近年來我國動物生理信息遙測系統(tǒng)研究綜述,生理學(xué)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(xué)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(biāo)，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(dāng)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(jìn)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(xué)者現(xiàn)多采用動物生理信號遙測技術(shù)進(jìn)行動物清醒和無創(chuàng)傷性條件下生理指標(biāo)監(jiān)測，所得數(shù)據(jù)較貼近動物的正常生理學(xué)指標(biāo)，避免了動物應(yīng)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(jìn)行應(yīng)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(jìn)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(yīng)用監(jiān)測動物的血壓和心率對于生理學(xué)和藥理學(xué)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(biāo)。當(dāng)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(zhǔn)確性，并可測量多項生理指標(biāo)，但會對小動物的身體產(chǎn)生創(chuàng)傷，進(jìn)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(fù)雜性及設(shè)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(yīng)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(fù)性，但是測量前要對鼠尾進(jìn)行加溫、加壓，易引起動物煩躁不安，導(dǎo)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(yīng)用單片機(jī)對脈搏波信號進(jìn)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(yīng)的記憶示波器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)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(yīng)用于科學(xué)研究和教學(xué)實驗中。楊永錄等［2］用無線遙控測溫技術(shù)監(jiān)測了大鼠的體溫和活動，觀察連續(xù)5d重復(fù)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(fù)注射煙堿可導(dǎo)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(shù)不僅能夠連續(xù)準(zhǔn)確記錄反復(fù)給藥引起體溫和活動的變化，而且可以避免人工反復(fù)測量結(jié)腸溫度引起動物活動改變和應(yīng)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(jī)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(jìn)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(fù)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(fù)雜環(huán)境下發(fā)射器的發(fā)射距離到達(dá)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(jìn)行研究，通過靈敏的電路設(shè)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(yīng)用2．1犬齊衛(wèi)紅等［7］通過外科手術(shù)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(shù)后采取多種措施預(yù)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(dǎo)致心電測量數(shù)值不準(zhǔn)、血壓傳感導(dǎo)管埋植長度不夠造成導(dǎo)管前端血栓構(gòu)成無法傳輸正常血壓、手術(shù)經(jīng)過中無菌操作不嚴(yán)格造成術(shù)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(xùn)。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(xué)及心電圖各項指標(biāo)，結(jié)果表示清楚，體內(nèi)埋植傳感器能夠愈加準(zhǔn)確地監(jiān)測清醒狀態(tài)下Beagle犬的各項心血管指標(biāo)，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(yīng)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(biāo)，觀察了復(fù)方丹參片對心肌缺血犬心功能指標(biāo)的改善作用。李娜等［9］用手術(shù)方式方法在Beagle犬體內(nèi)埋植探頭，恢復(fù)后進(jìn)行正常生理狀態(tài)下體溫、心率、血流動力學(xué)及心電圖間期指標(biāo)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(biāo)變化，該方式方法重復(fù)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(biāo)的數(shù)據(jù)。潘永明等［10］應(yīng)用無創(chuàng)遙測技術(shù)觀察了運輸應(yīng)激對Beagle犬部分生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表示清楚:運輸應(yīng)激可引起B(yǎng)eagle犬生理學(xué)指標(biāo)的明顯改變，但除皮膚溫度外，運輸應(yīng)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(shù)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(xué)評價研究。陳雯雯等［11］自主設(shè)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(dǎo)出房顫，持續(xù)時間最長達(dá)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(dǎo)致豬的體溫升高、心率加快、豬的生產(chǎn)性能降低等熱應(yīng)激反響，高溫、高濕環(huán)境下豬的熱應(yīng)激反響更為嚴(yán)重，高溫時環(huán)境濕度增加10%，相當(dāng)于環(huán)境溫度升高1℃對豬的影響。汪開英［13］進(jìn)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(guān)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(dāng)THI高于28時育成豬將出現(xiàn)體溫升高等明顯的熱應(yīng)激反響。楊玉偉等［14］基于無創(chuàng)遙測技術(shù)，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(yīng)激后和2個月恢復(fù)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(yīng)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(yīng)激的損害。潘永明等人在無創(chuàng)遙測技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2．3兔動物生理遙測系統(tǒng)在兔試驗中應(yīng)用較少。郭子平等［15］設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線能量傳輸技術(shù)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(jìn)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(shù)的植入式動物生理參數(shù)遙測系統(tǒng)能夠比擬準(zhǔn)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(shù)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(shù)不僅可監(jiān)測動物清醒、無拘謹(jǐn)狀態(tài)下的生理指標(biāo)，使試驗結(jié)果更客觀、準(zhǔn)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(dāng)前的監(jiān)測技術(shù)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(yīng)激等因素對動物生理指標(biāo)的影響，因此試驗結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確。當(dāng)前，我們國家人用醫(yī)學(xué)信號檢測儀器及其應(yīng)用很廣泛，但是動物生理信號采集的設(shè)備及其應(yīng)用相對缺乏。國外發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)90年代初就已基本普及了動物專用儀器和設(shè)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(jìn)口，價格昂貴，遙測系統(tǒng)的應(yīng)用也是最近幾年初步引入，嚴(yán)重影響了動物試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和水平，制約了動物科學(xué)及相關(guān)的醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和生命科學(xué)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(xiàn):［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(yīng)用［J］．鄭州大學(xué)學(xué)報:醫(yī)學(xué)版，2020，47(6):794－797．［2］楊永錄，黃濤，孟立，等．重復(fù)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(xué)院學(xué)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(yīng)用［J］．心血管康復(fù)醫(yī)學(xué)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(xué)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(shù)應(yīng)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(