Suivi automatique et sans contact du rythme respiratoire chez le porc pour l’évaluation de la tolérance à la chaleur

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

Contexte: Le porc, comme les autres animaux d’élevage, est un homéotherme qui doit maintenir sa température interne dans des limites étroites malgré les variations de la température ambiante. Lorsque la température s’élève au-dessus de la limite supérieure de la zone de confort thermique, le maintien de la température interne dépend de la capacité des animaux à augmenter leurs pertes de chaleur par la voie latente (pertes par évaporation). Le porc ne disposant pas de glandes sudoripares fonctionnelles, ces pertes par évaporation sont assurées par une augmentation de la fréquence respiratoire, qui favorise l’évaporation de l’eau au niveau des voies respiratoires via une intensification de la ventilation pulmonaire. Le mécanisme repose sur le fait que l’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau est fournie par la chaleur corporelle, ce qui permet de refroidir l’animal. Le seuil de température ambiante à partir duquel la ventilation pulmonaire augmente correspond également à celui qui marque une baisse de l’ingestion alimentaire. Plus généralement, la mesure du rythme respiratoire (RR) constitue donc un indicateur précoce de la sensibilité à la chaleur et de l’hyperthermie. Elle permet d’ajuster en temps réel les conditions d’élevage afin de réduire le niveau de stress des animaux.  Chez les animaux d’élevage, cette mesure est le plus souvent réalisée par observation directe (comptage des mouvements de flanc pendant 1 minute). Bien que très simple, cette méthode est peu précise, fortement dépendante de l’expérimentateur et ne fonctionne que si les animaux sont au repos. Des méthodes de mesure du RR sans contact ont été développées chez l’homme. Elles reposent soit sur la mesure de l’expansion et de la contraction du thorax à l’aide d’une caméra (généralement RVB) ou de capteurs de distance, soit sur la détection des changements de luminosité ou de couleur de la peau par caméra RVB, soit encore sur la mesure des variations de température entre l’air inspiré et expiré au niveau de la bouche et du nez à l’aide d’une caméra thermique. Chez le porc, des travaux préliminaires ont montré qu’en utilisant des techniques avancées d’analyse d’images, il est possible de mesurer les petits mouvements du thorax engendrés par la respiration et d’en déduire le RR. À ce stade des travaux, une évaluation correcte du RR par vidéo nécessite toutefois que le porc soit couché (en décubitus latéral).

Objectifs du stage :  Le ou la stagiaire participera au développement et à la validation d’une méthode automatique de mesure du rythme respiratoire chez le porc. L’objectif est de pouvoir utiliser cette méthode à court terme dans nos expérimentations sur les effets du climat, et à plus long terme de la déployer dans des conditions proches du terrain. Pour cela, le ou la stagiaire travaillera sur des vidéos issues d’expériences portant sur les vagues de chaleur estivales ou le climat tropical, afin d’évaluer l’impact sur les porcs. Ses missions incluront l’annotation d’une banque de vidéos, le développement d’une chaîne d’analyse automatique permettant de détecter la posture des animaux et de mesurer le rythme respiratoire en position couchée, ainsi que la production d’estimations de cette mesure à comparer avec des évaluations manuelles indépendantes. La méthodologie repose sur deux étapes principales. La première consiste à traiter les images : la segmentation permet d’identifier automatiquement les pixels correspondant au porc, puis une analyse de type « optical flow » permet d’estimer le déplacement de ces pixels au fil du temps pour construire une série temporelle représentant leurs variations. La deuxième étape consiste en un traitement du signal visant à extraire les pics de cette série, correspondant aux mouvements respiratoires de l’animal. Ce stage offre l’opportunité de travailler à l’interface entre biologie animale, vision par ordinateur et traitement du signal, et de contribuer au développement d’une méthode innovante pour étudier les effets du climat sur les porcs. 

Missions confiées à l’étudiant(e)

• Prendre en main les enregistrements vidéo existants et choix des vidéos pour construire/valider la méthode.
• Réaliser l’annotation d’une banque de vidéos (posture, phases d’activité/repos, mesures manuelles du RR).
• Analyse bibliographique de l’utilisation du traitement d’images pour l’estimation du RR.
• Mettre en place la phase de traitement d’images sur les vidéos sélectionnées (segmentation, optical flow).
• Mettre en place la phase de traitement du signal (lissage, détection de pics).
• Évaluer et discuter la précision des mesures de RR obtenues par rapport aux observations manuelles. Dans quels cas cela fonctionne, ou pas ?

Proposer des améliorations pour une application en routine et en conditions d’élevage. Notamment pour automatiser le traitement en temps réel. 

Formations et compétences recherchées

• Bases en traitement d’images et/ou traitement du signal.
• Connaissances et affinités pour l’analyse de données (Python, Matlab, ou R).
• Rigueur scientifique et esprit d’analyse.
• Sensibilité aux problématiques de bien-être animal et d’adaptation au climat.

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

-  jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein)
- d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
- d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activités sportives et culturelles ;
- d'une restauration collective.

Modalités pour postuler

J'envoie mon CV et ma lettre de motivation