Anwendung der Infrarotthermographie zur nicht-invasiven Detektion fieberhafter Tiere in Schweinegruppen – Einschätzung der
Anwendbarkeit im Tierseuchenkrisenfall am Beispiel der Klassischen Schweinepest
INAUGURAL – DISSERTATION
zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von Hanna Gerß
Köln
Hannover 2014
1. Gutachter: Prof. Dr. Volker Moennig
2. Gutachter: Prof. Dr. Elisabeth große Beilage
Tag der mündlichen Prüfung: 08.04.2014
1 EINLEITUNG ... 1
2 LITERATURÜBERSICHT ... 3
2.1 Das Virus der Klassischen Schweinepest ... 3
2.1.1 Taxonomie... 3
2.1.2 Charakterisierung des Virus ... 3
2.1.3 Übertragungswege und Epidemiologie ... 4
2.1.4 Verlaufsformen ... 6
2.1.5 Diagnostik... 9
2.1.6 Verbreitung der Klassischen Schweinepest ... 11
2.1.7 Epidemiologie und Bekämpfungsstrategien in der Europäischen Union .... 13
2.2 Infrarotthermographie ... 17
2.2.1 Methodik, physikalische Grundlagen, Funktionsprinzip der Infrarotkamera 20 2.2.2 Anwendung ... 24
2.2.2.1 Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin ... 24
3 MATERIAL UND METHODEN ... 30
3.1 Infrarotthermographie ... 30
3.1.1 Technische Daten ... 30
3.2 Kalibrierung für den praktischen Einsatz ... 31
3.2.1 Bestimmung des Transmissionsgrades ... 31
3.2.2 Ermittlung des Emissionsgrades von Schweinehaut ... 33
3.3 Tierversuche unter standardisierten Bedingungen ... 36
3.3.1 Tiere, Haltungsbedingungen und tägliche Aufzeichnungen ... 36
3.3.2 Methodik im Stall ... 41
3.3.3 Methodik der Auswertung ... 42
4 ERGEBNISSE ... 53
4.1 Physikalische Parameter ... 53
4.1.1 Transmissionsgrad ... 53
4.1.2 Emissionsgrad ... 54
4.2 Auswertung der Infrarot-Bilder ... 55
4.2.1 Einzeltierauswertung ... 55
4.2.2 Gruppenauswertung ... 66
5 DISKUSSION ... 69
6 ZUSAMMENFASSUNG ... 82
6.1 Zusammenfassung………..82
6.2 Summary………84
7 LITERATURVERZEICHNIS ... 86
8 ANHANG ...107
8.1 Tabellen und Abbildungen ...107
8.2 Abbildungsverzeichnis ...109
8.3 Tabellenverzeichnis ...110 9 DANKSAGUNG ...
Abkürzungsverzeichnis
AK Antikörper
BDV Border Disease Virus
BHZP Bundeshybridzucht Programm
BMELV Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz
BRD Bovine Respiratory Disease BVDV Bovines Virusdiarrhoe-Virus bzw. beziehungsweise
°C Grad Celsius
ca. circa
CDSS Clinical Decision Support System
cm Zentimeter
CSF Classical swine fever d.h. das heißt
DNA Deoxyribonucleic acid, Desoxyribonukleinsäure EDTA Ethylendiamintetraessigsäure
ELISA Enzyme linked immunosorbent assay EMMA Emissionsgrad-Meßanlage
ESP Europäische Schweinepest et al. et alii, und andere
etc. et cetera, und so weiter EU Europäische Union
EURL europäisches Referenzlabor
evtl. eventuell
FAT Fluoreszenzantikörpertest FLI Friedrich-Loeffler-Institut FPA focal plane array
FTIR- Fourier-Transformations-IR- ggf. gegebenenfalls
ggr. geringgradig HRP High Risk Period
Hz Hertz
IF Immunfluoreszenz
inkl. inklusive
IR Infrarot
IRT Infrarot Thermographie
K Kelvin
kb Kilobasen
KID50 Kulturinfektiöse Dosis 50 % konz. konzentriert
KSP Klassische Schweinepest
KSPV Klassisches Schweinepest Virus
km Kilometer
LCD Liquid Crystal Display LDPE Low Density Polyethylen
m Meter
min Minute
µm Mikrometer
µmK Mikrometer x Kelvin mRad Millirad
nm Nanometer
NPV negativer prädiktiver Wert o.ä. oder ähnliches
OIE Office International des Epizooties, internationales Tierseuchenamt PCR Polymerase Chain Reaction, Polymerasekettenreaktion
PE Polyethylen
p.i. post infectionem, nach der Infektion PLA Peroxidase Linked Assay
PPV positiver prädiktiver Wert
RNA Ribonucleic acid, Ribonukleinsäure RT reverse transcription
SARS Severe acute respiratory syndrome TRACES Trade Control and Expert System TSBH Tierseuchenbekämpfungshandbuch TSN Tierseuchennachrichtensystem u.a. unter anderem
USA United States of America usw. und so weiter
WAHID World Animal Health Information Database z.B. zum Beispiel
ZAE Zentrum für angewandte Energietechnik
ZNS Zentrales Nervensystem z.T. zum Teil
1 Einleitung
Die Klassische Schweinepest (KSP), auch Europäische Schweinepest (ESP) oder Classical Swine Fever (CSF) genannt, ist eine weltweit vorkommende Tierseuche mit großer wirtschaftlicher Relevanz. Hervorgerufen wird die Erkrankung durch ein behülltes RNA-Virus aus der Familie der Flaviviridae. Unter natürlichen Bedingungen werden hauptsächlich Tiere der Gattung Schwein (Sus) infiziert. Die am häufigsten auftretenden klinischen Symptome wie Fieber, Inappetenz, Apathie, Diarrhoe, Atemwegsinfekte und Kümmern sind sehr unspezifisch. Charakteristischere Symptome wie Blutungen in Haut und Schleimhäuten sowie zentralnervöse Störungen treten eher selten in Erscheinung. Die sehr unterschiedliche Ausprägung dieser Krankheitsanzeichen, aber auch die allgemeine Furcht vor der Diagnose, erschweren die zeitnahe Bekämpfung. Die Infektion eines Bestandes bleibt möglicherweise lange unentdeckt, es kommt zu einer unbemerkten Weiterverbreitung des Virus und damit zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten.
Da Fieber eines der ersten zweifelsfrei feststellbaren klinischen Symptome bei infizierten Schweinen ist, wurde gesetzlich festgelegt, dass die rektale Körpertemperatur der Tiere als Entscheidungshilfe für das weitere Vorgehen bei ungeklärten Krankheitszuständen, wie z.B. dem Verdacht oder Ausschluss von KSP, im Tierseuchenkrisenfall heranzuziehen ist. Die rektale Körpertemperaturmessung einzelner Tiere führt jedoch häufig zu erheblichem Stress der gesamten Gruppe, damit zu einer Erhöhung der Körpertemperatur und folglich zu einer Verfälschung der Messwerte. Außerdem stellt sie einen nicht unerheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand dar. Deshalb wurden Versuche unternommen, andere, stressfreiere Methoden zur Erhebung der Körpertemperatur zu finden. Eine Möglichkeit, die bereits sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin eingesetzt wird, ist die Infrarotthermographie. Diese Methode beruht auf der Messung und Visualisierung der von einem Objekt abgestrahlten thermischen Energie anhand einer Kamera.
Dabei kommt es zu einer Umwandlung dieser thermischen Energie in elektrische Signale (Bilder und Temperaturdaten).
Im Rahmen dieser Arbeit sollte geprüft werden, ob mit Hilfe der Infrarotthermographie fieberhafte Tiere in einer Gruppe von Schweinen stressarm und nicht-invasiv detektiert werden können. Des Weiteren sollte die Anwendbarkeit dieser Methode zur gezielten und risikoorientierten Beprobung im Tierseuchenkrisenfall bewertet werden.
2 Literaturübersicht
2.1 Das Virus der Klassischen Schweinepest
2.1.1 Taxonomie
Das Virus der Klassischen Schweinepest (KSPV) gehört zur Familie der Flaviviridae und wird zusammen mit dem Border Disease Virus (BDV) der Schafe und dem Bovinen Virusdiarrhoe-Virus (BVDV) der Rinder dem Genus Pestivirus zugeordnet.
Neben den Pestiviren beinhaltet die Familie der Flaviviridae außerdem die Genera Flavivirus und Hepacivirus. Das Genus Flavivirus enthält humanpathogene Erreger wie das Dengue-Virus, das Virus der Frühsommer-Meningoenzephalitis und das Gelbfieber-Virus. Veterinärmedizinisch relevante Erreger dieser Gruppe sind das Louping-ill-Virus der Schafe und das Meningoenzephalitis-Virus der Pute. Im Genus Hepacivirus wird das Virus der Hepatitis C eingeordnet (MAYR 2006, S. 142). Vor einiger Zeit wurde eine neue Gattung der Familie der Flaviviridae zugeordnet, die Pegiviren. Dieses Genus besteht aus dem Pegivirus A das bei Affen und dem Menschen vorkommt und dem Pegivirus B, welches bei Fledermäusen gefunden wurde (STAPELTON et al. 2012).
2.1.2 Charakterisierung des Virus
Das KSPV ist ein sphärisches, behülltes RNA Virus mit einer Gesamtgröße von 40- 60 nm und einem hexagonalen elektronendichten Kern von 30 nm Durchmesser (MOENNIG 1992). Das Genom besitzt eine Größe von ca. 12,3 kb und ist einzelsträngig mit positiver Polarität (MOENNIG 2000). Das Virus ist serologisch einheitlich, es konnten jedoch verschiedene Genotypen nachgewiesen werden (MOENNIG et al. 2003). Nach MITTELHOLZER et al. (2000) können KSPV-Isolate in hoch-, moderat- und niedrig- bzw. avirulente Stämme eingeteilt werden.
Innerhalb der Pestiviren besteht eine enge Antigenverwandtschaft mit daraus resultierenden Kreuzreaktivitäten. Schweine können mit BVDV und BDV infiziert werden, erkranken jedoch selten klinisch (DAHLE et al. 1987; PATON u. DONE 1994). Es konnte experimentell gezeigt werden, dass das Wirtsspektrum des KSPV nicht so spezifisch ist wie lange Zeit angenommen, wobei die Relevanz unter Feldbedingungen unklar bleibt. Infektionen von Peccaries, Rindern, Schafen, Ziegen und Hirschen mit KSPV waren möglich und führten zu einem subklinischen Krankheitsbild. Auch das Kaninchen ist für dieses Virus empfänglich und wurde zur Herstellung einer lapinisierten C-Stamm Vakzine genutzt (LIESS 1981; DAHLE u.
LIESS 1992).
Die Tenazität des KSPV ist sehr variabel und wird von vielen Faktoren beeinflusst.
Dies sind z. B. die Umgebungstemperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, der pH – Wert, die Anwesenheit von organischem Material (Protein) oder bestimmten Chemikalien (EDWARDS 2000). Eine sichere Virusinaktivierung erfolgt durch Hitzebehandlung, wobei über Temperatur und Zeitdauer sehr unterschiedliche Angaben bestehen (LIESS 1981; DEPNER et al. 1992). Der Einfluss des PH Wertes ist Temperaturabhängig (DEPNER et al. 1992). Organische Lösungsmittel wie Äther und Chloroform oder Detergenzien, aber auch ultraviolette Bestrahlung sind ebenfalls probate Mittel, um das Virus zu inaktivieren (LIESS 1981). Ferner wird das Virus bei der Verwendung von Formaldehyd inaktiviert (EDWARDS 2000).
2.1.3 Übertragungswege und Epidemiologie
Die Übertragung dieser hoch ansteckenden Tierseuche kann sowohl direkt als auch indirekt erfolgen. Die direkte Übertragung findet durch infizierte Tiere wie z.B.
Wildschweine (FRITZEMEIER et al. 2000) und zugekaufte Hausschweine statt. Bei der indirekten Übertragung erfolgt die Virusverbreitung über belebte und unbelebte Vektoren. Belebte Vektoren können andere, auf dem Hof frei umherlaufende Tiere wie Hunde, Katzen, Vögel, Schadnager und Insekten sein, wobei ausschließlich von einer geringen Wahrscheinlichkeit der mechanischen Übertragung ausgegangen wird
(STEWART et al. 1975; DEWULF et al. 2001; KADEN et al. 2003). Unter unbelebten Vektoren versteht man Futtermittel (KADEN et al. 1992), Einstreu und Arbeitsgeräte, aber auch Kleidung und Schuhe (RIBBENS et al. 2007) sowie Transportfahrzeuge (STEGEMAN et al. 2002), welche Kontakt mit Sekreten bzw. Exkreten infizierter Tiere hatten. Auch die Luft kann potentieller Überträger sein, wenn auch nur über kurze Distanzen (FRITZEMEIER et al. 2000; GONZALEZ et al. 2001; RIBBENS et al.
2004). Die Fütterung von infiziertem, ungenügend erhitztem Küchen- und Schlachtabfall stellt eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar, welche trotz EU- weiten Verbots auch heutzutage nicht an Bedeutung verloren hat (FRITZEMEIER et al. 2000; MOENNIG 2000; KIM et al. 2008). Der Import von Lebensmitteln und Trophäen aus endemischen Regionen, Wildschweinwanderungen sowie die Übertragung durch Jäger stellen ein weiteres Risiko dar, zumal die Populationsdichte des Schwarzwildes in Europa in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen hat (PATON u. GREISER-WILKE 2003).
Im Verlauf der Erkrankung wird das Virus über alle Ex– und Sekrete ausgeschieden.
Die oronasale Aufnahme ist unter natürlichen Bedingungen der häufigste Infektionsweg (MOENNIG u. PLAGEMANN 1992; MOENNIG et al. 2003).
WEESENDORP et al. (2011) fanden in ihren Untersuchungen heraus, dass ein Zusammenhang zwischen der Virulenz eines KSPV Stammes, der Quantität der Virusausscheidung und der möglichen Infektion von empfänglichen Tieren besteht.
Die Übertragung durch Blut bildet eine Ausnahme, hier ist die Virulenz nicht relevant, da Blut immer hoch infektiös ist. In Bezug auf die Tierseuchenbekämpfung ist es nach diesen Untersuchungen von Vorteil den involvierten KSPV Stamm zu kennen, um spezifische Maßnahmen einleiten zu können.
Des Weiteren kann auch bei der künstlichen Besamung über infiziertes Ebersperma das Virus weiter getragen werden (DE SMIT et al. 1999; FLOEGEL et al. 2000). Bei tragenden Sauen überwindet das Virus die Plazentaschranke und infiziert die Feten (PLATEAU et al. 1980). Auf diesem Wege können subklinisch infizierte Sauen immuntolerante persistierende Virämiker zur Welt bringen, die im weiteren Verlauf der Virusausbreitung eine wichtige Infektionsquelle darstellen (LIESS 1984). Auch
andere Eintrittspforten wie Verletzungen und die iatrogene Übertragung sollten nicht unerwähnt bleiben.
2.1.4 Verlaufsformen
Die KSP geht mit einer Vielzahl von Symptomen einher, welche ein sehr variables klinisches Bild darstellen. Die Ausprägung dieser Symptome ist in hohem Maße abhängig von Wirtsfaktoren wie dem Alter, der Kondition und Konstitution, sowie der Rasse des Tieres (DEPNER et al. 1997a; DEPNER et al. 1997b). Auch die Virulenz des Virusstammes beeinflusst in gewissem Maße den Verlauf der Erkrankung (MOENNIG 2000; ENTSCHEIDUNG 2002/106/EG). Die Infektionsdosis scheint jedoch eine untergeordnete Rolle zu spielen (DEPNER et al. 1997a). Ferner sind Umwelt- bzw. Haltungsbedingungen von Bedeutung. Das Vorhandensein von Sekundärerregern kann das klinische Erscheinungsbild erheblich prägen und somit die Diagnose erschweren. Die Inkubationszeit beträgt ca. sieben bis zehn Tage, wobei unter Feldbedingungen in einer Herde ein Zeitraum von zwei bis vier Wochen vergehen kann, bis die ersten Symptome auffällig werden. Dies ist darin begründet, dass die unterschiedlichen Verlaufsformen alle zeitgleich auftreten können. Bei der KSP werden im Allgemeinen drei Formen unterschieden: die akute, die chronische und die pränatale Infektion (ENTSCHEIDUNG 2002/106/EG).
Akute Verlaufsform:
Diese Form der Klassischen Schweinepest betrifft häufig Tiere im Alter bis zu 12 Wochen, d.h. vor allem Absetzferkel und junge Mastschweine. Die Morbidität ist hoch und die Erkrankung verläuft meist letal. Die Tiere bekommen hohes Fieber (> 40°C), sind lethargisch, inappetent und leiden unter Erbrechen und Durchfall bzw.
Verstopfung. Konjunktividen und geschwollene Lymphknoten sind weitere Anzeichen. Es kommt zu „Schweinehaufenbildung“, d.h. die Tiere suchen die wärmende Nähe der Artgenossen. Des Weiteren sind ZNS Störungen wie
Hinterhandschwäche, Koordinationsschwierigkeiten und Lähmungen, aber auch Krämpfe zu beobachten. Die Hautblutungen treten, wenn überhaupt, erst im späteren Verlauf der Erkrankung, ca. zwei bis drei Wochen post infectionem (p.i.) an Ohren, Schwanz, Bauch und Gliedmaßen auf. Eine schwere Leukopenie und daraus folgende Immunsuppression können Wegbereiter für Sekundärerreger des Respirations- oder Gastrointestinaltraktes sein und dadurch zu schwerwiegenden Symptomen führen, die die ggf. vorhandenen KSP-typischeren Symptome verdecken (MOENNIG et al. 2003). Die betroffenen Tiere versterben meist zwei bis drei Wochen p.i.. Antikörper sind ab der zweiten Woche p.i. nachweisbar (MOENNIG 2000).
Hämatologisch ist neben der Leukopenie, auch eine schwere Thrombozytopenie zu beobachten (MOENNIG u. PLAGEMANN 1992). Abgesehen von dieser typischen akuten Verlaufsform können auch perakute und subakute bzw. transiente Formen auftreten. Perakute Verläufe sind bei jungen Ferkeln zu beobachten, welche nach einer kurzen, sehr heftigen Fieberphase innerhalb weniger Tage versterben.
Postmortal sind in der Regel ausschließlich Schocksymptome zu diagnostizieren (BLOME 2006). Beim transienten Verlauf kann eine vollständige Rekonvaleszenz eines infizierten Tieres mit zeitgleicher Antikörperproduktion ab der zweiten Woche p.i. beobachtet werden (DEPNER et al. 1997a). Bei überlebenden Tieren ist eine lebenslange, belastbare Immunität die Folge. Mit zunehmendem Alter der Tiere, d.h.
bei Zuchttieren und Endmastschweinen, können die klinischen Symptome weniger stark ausgeprägt sein. In diesen Fällen bestehen nur mäßige Temperaturerhöhungen (39,5°C) oder es sind keine sichtbaren Symptome vorhanden (ENTSCHEIDUNG 2002/106/EG; MOENNIG et al. 2003). Da in diesem Fall keine klinischen Symptome auf eine KSPV-Infektion hinweisen, und ein Virus- bzw. Antikörpernachweis lediglich zeitweilig möglich ist, wurde in diesem Zusammenhang der Begriff der atypischen Verlaufsform geprägt (DEPNER et al. 1997a; BLOME 2006).
Chronische Verlaufsform:
Ein chronischer Verlauf dieser Erkrankung entwickelt sich immer dann, wenn der Organismus nicht in der Lage ist, eine adäquate und effektive Immunantwort gegen
die Infektion auszubilden. Als chronisch bezeichnet man eine nach der vierten Woche p.i. noch fortdauernde Infektion, die immer mit dem Tod des Tieres endet (im Vergleich zur akut–transienten Infektion). Die ersten Symptome ähneln denen der akuten Form, im weiteren Verlauf werden dann verstärkt unspezifische Symptome wie intermittierendes Fieber, chronische Enteritis und Kümmern sowie symptomlose Phasen beobachtet. Die Tiere haben in der Regel eine Überlebenserwartung von zwei bis drei Monaten. Die Virusausscheidung besteht kontinuierlich vom Ausbruch der klinischen Symptome bis zum Tod. Antikörper können in Serumproben zeitweise vorhanden sein, sind aber nicht in der Lage, das Virus zu eliminieren (ENTSCHEIDUNG 2002/106/EG; MOENNIG et al. 2003).
Pränatale Infektion:
Bei der pränatalen Übertragung wird die tragende Sau infiziert und erkrankt mild bzw.
subklinisch. Das Virus ist in Folge der Virämie in der Lage, diaplazentar die Früchte zu infizieren. Die Art und Ausprägung der Symptome der Feten ist abhängig vom Trächtigkeitsstadium zum Infektionszeitpunkt, Alter und Immunstatus des Muttertieres sowie der Virulenz des KSPV-Stammes (MEYER et al. 1980). In der frühen Phase der Trächtigkeit kommt es zum Umrauschen, zu Aborten bzw.
Totgeburten, aber auch zu Mumifikationen und Missbildungen. Infektionen zwischen dem 50. – 70. Trächtigkeitstag führen zur Geburt persistent virämischer Ferkel, die zum Teil post partum klinisch unauffällig sind und mehrere Monate überleben können, bevor sie dann aufgrund von Auszehrung und Kümmern verenden. Es werden auch Ferkel mit allgemeiner Lebensschwäche oder kongenitalem Tremor geboren. Sie alle sind immuntolerant und scheiden konstant große Virusmengen aus (MOENNIG et al. 2003). Nach dem 87. Trächtigkeitstag infizierte Ferkel werden in der Regel nicht virämisch geboren (MEYER et al. 1981). Innerhalb eines Wurfes sind erhebliche Unterschiede in der Ausprägung der Symptome möglich (FREY et al.
1980).
2.1.5 Diagnostik
Durch die Entscheidung 2002/106/EG der Kommission vom 1. Februar 2002 zur Genehmigung eines Diagnosehandbuchs mit Diagnosemethoden, Probennahmeverfahren und Kriterien für die Auswertung von Laboruntersuchungen zur Bestätigung der Klassischen Schweinepest wird die Einheitlichkeit der Diagnoseverfahren in der EU gewährleistet.
Kriterien, die zur klinischen Untersuchung für die Erkennung KSP-verdächtiger Betriebe herangezogen werden, sind:
- Fieber mit erhöhter Morbidität bzw. Mortalität
- Fieber mit hämorrhagischem Syndrom oder neurologischen Symptomen - therapieresistentes Fieber
- Aborte und zunehmende Fruchtbarkeitsstörungen - chronisch kranke Tiere
- kongenitaler Tremor bei Ferkeln und Kümmern
- KSP-typische pathologische Befunde wie petechiale Blutungen und Infarkte in Organen sowie diphteroide Ulzera (Button ulcer) vor allem nahe der Ileocaecalklappe
- epidemiologischer Nachweis von direkten und indirekten Kontakten zu infizierten Haus- und Wildschweinen bzw. infizierten Materialien
- serologisch positive Befunde
Zudem sind Kontrollen und Stichprobenuntersuchungen vorgeschrieben. Bei den Untersuchungen kommt es zur Überprüfung der Produktionsbücher und den tiergesundheitlichen Aufzeichnungen. Außerdem wird jede Untereinheit des Betriebes zur Auswahl der klinisch zu untersuchenden Tiere begutachtet. Die Messung der Körpertemperatur wird vorzugsweise bei kranken Tieren oder anorektischen Tieren, vor kurzem genesenen Tieren oder Tieren, die in irgendeiner Weise Kontakt zum KSPV gehabt haben könnten, durchgeführt.
Sind diese Tiere in einem Betrieb nicht vorhanden, sind mindestens so viele Schweine zu untersuchen, dass mit einer Nachweissicherheit von 95% eine
Fieberprävalenz von 10% (Sauen 5%; Schlachttiere 20%) festgestellt werden kann.
Dies geschieht nach dem Zufallsprinzip aus den verdächtigen Untereinheiten. Eber werden alle untersucht. Für serologische Untersuchungen gilt ein ähnlicher Untersuchungsschlüssel. Je nach Seuchenlage werden einige Tiere pathomorphologisch untersucht und Organproben entnommen.
Ein Ausbruch der Schweinepest liegt vor, wenn diese durch virologische Untersuchungen (Virus- oder Antigennachweis), im Falle von Sekundärausbrüchen durch klinische und pathologisch-anatomische Untersuchungen oder durch serologische Untersuchungen (Antikörpernachweis) in Verbindung mit epizootiologischen Anhaltspunkten festgestellt worden ist.
Die amtlichen Untersuchungen der Landesuntersuchungsämter werden in Deutschland im Nationalen Referenzlabor für Klassische Schweinepest im FLI auf der Insel Riems bestätigt und koordiniert.
Die Laboratoriumsdiagnose der KSP ist dabei EU-weit verbindlich und standardisiert.
Der direkte Erregernachweis ist in all jenen Fällen gefordert, in denen ein KSPV Infektionsverdacht bei akuten Krankheits- oder Todesfällen geäußert wird. Der Nachweis kann an lebenden oder verendeten Tieren erfolgen. Als Methoden stehen dabei der Virusnachweis in Zellkultur (Virusisolierung) und die Polymerasekettenreaktion (PCR) nach reverser Transkription (RT) zum Virusgenomnachweis zur Verfügung. Bei der Virusisolierung wird Probenmaterial auf empfängliche Zellen vom Schwein inkubiert. Ist infektiöses Virus vorhanden, kann seine Vermehrung durch immunhistologische Methoden nachgewiesen werden.
Diese Methoden sind arbeitsaufwendig und zeitintensiv. Ein spezifischer Nachweis anhand monoklonaler Antikörper mit einer Epitop-Spezifität für KSPV ist sinnvoll, um seltene Infektionen mit anderen Pestiviren, wie z. B. dem BVDV, auszuschließen.
Als schnellere, sensitive und spezifische Alternative zur Virusisolierung sind verschiedene RT-PCR- und real-time RT-PCR- Protokolle entwickelt worden. Diese Methode bietet sich zur schnellen ätiologischen Diagnose an. In der Routinediagnostik hat die PCR die Virusisolierung in fast allen Ländern abgelöst. Die
Virusisolierung dient der Bestätigung und der möglichen Charakterisierung von Isolaten.
Daneben gibt es auch noch die Möglichkeit des Virusantigennachweises mit Hilfe eines Fluoreszenzantikörpertests (FAT) bzw. eines Enzyme linked Immunosorbent Assay (ELISA), wobei die Sensitivität relativ gering, die diagnostische Brauchbarkeit in positiven Fällen oder zusammen mit der kulturellen Virusisolierung oder der schnelleren RT-PCR aber gegeben ist. Vorteile dieser Methoden sind ihre schnelle Durchführbarkeit und beim ELISA die Möglichkeit der automatisierten Probenuntersuchung.
Bei einem Primärausbruch erfolgt eine genetische Typisierung des Virus, um epidemiologische Nachforschungen zu unterstützen. Das EU-Referenzzentrum für Klassische Schweinepest an der Tierärztlichen Hochschule Hannover unterhält eine Datenbank, in die alle diese Daten eingespeist und gesammelt werden; sie sind für alle nationalen Referenzlaboratorien der EU Mitgliedsstaaten zugänglich.
Bei akuten KSP-Ausbrüchen spielt der indirekte Infektionsnachweis eine untergeordnete Rolle. Hingegen ist er bei der Suche nach unerkannt infizierten Beständen in der Folge eines Ausbruchs oder aber bei Importuntersuchungen von Bedeutung. Der Antikörpernachweis ist darüber hinaus wichtiges Kriterium bei den Überwachungsuntersuchungen der Wildschweinpopulation. Dabei stellt der Virus- Neutralisationstest die empfindlichste und zuverlässigste Antikörper (AK) - Nachweismethode dar. Da der Test verhältnismäßig arbeits- und zeitaufwendig ist, wird jedoch für Massenuntersuchungen der Antikörper-ELISA verwendet.
2.1.6 Verbreitung der Klassischen Schweinepest
Die Klassische Schweinepest ist eine der international bedeutendsten anzeigepflichtigen Tierseuchen. Sie war lange Zeit nicht klar abgegrenzt von anderen Schweineerkrankungen wie z. B. der Schweineseuche, so dass in Fachkreisen sehr unterschiedliche Meinungen über das Auftreten der ersten Fälle weltweit bestehen (SCHWARZ 2005).
Erstmals wurde diese Erkrankung 1833 in Ohio, USA, offiziell beschrieben (DAHLE u. LIESS 1992). Kurz danach traten auch vermehrt Fälle in Europa auf. England war 1862 das erste europäische Land, es folgten 1887 Schweden und Dänemark und 1894 auch Deutschland, Österreich und Ungarn. Ende des 19. Jahrhunderts gab es kein Land in Europa, das nicht von der Klassischen Schweinepest betroffen war. In dieser Zeit wurden in einigen Ländern bereits Gesetze zur Bekämpfung dieser Tierseuche erlassen (SCHWARZ 2005).
EU-Staaten wie Dänemark, Finnland, Irland, Norwegen und Schweden haben es mit strikten Eradikationsprogrammen geschafft, das Virus zu eliminieren und sind seit über 40 Jahren KSPV-frei. Weltweit sind u. a. auch Australien, Kanada, Neuseeland und die USA seit über 30 Jahren frei von dieser Erkrankung (WAHID INTERFACE 02.01.2011).
In den letzten Jahren ist das KSPV in Ländern der Europäischen Union (EU) immer wieder präsent gewesen. Im Zeitraum von 2008 bis 2009 ist die KSP in Bulgarien, Kroatien, Ungarn, Rumänien, der Slowakei, Litauen und Deutschland aufgetreten. In jüngerer Zeit 2011 nochmals in Litauen und 2012 in Lettland. In einigen Ländern, wie z. B. Deutschland, führt das rezidivierende Vorhandensein von KSPV in der Wildschweinpopulation dazu, dass sie phasenweise (2009) als nicht KSPV frei eingestuft werden (WAHID INTERFACE 13.10.2013).
In Bezug auf KSPV-Infektionen in deutschen Hausschweinebeständen sind die letzten Ausbrüche 2006 in Nordrhein-Westfalen im Zeitraum von März bis Mai mit 366 gemeldeten Fällen zu verzeichnen gewesen (WAHID INTERFACE 09.08.2011).
KSP-Ausbrüche in der Bundesrepublik Deutschland sind von besonderer Bedeutung, da Deutschland EU-weit das Land mit der zweitgrößten Schweinepopulation ist. 2012 waren es 27,4 Millionen Tiere, gefolgt von Polen mit über 17,2 Millionen Tieren und Frankreich mit 13,9 Millionen. Auf den Rängen fünf und sechs liegen Dänemark und die Niederlande. Spitzenreiter in der europäischen Schweineproduktion ist im Jahre 2012 Spanien mit 27,5 Millionen Tieren. Die Schweinedichte (Anzahl Tiere pro km 2) ist in Dänemark, den Niederlanden und Belgien mit Abstand am höchsten, Deutschland liegt hierbei auf Platz fünf (WAHID INTERFACE 13.10.2013).
2.1.7 Epidemiologie und Bekämpfungsstrategien in der Europäischen Union Als Hauptursachen für Primärausbrüche der KSP sind indirekte und direkte Kontakte mit Wildschweinen (59%) und die illegale Verfütterung von Speiseabfällen (23%) zu nennen (FRITZEMEIER et al. 2000).
Bei der Weiterverbreitung des Virus spielen die häufig sehr späte Diagnose aufgrund der unspezifischen Symptome und die allgemeine Furcht vor dieser Tierseuche eine große Rolle (MOENNIG 2000). Aber auch der nationale und internationale Handel mit Tieren über weite Strecken (28%); die hohe Dichte von Beständen und Tieren in einigen Gebieten (24%), vermehrte Personen- und Fahrzeugkontakte (24%) (FRITZEMEIER et al. 2000), sowie mangelnde Hygienemaßnahmen, fehlendes Managementwissen und der geringe Anteil geschlossener Betriebssysteme sind wichtige Faktoren. Die z.T. unsachgemäß gezogenen Stichproben im Rahmen von Überwachungsmaßnahmen können ebenfalls zu einer erheblichen zeitlichen Verzögerung in der Bekämpfung der KSP führen. Die so genannte High Risk Period 1 (HRP1) d.h., die Zeitspanne zwischen dem ersten Auftreten von KSPV Infektionen in einem Bestand und der Anzeige der Tierseuche und der High Risk Period 2 (HRP2) d.h., der Zeitraum zwischen der ersten Entdeckung und der Einleitung von Maßnahmen zur Verhinderung der Virusausbreitung haben, bei Ausbrüchen in der EU in den letzten Jahren, drei bis zehn Wochen betragen. Beim letzten Ausbruch in Deutschland vergingen 10 Wochen. Zeit, in der das Virus sich ungehindert weiter ausbreiten konnte (DEPNER et al. 2006). In den Niederlanden hat es erste Entwicklungen gegeben, anhand eines Clinical Decision Support Systems (CDSS) mehr Objektivität in die klinische Diagnose der KSP zu bringen (LOEFFEN 2008). In zwei Drittel aller Fälle werden Primärausbrüche aufgrund von klinischen Untersuchungen entdeckt. Die auch in der Bundesrepublik Deutschland stattfindenden routinemäßigen Stichprobenuntersuchungen bei Hausschweinen haben allerdings nicht immer den gewünschten Erfolg. Bei der Detektion von Folgeausbrüchen werden 71 % über klinische Symptome und 20 % über Tracing on and back ermittelt. Der nicht unerhebliche wirtschaftliche Schaden nach einem
Seuchenzug kommt hauptsächlich durch die Keulung auch nicht infizierter Bestände in Sperr- und Beobachtungsgebieten und der Kontaktbetriebe zustande (FRITZEMEIER et al. 2000; MOENNIG et al. 2003). Durch das z. T. wochenlang andauernde Stand Still in den betroffenen Gebieten kommt es zu erheblichen Tötungsmaßnahmen aus tierschutzrechtlichen Gründen. Bei dem Seuchenzug in den Niederlanden 1997/1998 wurden insgesamt über 11 Millionen Tiere gekeult, wobei nur 700.000 Tiere direkt vom Seuchengeschehen betroffen waren (MOENNIG et al.
2003).
Die Bekämpfung der KSP ist in der EU durch die Richtlinie 2001/89/EG des Rates vom 23. Oktober 2001 über Maßnahmen der Gemeinschaft zur Bekämpfung der Klassischen Schweinepest geregelt. Sie beinhaltet Mindestanforderungen, wobei die zu erreichenden Ziele in jedem Mitgliedsstaat der EU verbindlich sind. Die Art und Weise der Ausführung bleibt den Staaten jedoch selbst überlassen. Darüber hinaus steht es jedem Land frei, seine Gesetze strenger zu formulieren. Wichtige Punkte dieser Richtlinie sind:
Die Erstellung von Krisenplänen, welche u.a. Angaben über Gebiete mit hoher Schweinedichte und den Bedarf an Impfstoffen beinhalten. Außerdem bedarf es der Einrichtung nationaler und regionaler Tierseuchenbekämpfungszentren sowie einer ständig einsatzfähigen Sachverständigengruppe.
Die Verfütterung von Küchenabfällen an Schweine ist verboten.
Der Verdacht und bestätigte Ausbrüche müssen umgehend an die zuständige EU Kommission und die übrigen Mitgliedsstaaten gemeldet werden.
Bei Verdacht auf KSP unterliegt der betroffene Betrieb der amtlichen Überwachung.
Es wird eine sofortige Bestandssperre verhängt und eine Tierbestandsaufnahme durchgeführt. Desinfektionsmaßnahmen sind zu ergreifen, ggf. werden ein Teil der Tiere oder alle vorsorglich gekeult, Proben genommen und eine Kontrollzone wird ausgewiesen.
Nach Bestätigung der KSP sind alle Schweine zu töten und zu verarbeiten, infizierte Materialien (Sperma, Eizellen, Fleisch) sowie möglicherweise verseuchte Stoffe sind so zu behandeln, dass eine Abtötung des Virus gewährleistet ist. Der Betrieb wird einer gründlichen Reinigung und mehrfachen Desinfektion unterzogen. In Schweinedichten Gebieten kann die Tötung aller Hausschweine in einem Radius von 1000 m angeordnet werden. Frühestens 30 Tage nach Abschluss dieser Arbeiten dürfen neue Tiere eingestallt werden. Diese müssen nach 40 Tagen nochmals getestet werden oder der betreffende Stall muss sechs Monate leer geblieben sein.
Bei Freilandhaltung werden zunächst Sentinel-Tiere eingestallt. Weisen sie nach 40 Tagen ein negatives Testergebnis auf, darf der Betrieb komplett neu einstallen.
In infizierten Transportern oder bei infizierten Tieren auf dem Schlachthof müssen alle Tiere getötet und verarbeitet werden, es folgt eine epidemiologische Untersuchung mit Virustypisierung. Neue Tiere dürfen frühestens 24 Stunden nach Reinigung und Desinfektion in diese Räume wieder eingestallt werden.
Untersuchungsmaßnahmen werden gemäß der Entscheidung 2002/106/EG der Kommission vom 1. Februar 2002 zur Genehmigung eines Diagnosehandbuchs mit Diagnosemethoden, Probennahmeverfahren und Kriterien für die Auswertung von Laboruntersuchungen zur Bestätigung der Klassischen Schweinepest durchgeführt.
Es hat ein Tracing on and back zu erfolgen, d.h. sowohl die Herkunftsbetriebe als auch die Folgebetriebe müssen auf KSPV untersucht werden. Kontaktbetriebe gelten bis zum Ausschluss der KSP als verdächtig.
Bei Primärausbrüchen ist eine genetische Typisierung des Virus durchzuführen. Um den Ausbruchsherd herum müssen ein Sperrbezirk mit einem Mindestradius von drei Kilometern und eine Beobachtungsgebiet mit einem Mindestradius von zehn Kilometern eingerichtet werden. Es besteht ein Stand Still, d.h. ein sofortiges Verbringungsverbot innerhalb eines definierten Bereiches über eine Zeit von mindestens 21 Tagen (Beobachtungsgebiet) bzw. 30 Tagen (Sperrbezirk) nach Grobreinigung und Vordesinfektion der Seuchenbetriebe sowohl für Schweine als auch für andere Tierarten zum Schutz vor Verschleppung der KSP. Alle Betriebe in
diesen Zonen müssen erfasst und innerhalb einer Woche vom amtlichen Tierarzt klinisch untersucht werden. Die regionale Öffentlichkeit muss über Verhaltensmaßregeln usw. informiert werden.
Kommt es zu Primärausbrüchen in der Wildschweinpopulation, muss eine Sachverständigengruppe des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) das Seuchengebiet charakterisieren und entsprechende Maßnahmen festlegen. Alle Schweinehaltungsbetriebe in dem betreffenden Gebiet unterstehen der amtlichen Überwachung. Innerhalb von 90 Tagen muss ein Seuchentilgungsplan ausgearbeitet sein. Alle sechs Monate ist ein Bericht an die EU Kommission und die Mitgliedsstaaten zu senden.
Das Impfen gegen die KSP ist grundsätzlich verboten. Für den Fall, dass eine weitere Ausbreitung der KSP zu erwarten ist, ist es aber möglich, der EU- Kommission einen Notimpfplan vorzulegen, der von dieser genehmigt werden muss.
Dies gilt sowohl für Haus- als auch für Wildschweine.
Notimpfungen haben strenge Handelsrestriktionen der EU und der OIE bezüglich des Exportes frischen Schweinefleisches in Drittländer und in die übrigen EU Mitgliedsstaaten zur Folge. Der nationale Handel mit dem Fleisch geimpfter Tiere ist erlaubt.
In Deutschland wurde aufgrund des endemischen Vorkommens des KSPV in der Wildschweinepopulation eine Kombination aus oraler Immunisierung durch Köder und gezielter Bejagung der Jungtiere zur Reduzierung der Anzahl empfänglicher Tiere durchgeführt (SODEIKAT u. POHLMEYER 2004; BMLEV 2011).
Des Weiteren werden in Deutschland folgende Hilfsmittel zur Prophylaxe und Bekämpfung von Tierseuchen angewandt: das bundesweite Tierseuchennachrichtensystem (TSN), das Trade Control and Expert System (TRACES) zur Überwachung des internationalen Handels lebender Tiere und zur
Überwachung von Importen aus der EU sowie das
Tierseuchenbekämpfunghandbuch (TSBH) Bund und ergänzende Tierseuchenbekämpfunghandbücher der einzelnen Länder.
2.2 Infrarotthermographie
Infrarotthermographie (IRT) bezeichnet die Messung und Visualisierung der von einem Objekt abgestrahlten thermischen Energie mit Hilfe einer Kamera. Im Jahre 1800 entdeckte William Herschel bei optischen Experimenten das Vorhandensein einer unsichtbaren Wärmestrahlung. Er ließ Sonnenlicht durch ein Dispersionsprisma fallen und wies die Wärmestrahlung, die jenseits des sichtbaren roten Lichtspektrums liegt, mit einem Thermometer nach (SCHUSTER u. KOLOBRODOV 2004, S. 16).
Zunächst wurden ausschließlich Thermometer zum Messen der Abstrahlung verwendet. 1829 erfand Nobili das Thermoelement. Melloni entwickelte 1833 die Methode weiter, in dem er mehrere Thermoelemente in Serie schaltete und somit die erste Thermosäule schuf. Ihre Empfindlichkeit war vierzig Mal höher als das beste zu dieser Zeit vorhandene Thermometer. 1840 schaffte es John Herschel, Infrarotstrahlung an dünnen Ölfilmen in ein für das menschliche Auge sichtbares Bild umzusetzen. Im Laufe der Jahre wurde die Empfindlichkeit der Detektoren immer weiter verbessert. 1880 gelang Langley ein Durchbruch mit der Erfindung des Bolometers, d.h. die Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit der Temperatur zum Nachweis der Infrarotstrahlung. Dewar war der erste, der bei Forschungen mit niedrigen Temperaturen flüssige Gase als Kühlmittel verwendete.
Ab 1900 begannen Wissenschaftler aus aller Welt, sich für den infraroten Temperaturbereich zu interessieren. Die ersten modernen Überwachungssysteme wurden während des ersten Weltkrieges entwickelt. Lange Zeit blieb die Technologie dem Militär vorbehalten. Erst Mitte der fünfziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde die Geheimhaltungspflicht aufgehoben und die Infrarotthermographie auch der zivilen Forschung und Industrie zugänglich gemacht (FLIR SYSTEMS GMBH 2006).
Die Vorteile der IRT liegen in ihrer berührungslosen Messtechnik. Die Methode ist rückwirkungsfrei, d.h. es bestehen keine Interferenzen und Energieverluste. Auch bewegte Objekte können gemessen werden. Die Temperaturmessung über größere Distanzen und von hohen Temperaturen ist möglich. Außerdem können
kontaminationsfreie Messungen an biologischen Materialien und Messungen sich schnell verändernder Temperaturen oder von Temperaturverteilungen durchgeführt werden (BERNHARD 2004, S.979). Voraussetzungen für die Strahlungstemperaturmessung sind u.a. die optische Zugänglichkeit der Oberfläche und die Geräte-Optik muss vor Staub und kondensierenden Flüssigkeiten geschützt werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass bei diesem Verfahren nur die Oberflächentemperatur eines Objektes bestimmt werden kann (GRUNER 2007).
Ausnahmen in Form von teiltransparenten Körpern aus speziellen Kunststoffen und Glas bei bestimmten Wellenlängen, bei denen auch teilweise Temperaturen innerhalb des Objektes gemessen werden können, bestätigen die Regel.
Bei der Ermittlung aussagefähiger Werte spielen folgende Faktoren eine große Rolle:
die Temperaturverteilung im Messfeld, Kenntnisse über die Strahlungseigenschaften (Emissionsgrad) des Messobjektes, der Transmissionsgrad der Übertragungsstrecke bzw. der spezifisch eingestellte Transmissionswert eines evtl. vorhandenen zweiten Objektivs (wie z.B. eine Folie vor der Linse), evtl. vorhandene reflektierte Strahlung anderer Objekte bzw. Umgebungsstrahlung, gerätebezogene Einflussfaktoren wie Qualität des Objektivs, Anzahl und Empfindlichkeit der einzelnen Messpunkte, Höhe von Messunsicherheiten (Temperaturdrift) und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, sowie Bildschärfe, Objektabstand, die atmosphärische Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit (Bernhard 2004, S. 979+ 1139 ff. + 1153) sowie der Winkel zwischen Kamera und Objekt.
Die atmosphärische Transmission ist abhängig von der Entfernung zum Messobjekt, der Zusammensetzung der Luft (Wasserdampf und Kohlendioxid u.a.) und der Wellenlänge. Bei einer Wellenlänge von 3-5 µm und 8-14 µm spricht man von so genannten atmosphärischen Fenstern. Der Transmissionsgrad der Luft ist hier nahe 1 und kann somit als Einflussfaktor außer Acht gelassen werden (Abb. 2.1) (GRUNER 2007; WIRTHGEN 2007).
Abb. 2.1: Messstrecke Luft bei einem Abstand von 10 m, einer Lufttemperatur von 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% (MAYER 2011)
Der Winkel ist von Bedeutung, da der Emissionsgrad winkelabhängig ist. Bei einem Beobachtungswinkel zwischen 90° und 45 ° zur Oberfläche kann bei Nichtleitern der Fehler vernachlässigt werden. Diese Tatsachen beruhen auf dem Lambertschen Gesetz, welches die Abhängigkeit der Strahlendichte eines ideal diffus reflektierenden Flächenstücks vom Betrachtungswinkel beschreibt. Ein Körper, der dem Lambertschen Gesetz gehorcht, wird stets richtig gemessen, da der Strahlungsabfall des Lambertschen Gesetzes durch die Messfeldvergößerung theoretisch kompensiert wird. Reale Körper stimmen jedoch nur bedingt mit dem Lambertschen Gesetz überein (Polarisation bei Metallen, Oberflächenrauheitseinflüsse bei Nichtmetallen). Bis 45° kann man von einer Übereinstimmung mit dem Lambertschen Gesetz ausgehen, darüber hinaus treten Abweichungen auf (RICHTLINIE 3511 VDI 1995; MANARA u. ARDUINI- SCHUSTER).
2.2.1 Methodik, physikalische Grundlagen, Funktionsprinzip der Infrarot- Kamera
Jedes Objekt mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von 0 K bzw.
-273,15 °C emittiert aufgrund der inneren mechanischen Bewegung von Molekülen eine thermisch angeregte elektromagnetische Strahlung. Zwischen der Oberflächentemperatur eines Körpers, der Intensität und der spektralen Zusammensetzung der von ihm ausgesandten Strahlung besteht dabei ein eindeutiger Zusammenhang. Durch die Ermittlung der Strahlungsintensität kann somit die Oberflächentemperatur eines Objektes berührungslos bestimmt werden.
Sie wird als Infrarot (IR) -strahlung bezeichnet, da der größte Teil der abgegebenen Wärmestrahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt (Spektralbereich von 0,78 µm bis 1000 µm). Hierbei wird zwischen dem nahen, mittleren und fernen Infrarot unterschieden (BERNHARD 2004, S. 979). Aufgrund der wellenlängenabhängigen Dämpfung der IR Strahlung in der Atmosphäre nutzen die Bild gebenden IR- Systeme entweder das Kurzwellenband von 3-5 µm oder das Langwellenband von 8-14 µm, d. h. es werden jeweils Detektorelemente eingesetzt, die nur in einem eingeschränkten Wellenlängenintervall Strahlung registrieren. Der Kurzwellenbereich ist besonders geeignet für Messung von hohen Temperaturen (200-1000°C) und der Langwellenbereich besonders gut für Messungen von niedrigeren Temperaturen (< 200°C). Mit dieser Methodik sind Temperaturmessungen insgesamt von – 100°C bis + 3000 °C möglich (BERNHARD 2004, S. 979+1141 ff.).
1 µm 0,4 0,
7
2 µm 5 µm 10 µm 13 µm
Thermisches Infrarot
sichtbares Licht
1 km 100 m 10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 0,1 µm 0,01 µm 10 Å
1 Å 0,1 Å
Röntgen X Gamma
g UV IR InfrarotIR Infrarot Mikro-wellen Radiowellen
SHF UHF KW
UK
W MW
1 µm 0,4 0,
7
2 µm 5 µm 10 µm 13 µm
nahes IR
Wellenlängel[µm]
mittleres fernes IR extremes IR
SW LW
1 µm 0,4 0,
7
2 µm 5 µm 10 µm 13 µm
1 µm 0,4 0,
7
2 µm 5 µm 10 µm 13 µm
Thermisches Infrarot
sichtbares Licht sichtbares Licht
1 km 100 m 10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 0,1 µm 0,01 µm 10 Å
1 Å
0,1 Å 1 Å 10 Å 0,01 µm 0,1 µm 1 µm 10 µm 100 µm 1 mm 10 mm 100 mm 1 m 10 m 100 m 1 km 0,1 Å
Röntgen X Gamma
g UV IR InfrarotIR Infrarot Mikro-wellen Radiowellen
SHF UHF KW
UK
W MW
1 µm 0,4 0,
7
2 µm 5 µm 10 µm 13 µm
nahes IR
Wellenlängel[µm]
mittleres fernes IR extremes IR
SW LW
Abb. 2.2: elektromagnetisches Wellenlängenspektrum (FLIR SYSTEMS GMBH b)
Die einfallende Wärmestrahlung wird mittels einer speziellen Linse auf ein IR- Detektorelement (FPA = Focal Plane Array) fokussiert. Dieser integrierte Bildsensor besteht aus vielen Mikrobolometern (=Pixeln) welche erwärmt werden. Damit ändert sich ihr elektrischer Widerstand, der dann in ein der Strahlung proportionales elektrisches Signal umgewandelt wird. Das Signal wird verstärkt und mit Hilfe nachfolgender digitaler Signalverarbeitung in eine der Objekttemperatur proportionalen Ausgangsgröße umgesetzt. Diese Messwerte können dann auf dem Display innerhalb eines Bildes durch unterschiedliche Farben bzw. Graustufen dargestellt werden. Zur Kompensation von Umgebungstemperatureinflüssen wird mittels weiterer Detektoren die Temperatur des Messgerätes bzw. des optischen Kanals erfasst. Die Berechnung der Temperatur des Messobjektes erfolgt somit in drei Schritten.
1. Umwandlung der Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal 2. Kompensation der Geräte- und Hintergrundstrahlung
3. Ausgabe der Temperaturinformation (OPTRIS 2011)
Dazu verfügen IR Kameras über eine Software die auf der Grundlage der Strahlungsgesetze (siehe nachfolgender Absatz) die erforderlichen Berechnungen durchführt und gleichzeitig die realen Bedingungen der Messung berücksichtigt (FLIR SYSTEMS 2006).
Relevante Strahlungsgesetze wurden von den Physikern Planck, Stefan, Boltzmann, Wien und Kirchhoff definiert. Sie untersuchten das elektromagnetische Spektrum genauer und stellten qualitative und quantitative Zusammenhänge zur Beschreibung der infraroten Energie dar (OPTRIS 2011). Elektromagnetische Strahlung, die auf einen Körper trifft, kann sowohl absorbiert, transmittiert als auch reflektiert werden.
Dies wird von den stofflichen Eigenschaften und der Oberfläche des bestrahlten Körpers beeinflusst. Es ergibt sich folgende Energiebilanz: Absorptionsgrad + Reflexionsgrad + Transmissionsgrad = 1 (FOUAD u. RICHTER 2006 S. 11 ff;
GRUNER 2007).
Das Plancksche Strahlungsgesetz gibt die Strahlungsintensität eines idealisierten Schwarzen Körpers in Abhängigkeit zur Wellenlänge und Temperatur im Vakuum an.
Je höher die Temperatur des Körpers, desto stärker ist seine elektromagnetische Abstrahlung. Integriert man über alle Wellenlängen, erhält man die spezifische Gesamtstrahlungsleistung (Stefan-Boltzman`sches Gesetz). Die emittierte Gesamtstrahlung nimmt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur zu. Die Wellenlänge, bei der die maximale Strahlungsleistung vorhanden ist, erhält man mit dem Wienschen Verschiebungsgesetz. Bei hohen Temperaturen verschiebt sich das Strahlungsmaximum zu kleineren Wellenlängen hin. Laut Kirchhoffschem Strahlungsgesetz sind Absorptionsgrad gleich Emissionsgrad, somit ist es möglich, die Strahldichte realer Temperaturstrahler zu berechnen. Die Strahldichte ist der Strahlungsfluss (die Leistung) eines Körpers unter Berücksichtigung des Strahlungswinkels bezogen auf ein Oberflächenelement des Strahlers (Bernhard 2004, S.980+985-989; OPTRIS 2011).
Ein Schwarzer Strahler (Schwarzer Körper) ist ein hypothetischer Körper, welcher jegliche auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Wellenlänge vollständig absorbiert. Die Strahldichte hängt also nur von der Objekttemperatur ab.
Er stellt die Referenz im Bereich der berührungslosen Messtechnik dar und dient zur Kalibrierung von IR-Thermometern und IR-Kameras. Qualitativ sehr hochwertige Ausführungen von "Schwarzen Strahlern" erreichen Emissionsgrade von 0,9999 also nahezu 1 (OPTRIS 2011). Der Emissionsgrad eines Stoffes gibt an, wie viel Strahlung im Vergleich zum Schwarzen Strahler, bei gleicher Temperatur abgegeben
wird. Er kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen und ist u.a. abhängig von der Zusammensetzung des Stoffes, der Oberflächenbeschaffenheit (z.B. Struktur, Rauhigkeit, Flüssigkeitsfilme), der Temperatur, sowie der Richtung der emittierten Strahlung (bei spiegelnd reflektierenden Oberflächen) und der Wellenlänge der emittierten Strahlung. Der Emissionsgrad ist durch verschiedene Methoden ermittelbar. Tabellenwerte sollten nur als Orientierung genutzt, bzw. für die Auswahl eines geeigneten Messgerätes herangezogen werden (RICHTLINIE 3511 VDI 1995;
SCHUSTER u. KOLOBRODOV 2004, S.61). So genannte Graue Strahler besitzen einen über die Wellenlängen konstanten Emissionswert der aber niedriger als beim Schwarzen Strahler ist. Im Gegensatz dazu ist der Emissionsgrad eines selektiven Strahlers Temperatur-, Wellenlängen- und Ausstrahlungsrichtungsabhängig (BERNHARD 2004, S.994).
Die Kalibrierung von Strahlungsthermometern erfolgt unabhängig von ihrem Wirkprinzip stets an Schwarzen Strahlern ohne den Einfluss von Fremdstrahlung. Bei Strahlungstemperaturmessungen an realen Messobjekten unter nicht idealen Umweltbedingungen müssen daher eine ganze Reihe von Einflussfaktoren auf das Messergebnis, verschiedenste Fehlerquellen und Abweichungen von idealen Voraussetzungen beachtet werden. Der entstehende systematische Gesamtfehler setzt sich aus der Überlagerung mehrerer Einzelfehler des Messobjektes, der Messumgebung, der Technik und der Übertragungsstrecke zusammen (BERNHARD 2004, S. 1001).
2.2.2 Anwendung
Die Infrarotthermographie (IRT) findet heutzutage weltweit eine vielseitige Anwendung und hat sich mittlerweile in den unterschiedlichsten Bereichen etablieren können. Hierzu gehört unter anderem die Industrie, wie z.B. Elektronik- und Halbleiterindustrie, Baustoffindustrie und das Baugewerbe (Auffinden von Wärmebrücken, Leckagen und Dämmfehler von Häusern) (FOUAD u. RICHTER 2006), Metallurgie und –bearbeitung, Glas- und Keramikherstellung und Papier-, Textil- und Kunststoffindustrie sowie die Lebensmittelindustrie. Aber auch im Bereich der Energietechnik, Verfahrenstechnik und zerstörungsfreien Werkstoffprüfung hat die IRT Anwendung gefunden. In der Brandüberwachung, zur Deponieerkundung, in der Klimatechnik, der Kriminalistik und im Rettungswesen sowie in der Landwirtschaft (Silofutter, Verrottungsprozesse, Stallklima) ist die IRT ebenfalls eine wertvolle Unterstützung (BERNHARD 2004, S.1145-1147, 1195-1199).
2.2.2.1 Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin
Auch in der Human- und Veterinärmedizin hat die IRT als ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren Eingang in die Diagnostik gefunden. Es ist möglich, abnorme Temperaturverteilungen auf der Körperoberfläche festzustellen, aus denen Rückschlüsse auf Erkrankungen der Haut oder dicht darunter liegender Strukturen gezogen werden können (SCHUSTER u. KOLOBRODOV 2004, S.316).
Im humanmedizinischen Bereich sind dies z.B. die Rheumatologie und die Tumorfrüherkennung (Mammakarzinome, Hautkrebs), die Überwachung von Laserbehandlungen in der Ophthalmologie, Kontrolle und Steuerung der Abkühlung und Wiederaufwärmung bei Herzoperationen und in der Ohrchirurgie (BERNHARD 2004, S.1196). Aber auch in den Bereichen der Überwachung der Körpertemperatur von Früh- und Neugeborenen (LANGLAIS 2003), der Diagnostik von Entzündungen und Durchblutungsstörungen ist die IRT in der Vergangenheit erfolgreich eingesetzt worden (BERNHARD 2004, S. 1145; MEYER AUF DER HEIDE 2006).
In der Veterinärmedizin liegen die Anwendungsschwerpunkte beim Pferd im Bereich der Diagnostik orthopädischer Erkrankungen, aber auch bei Abszessen und Thrombophlebitiden konnte das Verfahren Anwendung finden (CRONAU et al. 1990).
WEIL bestätigte 1997 die Einsatzfähigkeit der IRT im Bereich der Gliedmaßen des Pferdes, betonte jedoch die Relevanz zusätzlicher diagnostischer Verfahren.
SCHULZE bestätigt 2004 ebenfalls die Anwendbarkeit der IRT im Bereich des Hufes.
Bei Untersuchungen von KALINOWSKI 2007 zum Einfluss von Infrarot-C-Strahlung auf Rückenbeschwerden bei Reitpferden nach Behandlung in einem Thermium zeigten Thermographieaufnahmen keine Abweichungen vom Normalbild, so dass sich die Untersuchungsmethode in diesem Fall als nicht zuverlässiges Diagnostikum für Rückenerkrankungen beim Pferd herausgestellt hat. 1994 untersuchte VAN DE RIJDT erfolgreich die Brauchbarkeit der IRT beim Hund besonders unter dem Aspekt der Schmerz- und Lahmheitsdiagnostik bei Weichteilerkrankungen in der Orthopädie.
In Bereichen der Nutztierpraxis gab es Versuche bezüglich der Anwendbarkeit der IRT zur Darstellung von Stress bei Rindern in Hinblick auf die artgerechte Tierhaltung und den Tierschutz (STEWART et al. 2005). Des Weiteren gab es Untersuchungen zur Ermittlung des Gesundheitszustandes von Kühen während des Melkvorganges anhand IR-basierter Kenngrößen (WIRTHGEN 2007), Untersuchungen zur Anwendbarkeit der IRT in der Mastitisdiagnostik (GLAS 2008), sowie zur Diagnostik von Klauenerkrankungen, Mastitiden und Beurteilung des Allgemeinbefindens im Rahmen eines Herdengesundheitsmonitorings (PASSARGE 2013).
Beim Schwein wurde unter anderem die Anwendbarkeit der IRT zur Diagnose von Arthritiden untersucht, wobei die Eignung der Thermographie zur Erfassung von Entzündungen an den Gliedmaßen von Mastschweinen aber nicht bestätigt werden konnte (GABRIEL 2008; SAVARY 2008).
In der Zoo- und Wildtiermedizin hat die IRT auch Anwendung gefunden (HILSBERG 2000). In den Studien wurde die Anwendbarkeit im Bereich der Thermoregulation, der Trächtigkeitsdiagnostik und der Diagnostik von Entzündungen u.a. bei Elefanten, Zebras, Nashörnern und Giraffen belegt.
Es wird immer wieder deutlich gemacht, wie wichtig es ist, die Einflussfaktoren bezüglich der Hauttemperatur zu beachten, um Messergebnisse nicht fehl zu interpretieren, was (Mindest-) Voraussetzungen für die IRT sind und wo die Grenzen der Methodik liegen (CLARK u. CENA 1977; HILSBERG 2000).
2.2.2.1.1 Fieberdetektion mittels Thermographie
In der Humanmedizin wurden in den letzten Jahren im Zuge von SARS, H5N1 und H1N1 Infektionen immer häufiger Versuche unternommen, mit Hilfe der IRT fieberhafte Menschen an öffentlichen Orten wie Flughäfen zu detektieren. Einige Forschergruppen halten die IRT zur Fieberdetektion beim Menschen mit Hilfe spezifischer Cut off Werte für grundsätzlich einsetzbar, jedoch wird auch hier immer wieder betont, wie wichtig die Berücksichtigung der unterschiedlichen Einflussfaktoren ist und wo die Grenzen dieser Methodik liegen (CHAN et al. 2004;
NG et al. 2004; CHIANG et al. 2008; ZAPROUDINA et al. 2008). NG et al. konnten 2004 in ihren Experimenten belegen, dass die IRT als Screening Methode in Hinblick auf die Erkennung von Fieber in Menschengruppen geeignet ist. Sie weisen aber ausdrücklich darauf hin, dass die Berücksichtigung der Umweltfaktoren für die Festlegung eines Schwellenwertes für spezifische Gesichtsregionen unerlässlich ist.
CHAN et al. (2004) kamen zu ähnlichen Ergebnissen, jedoch betonten sie noch eindringlicher die verschiedenen Einflussfaktoren und die Limitierung dieser Methodik. CHIANG et al. (2008) bestätigten diese Untersuchungen und ermittelten zusätzlichen einen signifikanten Einfluss des Objektiv-Objekt-Abstandes.
Worin die Herausforderungen und Fehlerquellen bei der Messung der Hauttemperatur mit Hilfe der IRT liegen, machten ZAPROUDINA et al. 2008 in ihren Untersuchungen deutlich. So haben unter anderem technische Faktoren, wie Messgenauigkeit der Kamera und Messtechnik bzw. Bildauswertung durch den Untersucher, als auch die Umweltbedingungen und die physiologische Variabilität der Blutgefäße (thermale Asymmetrien) einen Einfluss auf die Ergebnisse und sollten bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Andere Forscher halten die IRT aufgrund der vielen Einflussfaktoren und der fehlenden Standardisierbarkeit unter realen Bedingungen für diese Anwendung nach dem damaligen Stand der Wissenschaft nicht geeignet (CAMENZIND et al. 2006;
WONG u. WONG 2006). Der Einsatz dieser Screening Methode führt zu einem Sicherheitsgefühl, das wissenschaftlich nicht belegt werden konnte (WONG u.
WONG 2006). HEUSCH u. MC CARTHY machten 2004 deutlich wie wichtig es für die Ermittlung aussagekräftiger Werte ist, anthromorphe Befunde wie Körpergröße, Körpergewicht und Hautfaltendicke zu beachten. Als Ergebnis wurde eine signifikante Korrelation zwischen dem Körperfettanteil und der mittleren Hauttemperatur gefunden, bzw. eine nahezu signifikante Korrelation zwischen dem Körpertyp und der mittleren Hauttemperatur beim Menschen festgestellt.
In der Veterinärmedizin wurden zur Fieberdetektion bzw. Identifizierung von Infektionskrankheiten u.a. Versuche mit Tollwutvirus infizierten Waschbären durchgeführt, in denen zu Beginn der klinischen Symptome im Vergleich zum Prodomalstadium erhöhte Oberflächentemperaturen der Nase mit Hilfe der IRT nachgewiesen werden konnte, so dass die IRT als Screeningmethode denkbar wäre (DUNBAR u. MAC CARTHY 2006). SCHAEFER et al. konnten 2007 in ihren Versuchen an Kälbern, die mit Viren des Bovine Respiratory Disease (BRD) Komplexes infiziert waren, nachweisen, dass eine Identifizierung von abgesetzten Kälbern, im Frühstadium der BRD, noch bevor klinische Symptome auftraten mit Hilfe von IR Aufnahmen der Augenregion möglich war. Damit bestätigten sie erste diesbezügliche Ergebnisse aus 2006. Frühere Experimente, in welchen an mit BVDV infizierten Kälbern ebenfalls der Einsatz der IRT zur Früherkennung von Infektionen unter standardisierten Bedingungen getestet wurde, kamen zu ähnlichen Ergebnissen (SCHAEFER et al. 2004). Auch im Bereich der Maul- und Klauenseuche konnte die frühe Identifizierung von infizierten Rindern bzw.
Maultierhirschen aufgrund von IR Bildern der Gliedmaßen bestätigt werden (RAINWATER-LOVETT et al. 2008; DUNBAR et al. 2009).
Bei der Anwendbarkeit der Infrarotmesstechnik zur Fieberdetektion beim Schwein bestehen sehr unterschiedliche Ansichten. Zwischen 1973 und 2003 hat es einige Untersuchungen bezüglich des Einsatzes eines Infrarotthermometers zur
Hauttemperaturmessung beim Schwein gegeben. Das Ergebnis von Untersuchungen an Sauen kurz vor bzw. nach der Geburt war eine schlechte Korrelation zwischen der Hauttemperatur verschiedener Regionen und der Rektaltemperatur (ZINN et al.
1985). In anderen Untersuchungen lag eine signifikante Korrelation grundsätzlich vor (EICKHOFF 1996; WENDT et al. 1997), aber es konnten viele Einflüsse aufgezeigt werden und es fehlte eine angemessene Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit.
ZEMIRLINE et al. sahen 2002 eine Möglichkeit der Anwendung als Herdenscreening.
Für RÖHLINGER et al. (1980) bestand unter Voraussetzung der Weiterentwicklung der Geräte und der Messmethodik ein Potential der Strahlungstemperaturmessung als Untersuchungsverfahren, aber auch sie wiesen auf die fehlende Standardisierung und die beeinflussenden Faktoren hin.
Ein Ergebnis der Dissertationen von KÜPPERS (1973) war die signifikant positive Korrelation der Hauttemperatur verschiedener Körperregionen mit der Rektaltemperatur. Auch in den Untersuchungen von REINHART 1988 konnte eine signifikante Korrelation verschiedener Hautregionen mit der Rektaltemperatur von Sauen gefunden werden , er konnte jedoch keine signifikante Korrelation zwischen Haut- und Rektaltemperatur in Zusammenhang mit dem Transport von Mastschweinen, bzw. in einem Belegdichteversuch nachweisen.
Im Gegensatz zur IRT , bei der eine Vielzahl von Messpunkten zu einem Wärmebild führen, gibt es bei einem Infrarotthermometer nur einen Messpunkt. Dieser errechnet sein Ergebnis durch Bildung eines Mittelwertes aus den im Messfeld anwesenden Hauttemperaturen. Je größer der Abstand des Gerätes zum zu messenden Objekt, desto größer wird das Messfeld und ungenauer das Ergebnis (REINHART 1988;
OPTRIS 2011).
Im Bereich der Infrarotthermographie konnte 2001 von LOUGHMILLER et al. eine signifikante positive Korrelation zwischen der durchschnittlichen Körperoberflächentemperatur einer definierten Region und der Rektaltemperatur unter standardisierten Bedingungen im Temperaturbereich von 10-32 °C gefunden werden. Unter diesen Voraussetzungen sahen sie ein Potential der IRT als
Alternativmethode zur standardmäßigen Rektaltemperaturmessung zur Detektion von Fieber.
2010 bestätigten TRAULSEN et al. in ihren Untersuchungen an Sauen rund um den Abferkelzeitpunkt eine positive Korrelation zwischen der Rektaltemperatur und der Temperatur spezifischer Hautregionen.
3 Material und Methoden
3.1 Infrarotthermographie
3.1.1 Technische Daten
Zum Einsatz kam eine Infrarotkamera der Firma Flir Systems GmbH (Frankfurt, Germany). Das Modell P640 ist eine handgehaltene Infrarotthermographiekamera mit einem Focal Plane Array und ungekühltem Mikrobolometer als Detektor. Die Auflösung beträgt 640x480 Pixel. Es wurde ein Weitwinkelobjektiv mit einem Sehfeld von 45°x34° und einer Mindestfokusentfernung von 0,1 m eingesetzt. Das Gerät besitzt neben der Infrarotkamera auch eine integrierte Digitalkamera (1280 x 1014 Pixel), welche u. a. die zeitgleiche Erhebung eines Infrarotbildes und eines Tageslichtbildes ermöglicht. Die Kamera hat ein großes, lichtstarkes und schwenkbares LCD Display, das dem Operateur trotz des aus tierseuchenhygienischen Gründen erforderlichen Einpackens der Kamera in PE- Flachbeutel eine gute Sicht ermöglicht. Die Kamera lässt sich sowohl automatisch als auch manuell fokussieren, was bei der Tierbeobachtung ein erheblicher Vorteil ist. Die geometrische Auflösung liegt bei 1,3 mRad. Die P640 hat eine thermische Empfindlichkeit von 0,06°C bei 30 °C Umgebungstemperatur und eine Bildfrequenz von 30 Hz. Die Genauigkeit liegt bei +/- 2°C bzw. 2 % des Ablesewertes. Der Spektralbereich geht von 7,5-13 µm. Die Objektparameter können alle individuell in der Kamerasoftware eingestellt werden. Die Bilder werden auf auswechselbare SD- Speicherkarten gespeichert und können anschließend auf einen Computer überspielt werden.
3.2 Kalibrierung für den praktischen Einsatz
3.2.1 Bestimmung des Transmissionsgrades
Da die Infrarotkamera aus hygienischen Gründen vor dem Betreten einzelner Stallabteile der Isolierstation bzw. der einzelnen kommerziellen Betriebe mit einer speziellen Technik in Low Density Polyethylen (LDPE) Flachbeutel eingepackt und luftdicht mit Klebeband zugeklebt werden musste, waren Kalibrierungstests zur Bestimmung des Transmissionswertes (Maß für die Durchlässigkeit eines Stoffes für Infrarotstrahlung) dieser spezifischen Flachbeutel notwendig. Der ermittelte Wert wurde anschließend in den Versuchen am Tier in der Kamera voreingestellt, um den Fehler durch die Folie vor der IR Linse zu korrigieren. Die Infrarotkamera wurde auf einem Kamerastativ befestigt und über ein Akkuladekabel kontinuierlich mit Strom versorgt. Die zu testenden LDPE - Flachbeutel der Firma Transpak AG (Solms, Germany) waren transparent und laut Herstellerangaben 25 µm dick. Des Weiteren wurden normale Haushaltsgummis zur straffen Fixierung der Folie vor der Kameralinse und ein Thermohydrometer (Temperaturstation, Art. Nr.: 650239-62, Conrad Electronics SE, Hirschau, Germany) zur genauen Ermittlung der Raumtemperatur und relativen Luftfeuchtigkeit eingesetzt. Als Referenz wurde ein Infrarotprüfstrahler, Modell PS 80 der Firma DIAS Infrared GmbH (Dresden, Germany) verwendet.
Abb. 3.1: Transmissionsgrad von Polyethylen bei verschiedenen Wellenlängen und zwei verschiedenen Dicken (25µm und 250µm) (FLIRSYSTEMS GMBH a)
Abb. 3.2: Versuchsaufbau, hinten links der IR Prüfstrahler und vorne rechts die IR Kamera auf einem Stativ im Abstand von 80 cm
Abb. 3.3: LDPE Folie vor der Linse, mit einem handelsüblichen Haushaltsgummi straff gespannt
Die Versuche wurden in normal temperierter (ca. 22 °C), warmer (ca. 29 °C) und kalter (ca. 3°C) Umgebung durchgeführt. In der Kamera wurde vor den Messungen die Raumtemperatur (= reflektierte Temperatur = Temperatur der externen Optik)