模の拡大50

大きなバラツキ3

分娩事故による損失

40
乳用牛
肉用牛
300
H19H22H25

H28

H23 H24 H25 H26 H27

270 273 276 279 282 285 288 291 294 297 300 303 306 309（日）

分娩事故を減らしたい ⇒ 妊娠期間にバラツキが大きく ⇒ 昼夜を問わない分娩監視 ⇒ 過重な労働
いつ産むか分からない

分娩時期を特定し、分娩事故を低減するための技術が必要

和牛子牛の事故率

肉用牛繁殖技術シンポジウム～ICT等の新技術の活用～ から抜粋

・分娩時の死廃事故は経済的損失や精神的ダメージをもたらす重要な問題
・肉用牛における分娩事故の発生率が5%にも達する→ 事故なく子牛を産ませ、健康に育成させることが重要分娩前の体温低下に関する知見
Weber(1910)：牛で分娩前に体温が低下することを報告
Vollman and Vollman(1942)、Graf and Petersen(1953)、Ewbank(1963)・・・
Birgel(1994)：分娩前の体温低下と血中プロジェステロン濃度の関係を報告

分娩

肉用牛：Lammogliaら(1997)

分娩前には、体温が下がる

分娩

乳用牛：Burfeindら(2011)

分娩前の体温変化に着目した分娩予測（既存技術）
牛温恵（ぎゅうおんけい）

リモート社HPより抜粋

分娩事故の低減に大きく貢献する画期的普及技術

腟内器具留置型分娩監視システム（既存技術）
48:00

既存システムによる第一報（予報）から破水（通報）までの時間

42:00

最長40:34

36:00

平均20:42

最短2:3030:00

予測時間（24h）

24:00
18:00
12:00

6:00

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455
平均

0:00

個体No.

既存システムによる第一報（予報）から破水（通報）までの時間分布（阪谷ら、革新事業報告)

（頭数）
250
200
150

最小値

00:20

最大値

74:15

Ｎ551

204

79100
50

個体によるバラツキが大きい

1378

110-5h

5-10h

4728

12117835-40h

40-45h45-50h>50h

010-15h15-20h20-25h25-30h30-35h課題解決のプロセス（既存の技術）
問題点：センサーを腟内に挿入する必要がある
衛生上の問題、手技の煩雑さ、牛に対する負担
課題：上記問題点を解決できる技術が確立されれば、普及が広がり、分娩事故も減るのになあ・・・

対策：牛の体内に挿入しない方法で、分娩を予測するシステムを開発しよう！

腟内留置センサーの問題点

動物福祉・家畜衛生
Improving animal welfare and public perception of animal production
Devices that have to be inserted into the vagina and left for several weeks, even months, arequestionable in regard to animal welfare. Although the risks for health have not been evaluatedso far, vaginal infection, irritation could be expected with such devices.
膣に挿入し、数週間、場合によっては数ヶ月間放置しなければならない装置は、動物福祉に関して疑わしいものです。 健康へのリスクはこれまで評価されていませんが、膣感染、刺激の発生が予想されます。
Saint-Dizier, Marie, and Sylvie Chastant-Maillard. "Potential of connected devices to optimize cattle reproduction."
Theriogenology 112 (2018): 53-62.

分娩前における行動変化（分娩兆候：ビデオ解析による）（鹿児島大学との共同研究）
4

姿勢変更（回/ｈ)

3

尾振り・腰振り（回/ｈ)

800

180

600

120
2

400

1200

60

0

6002 223 21
4 5206197 18
8 17
9 101112131415161718192021222324
241 2316 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

1 23
2 223 4215206 197 18
8 17
9 101214
13 1314 1518919
24161115
1216
1117108 207 621522
4 23
3 2241

分娩前時間

分娩前時間尾上げ（回/ｈ)1248240

腹部蹴り上げ・頭部擦りつけ（回/ｈ)0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

3 21
4 20
5 6197188 17
9 1610 111412
15 1116 17241232 221512141313
1018
9 198 720621
5 224 3232 24
1

分娩前時間

分娩前時間

画像認識技術を用いて計測できるのではないか！？

画像計測技術を活用した非侵襲的分娩予測技術の開発（2014年の取り組み）

当時の企画書（ポンチ絵）
分娩時に尻尾を上げる行動を利用して非侵襲的に分娩予測を行う

目印マーカー
画像計測技術を用いて、目印マーカーの動きを評価
カメラで監視分娩兆候と判断した場合に、飼養者に通報
分娩活動量指数分娩房に設置した監視カメラで分娩予定牛を撮影

クラウド サーバーでアルゴリズムを解析

携帯端末に分娩兆候を通知

課題：
・背景（牛床）と牛体を分離ができないケース（黒い牛：黒っぽい床）・夜間（闇夜）において牛体を分離しにくいケース⇒ 農場の環境に左右されない方法による検知の仕組みが必要

熱検出カメラを活用した非侵襲的分娩予測技術の開発
遠赤外線カメラ（サーマルカメラ）に着目（2016年～の取り組み）

サーマルカメラ活用のメリット：
・照明条件や背景に関係なく動物のシルエットを背景から容易に抽出できるため、物体検出の工程が簡素化される
・二値化された熱画像は可視画像よりも小さい画素サイズで動物を自動検出できるため、行動解析に必要な常時モニタリングに適している遠赤外線カメラによる動線取得

画像認識技術を用いた肉用牛の分娩前兆候の検出
監視カメラで対象牛を撮影

画像認識技術で解析【破水前12hにおける分娩予定牛の動線例】
破水11-12h前

破水5-6h前

Nabenishi et al., 2020

破水1-2h前非侵襲的な手法によって牛の行動等を把握し、分娩前兆候を検出する技術を開発

破水前における分娩牛の動線の変化

破水前11～12ｈ

破水前5～6ｈ

破水前0～1ｈ画像認識技術を用いた肉用牛の分娩前兆候の検出【破水前12hにおける移動距離（m）の推移（n=35）】25250

移動距離（m/h）

200
20

15150

100
1050
5
11-12

10-11

9-10

8-9

7-8

6-7

破水前時間

5-6

4-5

3-4

2-3

1-20-1

Nabenishi et al., 2020

分娩監視システムの開発（2018年～の取り組み）
2018年

2019年

2019年

2020年

2021年

”牛わか” の完成！

分娩監視システム “牛わか” について
分娩予定牛をサーマルカメラで監視し、画像認識AI技術によって分娩前に特徴的な行動（分娩兆候）を検出したときに農家に自動通知（北里大学の研究成果を活用し、ノーリツプレシジョン株式会社と共同で開発）

分娩監視システム “牛わか” について

分娩監視システム “牛わか” について

分娩監視システム “牛わか” について

分娩室にカメラを設置

AIで行動を解析

分娩兆候をメール通知

牛の状態をいつでも確認【開発したシステムのメリット】✓ 牛に優しい：非侵襲的に行動を解析✓ 負担軽減 ：いつでもどこでも牛の状態を確認✓ 事故予防 ：分娩兆候を検出して自動通知

分娩監視システム “牛わか” 設置農場の様子①

分娩監視システム “牛わか” 設置農場の様子②

分娩監視システム “牛わか” 設置農場の様子③

起居判定AIによる起居動作分類の精度
目視

AI

A

97.1％
7273

48
49

24
2501

72
73

48
49

242510

B

98.2％
72

48

240

72

480

24

C

99.1%
72

482407248024

立位

AIは起居動作を高い精度で分類できる臥位破水前72時間における移動距離の推移（n=50）
3500

**

3000

*
*

移動距離(ピクセル)

2500

2000

1500

1000

破水500

0
7266

60

54

48

423630
破水前時間(ｈ)

24

18

126

破水前10時間から移動距離が増加*：8-72ｈと有意差あり

破水前72時間における姿勢変更回数の推移（n=50）*

4

姿勢変更回数（回）

321

破水
0
72

66

60

54

48

42
36
30
破水前時間（ｈ）

24

破水前8時間から姿勢変更回数が増加

18

12

6

*：9，11-14，16-19，21-33，36-53,55-70ｈと有意差あり

破水前24時間における同時刻との比較（n=50）
移動距離

姿勢変更回数
4

3500

3000

2500

移
動
距 2000離（ピ 1500
ク
セ 1000ル）

32.5倍に増加

姿勢変
更 2
回数（回） 1500

2.9倍に増加破水0

破水0

24 22 20 18 16 14 12 1086

破水前時間（ｈ）

42

24 22 20 18 16 14 12 108642

破水前時間（ｈ）
当日

前日

前々日

破水前12時間における行動の変化（動線）
11-12時間前

10-11時間前

9-10時間前

8-9時間前7-8時間前6-7時間前5-6時間前

4-5時間前

3-4時間前2-3時間前

1-2時間前0-1時間前破水が近づくにつれ行動量が増加し、特徴的な動きが認められた

破水前12時間における行動の変化（動線）

破水前12時間における行動の変化（動線）

分娩監視システム “牛わか” 設置方法

分娩監視システム “牛わか” 機能概要

分娩監視システム “牛わか” スマホ操作
Webアプリログイン

リアルタイム閲覧

NABEQ

行動量表示

通知メール

FARM
NABEQ

FARM

NABEQ FARM

・webアプリへのログイン、通知受取に制限等はありません（家族、従業員など複数管理者に対応）・日中でも夜間でも同じ画像（白黒）でリアルタイムで確認できます
・機械学習の精度向上によるプログラムのバージョンアップ配信を随時行っています十和田市E農家

今年度の畜産・酪農生産力強化対策事業で導入（十和田市田代牧野組合）

分娩兆候検出～通知メールの事例【十和田市E農家（11月9日カメラ設置11月14日15:00分娩）】

メール通知
分娩

“牛わか” 導入について（活用した補助事業）

ウ 子牛の損耗低減対策 （補助率：1/2）

血液検査や飼料成分分析等による損耗率の低減を図る 取組や簡易畜舎や哺乳ロボット等を導入し、病気の蔓延 等を抑え、損耗率低減を図る取組に必要な経費

“牛わか” 導入について（活用できる補助事業）

画像認識技術の応用展開について
繋ぎ飼い式牛舎での分娩検知（肉用牛）画像認識技術の応用展開について
繋ぎ飼い式牛舎での分娩検知（肉用牛）画像認識技術の応用展開について
35

繋ぎ飼い式牛舎での分娩検知（肉用牛）
移動距離の推移

移動距離(m）

30252015

繋ぎ飼いにおいても種々の分娩兆候を検出できることを確認
1024 2423 2322 22212120 2019 19181817 1716 16151514141313 1212 11111010 9 9 88 7 7 6 6 55 4 4 33

破水までの時間（ｈ）

22 11 0

“牛わか” 技術の応用展開について
今後、分娩監視にとどまらず、画像認識技術の応用展開は進んでいくものと考えられる（潮流として）そこで、“牛わか” の技術を活用した次の展開が期待

肥育牛の起立困難発生の検知

肥育後期ステージで発生する起立困難

起立困難による肥育牛の死廃事故
肥育農家にとって、大きな経済的損失をもたらす

タイムラプス撮影により得られた肥育牛の行動観察

61

タイムラプス撮影により得られた肥育牛の行動観察
時間ごとの横臥割合

100

時間ごとの採食割合

353080給餌給餌

256020154010給餌

2050給
餌

002468101214161820220246810121416182022

肥育牛の行動には、明瞭な日リズムが観察されている異常な行動（動き）を検出するのは容易ではないか！？

使いこなそうとする意識が大切✓ ICTをはじめとする新技術を活用した家畜生産は、今後も大きく進展する可能性✓ しかし、新技術の導入ですべての課題が解決される訳ではないことを認識するべきであり、✓ 導入した機器の特性を理解し、使いこなそうとする意識が必要となる✓ 何よりも重要な事は、管理する者が家畜を理解し、思いやりの心を持つこと＝ ストックマンシップご清聴ありがとうございました。
北里大学動物飼育管理学研究室では、畜産農家のニーズに応える研究を展開しています。ご意見、ご要望お待ちしております。
研究室HP：https://kitasato-afm.com
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研究室発ベンチャー：ライブストックジャパン合同会社

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