近年來我國動物生理信息遙測系統(tǒng)研究綜述,生理學論文

近年來我們國家動物生理信息遙測系統(tǒng)研究綜述,生理學論文動物的生理信號(心電、腦電、血壓、呼吸、體溫等)可反映其生命活動狀態(tài)，諸多的動物試驗均需監(jiān)測動物的血壓、體溫、呼吸、心電圖等指標，作為在不同試驗條件下獲取數(shù)據(jù)的重要試驗手段，其在試驗經(jīng)過中任何微小的試驗現(xiàn)象及試驗數(shù)據(jù)的變化，都具有極為重要意義。當前，我們國家動物生理信號的檢測基本上是用半人工的方式方法進行記錄和分析的，不僅消耗損費大量的人力、物力，所得結(jié)果也缺乏客觀性和公正性，且延誤了獲得試驗結(jié)果的時間。而國外學者現(xiàn)多采用動物生理信號遙測技術進行動物清醒和無創(chuàng)傷性條件下生理指標監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)較貼近動物的正常生理學指標，避免了動物應激對其造成心電生理參數(shù)的誤差。在我們國家，動物生理遙測系統(tǒng)才剛開場進行應用，經(jīng)歷體驗較少，本文綜述了動物生理信號遙測系統(tǒng)最近幾年在國內(nèi)的研究進展，以期為同行提供參考。1動物生理信號遙測系統(tǒng)在小動物中的研發(fā)及應用監(jiān)測動物的血壓和心率對于生理學和藥理學研究具有重要意義，尤其在藥理、毒理和生理試驗中，小動物受藥后的心率變化及存活期等是重要的研究指標。當前，測量動物心率的常用方式方法主要有三種:植入式生理信號無線遙測法、動脈參與法及充氣尾套法。使用植入式和參與式檢測儀器可提高檢測數(shù)據(jù)的準確性，并可測量多項生理指標，但會對小動物的身體產(chǎn)生創(chuàng)傷，進而影響其身體狀況和心率，因而檢測數(shù)據(jù)不能真實反映小動物受藥后的心率及其變化情況。而且由于實驗操作的復雜性及設備價格昂貴，限制了上述方式方法在大多數(shù)實驗室中的應用。充氣尾套法類似于袖帶測壓法，可無創(chuàng)測量大鼠脈搏信號，具有良好的重復性，但是測量前要對鼠尾進行加溫、加壓，易引起動物煩躁不安，導致心率反射性增高，所測數(shù)據(jù)將產(chǎn)生偏差。針對上述方式方法存在的問題，吳艷茹等［1］研制了一種無創(chuàng)測量小動物心率及存活時間的監(jiān)測儀，可采用MB－6型鼠尾脈搏波傳感器在無創(chuàng)傷狀態(tài)下拾取鼠尾脈搏波信號，應用單片機對脈搏波信號進行辨別，尋找出正確的心動周期，計算小動物的實時心率，并可與對應的記憶示波器測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。與傳統(tǒng)的植入式或參與式測量心率儀相比，由于采用了無創(chuàng)尾部信號拾取方式方法，有效地避免了創(chuàng)傷對動物身體狀況的影響，提高了試驗結(jié)果的準確性和可靠性。該儀器自動化程度高、操作方便、性能穩(wěn)定、價格便宜，可作為一種新型動物試驗儀器應用于科學研究和教學實驗中。楊永錄等［2］用無線遙控測溫技術監(jiān)測了大鼠的體溫和活動，觀察連續(xù)5d重復注射小劑量煙堿(0．5mg/kg)對SD大鼠體溫、活動和體重的影響，結(jié)果表示清楚，重復注射煙堿可導致雄性和雌性大鼠出現(xiàn)降溫耐受性反響，但連續(xù)注射煙堿后雌性大鼠的活動明顯大于雄性大鼠。無線遙測技術不僅能夠連續(xù)準確記錄反復給藥引起體溫和活動的變化，而且可以避免人工反復測量結(jié)腸溫度引起動物活動改變和應激性體溫過高對試驗結(jié)果的影響。郭華陽等［3］將無線電遙測裝置經(jīng)腹腔植入大鼠腹主動脈，血壓信號通過橋裝置記錄，用自編軟件計算機處理，在非高血壓WKY大鼠中成功建立了一個連續(xù)長期遙控監(jiān)測清醒動物血壓的方式方法，并能連接傳統(tǒng)血壓測定系統(tǒng)。馮軍等［4］利用行為性體溫調(diào)節(jié)反響的原理，成功研制的無線遙測溫度梯度儀能夠作為監(jiān)測大鼠和小鼠行為性體溫調(diào)節(jié)反響的可靠儀器，在試驗中可將大鼠置于溫度梯度箱內(nèi)，選擇環(huán)境溫度的范圍為15～40℃，動物能夠在箱內(nèi)自由運動。張典等［5］開發(fā)出一套無線便攜式動物腦電遙測系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、濾波后調(diào)制發(fā)射，接收器接收到無線信號后進行解調(diào)并通過串口打印顯示出電壓信號，試驗中將測量電極植入大鼠顱骨內(nèi)，并將信號采集發(fā)射器背負在大鼠身上，分別記錄大鼠睡眠、清醒和癲癇腦電波形，結(jié)果表示清楚，該系統(tǒng)在復雜環(huán)境下發(fā)射器的發(fā)射距離到達20m，能夠穩(wěn)定工作8h，且具有體積小、功耗低、精度高等特點，適用于大鼠腦電遙測試驗。陳衛(wèi)紅等［6］對小動物試驗的植入式微系統(tǒng)進行研究，通過靈敏的電路設計大大降低了植入模塊體積和功耗，實測證實，該系統(tǒng)功耗知足長期監(jiān)測要求，心電模擬信號和大鼠體外監(jiān)測試驗結(jié)果表示清楚，該系統(tǒng)可用于監(jiān)測心電、溫度信號，并能正確反映這些生理信號的變化情況。2動物生理信號遙測系統(tǒng)在大動物中的研發(fā)及應用2．1犬齊衛(wèi)紅等［7］通過外科手術方式方法，在6～8月齡、整體狀況良好的Beagle犬體內(nèi)埋植遙測傳感器，并在術后采取多種措施預防并發(fā)癥的發(fā)生，結(jié)果成功建立了有遙測傳感器的Beagle犬安全藥理模型，在模型建立經(jīng)過中容易出現(xiàn)傳感器電極埋植位置不理想導致心電測量數(shù)值不準、血壓傳感導管埋植長度不夠造成導管前端血栓構成無法傳輸正常血壓、手術經(jīng)過中無菌操作不嚴格造成術后感染等常見問題，齊衛(wèi)紅等人通過2年多的探索，獲得了滿意的Beagle犬動物模型，并從中獲得了一些難得珍貴的經(jīng)歷體驗和教訓。李娜等人在Beagle犬側(cè)腹部肌肉組織上埋植傳感器，采用生物遙測法監(jiān)測清醒狀態(tài)下動物的心率、體溫、血流動力學及心電圖各項指標，結(jié)果表示清楚，體內(nèi)埋植傳感器能夠愈加準確地監(jiān)測清醒狀態(tài)下Beagle犬的各項心血管指標，且動物在飲食經(jīng)過中呈現(xiàn)出較高的興奮狀態(tài)。李文宏等［8］選用Beagle犬埋植D70－PCTP植入子，靜脈注射垂體后葉素制備急性心肌缺血模型，應用遙測生理信號采集系統(tǒng)實時監(jiān)測清醒動物的心電圖(ECG)、心率、左室內(nèi)壓等指標，觀察了復方丹參片對心肌缺血犬心功能指標的改善作用。李娜等［9］用手術方式方法在Beagle犬體內(nèi)埋植探頭，恢復后進行正常生理狀態(tài)下體溫、心率、血流動力學及心電圖間期指標的監(jiān)測，觀察模型的穩(wěn)定性，成功地建立了Beagle犬生理遙測系統(tǒng)，并分析了晝夜間各指標變化，該方式方法重復性好、得到的數(shù)據(jù)真實，可使動物在無刺激環(huán)境下得到更接近于正常生理指標的數(shù)據(jù)。潘永明等［10］應用無創(chuàng)遙測技術觀察了運輸應激對Beagle犬部分生理指標的影響，結(jié)果表示清楚:運輸應激可引起B(yǎng)eagle犬生理學指標的明顯改變，但除皮膚溫度外，運輸應激(4h)對Beagle犬晝夜節(jié)律變化毀壞不明顯;利用無創(chuàng)遙測技術平臺可建立理想的Beagle犬生物模型，可用于動物福利和藥理毒理學評價研究。陳雯雯等［11］自主設計并制作了一種基于Microchip公司的PIC18(peripheralinterfacecontrol-ler，外圍接口控制器)系列單片機和TI公司的ＲF(radiofrequency，射頻)無線收發(fā)芯片CC1101(Chipe-on公司)的植入式遙測刺激器，植入Beagle犬背部，記錄電極留置腹側(cè)皮下，刺激電極縫合于左心耳上，在犬清醒自由條件下，通過計算機專用心電軟件連續(xù)監(jiān)測體表Ⅱ?qū)?lián)心電信號，并發(fā)放間歇(刺激1s，暫停2s)高頻(頻率30Hz)閾上(強度2mA，脈寬5ms)刺激，若間歇期內(nèi)出現(xiàn)房顫，則人為干涉中止刺激，若轉(zhuǎn)為竇性心律則繼續(xù)刺激。結(jié)果表示清楚，植入式遙測刺激器在體外可穩(wěn)定工作(包括采集模擬心電信號和發(fā)放刺激)30d，植入犬體內(nèi)刺激3d后可誘導出房顫，持續(xù)時間最長達8h，成功建立了基于無線刺激與遙測系統(tǒng)的心房顫抖的動物模型。2．2豬汪開英等［12］采用美國DSI公司生產(chǎn)的動物生理參數(shù)無線遙測系統(tǒng)與豬舍環(huán)境參數(shù)及動物行為自動檢測系統(tǒng)研究了長白豬在夏季濕熱環(huán)境下的行為生理反響，結(jié)果表示清楚，豬舍高溫將導致豬的體溫升高、心率加快、豬的生產(chǎn)性能降低等熱應激反響，高溫、高濕環(huán)境下豬的熱應激反響更為嚴重，高溫時環(huán)境濕度增加10%，相當于環(huán)境溫度升高1℃對豬的影響。汪開英［13］進一步采用DSI動物生理無線遙測系統(tǒng)和動物環(huán)境自動檢測系統(tǒng)，研究了華東地區(qū)夏季高溫高濕條件與育成豬體溫調(diào)節(jié)的相關性，結(jié)果表示清楚，豬舍環(huán)境溫濕度指數(shù)(THI)對豬的體溫變化影響極顯著，豬舍環(huán)境THI能充分反映豬舍環(huán)境的優(yōu)劣及對豬熱調(diào)節(jié)的影響，當THI高于28時育成豬將出現(xiàn)體溫升高等明顯的熱應激反響。楊玉偉等［14］基于無創(chuàng)遙測技術，采用EMKA大動物無創(chuàng)生理信號遙測系統(tǒng)，監(jiān)測了清醒自由活動狀態(tài)下經(jīng)21h長途運輸應激后和2個月恢復后，兩種品系五指山小型豬心電圖和活動的改變，并分析評價了自主神經(jīng)功能狀況，結(jié)果表示清楚，長途運輸應激能使不同品系五指山小型豬的自主神經(jīng)活動產(chǎn)生明顯的差異，且Black品系五指山小型豬更易受長途運輸應激的損害。潘永明等人在無創(chuàng)遙測技術基礎上，利用頻譜分析軟件自動分析幼年和成年小型豬24h自主神經(jīng)功能，評價幼年和成年小型豬自主神經(jīng)活動的差異性，為小型豬在心腦血管疾病中的應用奠定了基礎。2．3兔動物生理遙測系統(tǒng)在兔試驗中應用較少。郭子平等［15］設計并實現(xiàn)了一種基于無線能量傳輸技術的植入式遙測系統(tǒng)，模擬試驗驗證了該植入式遙測系統(tǒng)能夠監(jiān)測心電圖、體溫和血壓。選用新西蘭兔進行活體試驗:測得體溫范圍為37．2～37．3℃，血壓范圍為10374～11039Pa;模擬試驗和動物活體試驗證明，基于無線能量傳輸技術的植入式動物生理參數(shù)遙測系統(tǒng)能夠比擬準確地監(jiān)測動物的心電、體溫和血壓等參數(shù)。3小結(jié).動物生理信號遙測技術為監(jiān)測動物的生理、行為等功能提供了一種更便捷、更人道的方式方法，該技術不僅可監(jiān)測動物清醒、無拘謹狀態(tài)下的生理指標，使試驗結(jié)果更客觀、準確，還能更好地遵循動物福利的3Ｒ原則，減少試驗經(jīng)過中動物的痛苦和不安，以及減少動物的使用數(shù)量。與當前的監(jiān)測技術相比，避免了人為因素的干擾;與常規(guī)的整體試驗相比，避免了麻醉劑或創(chuàng)傷應激等因素對動物生理指標的影響，因此試驗結(jié)果更客觀、準確。當前，我們國家人用醫(yī)學信號檢測儀器及其應用很廣泛，但是動物生理信號采集的設備及其應用相對缺乏。國外發(fā)達國家在20世紀90年代初就已基本普及了動物專用儀器和設備，而在我們國家，動物試驗專用的遙測系統(tǒng)研發(fā)能力非常弱，主要依靠于進口，價格昂貴，遙測系統(tǒng)的應用也是最近幾年初步引入，嚴重影響了動物試驗結(jié)果的準確性和水平，制約了動物科學及相關的醫(yī)學、藥學和生命科學的發(fā)展。因而，這一現(xiàn)在狀況的解決已迫在眉睫。以下為參考文獻:［1］吳艷茹，司偉，易小林，等．小動物無創(chuàng)式心率監(jiān)測儀的研制及應用［J］．鄭州大學學報:醫(yī)學版，2020，47(6):794－797．［2］楊永錄，黃濤，孟立，等．重復給煙堿引起大鼠降溫耐受性反響及對活動和體重的影響［J］．成都醫(yī)學院學報，2008，3(3):173－177．［3］郭華陽，李莉，辛輝，等．長期遙控監(jiān)測動物血壓法的建立及其在高血壓鼠中的應用［J］．心血管康復醫(yī)學雜志，2004，13(6):520－521．［4］馮軍，李鑫，楊永錄，等．無線遙測溫度梯度儀的研制及性能驗證［J］．醫(yī)學研究雜志，2018，39(9):43－46．［5］張典，覃慶良，劉喜梅，等．無線便攜式動物腦電遙測記錄系統(tǒng)［J］．電子技術應用，2020，38(2):120－123．［6］陳衛(wèi)紅，楊益民，葉樹明．小動物監(jiān)測的植入式低功耗無線系統(tǒng)研究［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2020，31(4):60－62．［7］齊衛(wèi)紅，沈連忠，王三龍，等．埋植有遙測傳感器的Beagle犬安全藥理模型的建立［J］．中國藥事，2018，23(