近年來我國動(dòng)物生理信息遙測(cè)系統(tǒng)研究綜述,生理學(xué)論文

近年來我們國家動(dòng)物生理信息遙測(cè)系統(tǒng)研究綜述,生理學(xué)論文動(dòng)物的生理信號(hào)(心電、腦電、血壓、呼吸、體溫等)可反映其生命活動(dòng)狀態(tài)，諸多的動(dòng)物試驗(yàn)均需監(jiān)測(cè)動(dòng)物的血壓、體溫、呼吸、心電圖等指標(biāo)，作為在不同試驗(yàn)條件下獲取數(shù)據(jù)的重要試驗(yàn)手段，其在試驗(yàn)經(jīng)過中任何微小的試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，都具有極為重要意義。當(dāng)前，我們國家動(dòng)物生理信號(hào)的檢測(cè)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(fèi)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(yàn)結(jié)果的時(shí)間。而國外學(xué)者現(xiàn)多采用動(dòng)物生理信號(hào)遙測(cè)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)物清醒和無創(chuàng)傷性條件下生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)，所得數(shù)據(jù)較貼近動(dòng)物的正常生理學(xué)指標(biāo)，避免了動(dòng)物應(yīng)激對(duì)其造成心電生理參數(shù)的誤差。在我們國家，動(dòng)物生理遙測(cè)系統(tǒng)才剛開場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，經(jīng)歷體驗(yàn)較少，本文綜述了動(dòng)物生理信號(hào)遙測(cè)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(dòng)物生理信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)在小動(dòng)物中的研發(fā)及應(yīng)用監(jiān)測(cè)動(dòng)物的血壓和心率對(duì)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(yàn)中，小動(dòng)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(cè)量動(dòng)物心率的常用方式方法主要有三種:植入式生理信號(hào)無線遙測(cè)法、動(dòng)脈參與法及充氣尾套法。使用植入式和參與式檢測(cè)儀器可提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并可測(cè)量多項(xiàng)生理指標(biāo)，但會(huì)對(duì)小動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映小動(dòng)物受藥后的心率及其變化情況。而且由于實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性及設(shè)備價(jià)格昂貴，限制了上述方式方法在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用。充氣尾套法類似于袖帶測(cè)壓法，可無創(chuàng)測(cè)量大鼠脈搏信號(hào)，具有良好的重復(fù)性，但是測(cè)量前要對(duì)鼠尾進(jìn)行加溫、加壓，易引起動(dòng)物煩躁不安，導(dǎo)致心率反射性增高，所測(cè)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生偏差。針對(duì)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(cè)量小動(dòng)物心率及存活時(shí)間的監(jiān)測(cè)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(hào)，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行辨別，尋找出正確的心動(dòng)周期，計(jì)算小動(dòng)物的實(shí)時(shí)心率，并可與對(duì)應(yīng)的記憶示波器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。與傳統(tǒng)的植入式或參與式測(cè)量心率儀相比，由于采用了無創(chuàng)尾部信號(hào)拾取方式方法，有效地避免了創(chuàng)傷對(duì)動(dòng)物身體狀況的影響，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。該儀器自動(dòng)化程度高、操作方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，可作為一種新型動(dòng)物試驗(yàn)儀器應(yīng)用于科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。楊永錄等［2］用無線遙控測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)了大鼠的體溫和活動(dòng)，觀察連續(xù)5d重復(fù)注射小劑量煙堿(0．5mg/kg)對(duì)SD大鼠體溫、活動(dòng)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(dòng)明顯大于雄性大鼠。無線遙測(cè)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(dòng)的變化，而且可以避免人工反復(fù)測(cè)量結(jié)腸溫度引起動(dòng)物活動(dòng)改變和應(yīng)激性體溫過高對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。郭華陽等［3］將無線電遙測(cè)裝置經(jīng)腹腔植入大鼠腹主動(dòng)脈，血壓信號(hào)通過橋裝置記錄，用自編軟件計(jì)算機(jī)處理，在非高血壓WKY大鼠中成功建立了一個(gè)連續(xù)長期遙控監(jiān)測(cè)清醒動(dòng)物血壓的方式方法，并能連接傳統(tǒng)血壓測(cè)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(cè)溫度梯度儀能夠作為監(jiān)測(cè)大鼠和小鼠行為性體溫調(diào)節(jié)反響的可靠儀器，在試驗(yàn)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(dòng)物能夠在箱內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。張典等［5］開發(fā)出一套無線便攜式動(dòng)物腦電遙測(cè)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(hào)后進(jìn)行解調(diào)并通過串口打印顯示出電壓信號(hào)，試驗(yàn)中將測(cè)量電極植入大鼠顱骨內(nèi)，并將信號(hào)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(diǎn)，適用于大鼠腦電遙測(cè)試驗(yàn)。陳衛(wèi)紅等［6］對(duì)小動(dòng)物試驗(yàn)的植入式微系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過靈敏的電路設(shè)計(jì)大大降低了植入模塊體積和功耗，實(shí)測(cè)證實(shí)，該系統(tǒng)功耗知足長期監(jiān)測(cè)要求，心電模擬信號(hào)和大鼠體外監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表示清楚，該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)心電、溫度信號(hào)，并能正確反映這些生理信號(hào)的變化情況。2動(dòng)物生理信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)在大動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)物模型，并從中獲得了一些難得珍貴的經(jīng)歷體驗(yàn)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(cè)法監(jiān)測(cè)清醒狀態(tài)下動(dòng)物的心率、體溫、血流動(dòng)力學(xué)及心電圖各項(xiàng)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(cè)清醒狀態(tài)下Beagle犬的各項(xiàng)心血管指標(biāo)，且動(dòng)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(cè)生理信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)清醒動(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)及心電圖間期指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，觀察模型的穩(wěn)定性，成功地建立了Beagle犬生理遙測(cè)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(shí)，可使動(dòng)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(cè)技術(shù)觀察了運(yùn)輸應(yīng)激對(duì)Beagle犬部分生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表示清楚:運(yùn)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(yùn)輸應(yīng)激(4h)對(duì)Beagle犬晝夜節(jié)律變化毀壞不明顯;利用無創(chuàng)遙測(cè)技術(shù)平臺(tái)可建立理想的Beagle犬生物模型，可用于動(dòng)物福利和藥理毒理學(xué)評(píng)價(jià)研究。陳雯雯等［11］自主設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)算機(jī)專用心電軟件連續(xù)監(jiān)測(cè)體表Ⅱ?qū)?lián)心電信號(hào)，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(cè)刺激器在體外可穩(wěn)定工作(包括采集模擬心電信號(hào)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(shí)間最長達(dá)8h，成功建立了基于無線刺激與遙測(cè)系統(tǒng)的心房顫抖的動(dòng)物模型。2．2豬汪開英等［12］采用美國DSI公司生產(chǎn)的動(dòng)物生理參數(shù)無線遙測(cè)系統(tǒng)與豬舍環(huán)境參數(shù)及動(dòng)物行為自動(dòng)檢測(cè)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(shí)環(huán)境濕度增加10%，相當(dāng)于環(huán)境溫度升高1℃對(duì)豬的影響。汪開英［13］進(jìn)一步采用DSI動(dòng)物生理無線遙測(cè)系統(tǒng)和動(dòng)物環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)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(duì)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(duì)豬熱調(diào)節(jié)的影響，當(dāng)THI高于28時(shí)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(cè)技術(shù)，采用EMKA大動(dòng)物無創(chuàng)生理信號(hào)遙測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)了清醒自由活動(dòng)狀態(tài)下經(jīng)21h長途運(yùn)輸應(yīng)激后和2個(gè)月恢復(fù)后，兩種品系五指山小型豬心電圖和活動(dòng)的改變，并分析評(píng)價(jià)了自主神經(jīng)功能狀況，結(jié)果表示清楚，長途運(yùn)輸應(yīng)激能使不同品系五指山小型豬的自主神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生明顯的差異，且Black品系五指山小型豬更易受長途運(yùn)輸應(yīng)激的損害。潘永明等人在無創(chuàng)遙測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，利用頻譜分析軟件自動(dòng)分析幼年和成年小型豬24h自主神經(jīng)功能，評(píng)價(jià)幼年和成年小型豬自主神經(jīng)活動(dòng)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(dòng)物生理遙測(cè)系統(tǒng)在兔試驗(yàn)中應(yīng)用較少。郭子平等［15］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線能量傳輸技術(shù)的植入式遙測(cè)系統(tǒng)，模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該植入式遙測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)心電圖、體溫和血壓。選用新西蘭兔進(jìn)行活體試驗(yàn):測(cè)得體溫范圍為37．2～37．3℃，血壓范圍為10374～11039Pa;模擬試驗(yàn)和動(dòng)物活體試驗(yàn)證明，基于無線能量傳輸技術(shù)的植入式動(dòng)物生理參數(shù)遙測(cè)系統(tǒng)能夠比擬準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)動(dòng)物的心電、體溫和血壓等參數(shù)。3小結(jié).動(dòng)物生理信號(hào)遙測(cè)技術(shù)為監(jiān)測(cè)動(dòng)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(cè)動(dòng)物清醒、無拘謹(jǐn)狀態(tài)下的生理指標(biāo)，使試驗(yàn)結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確，還能更好地遵循動(dòng)物福利的3Ｒ原則，減少試驗(yàn)經(jīng)過中動(dòng)物的痛苦和不安，以及減少動(dòng)物的使用數(shù)量。與當(dāng)前的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，避免了人為因素的干擾;與常規(guī)的整體試驗(yàn)相比，避免了麻醉劑或創(chuàng)傷應(yīng)激等因素對(duì)動(dòng)物生理指標(biāo)的影響，因此試驗(yàn)結(jié)果更客觀、準(zhǔn)確。當(dāng)前，我們國家人用醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)儀器及其應(yīng)用很廣泛，但是動(dòng)物生理信號(hào)采集的設(shè)備及其應(yīng)用相對(duì)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(dòng)物專用儀器和設(shè)備，而在我們國家，動(dòng)物試驗(yàn)專用的遙測(cè)系統(tǒng)研發(fā)能力非常弱，主要依靠于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，遙測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也是最近幾年初步引入，嚴(yán)重影響了動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和水平，制約了動(dòng)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(dòng)物無創(chuàng)式心率監(jiān)測(cè)儀的研制及應(yīng)用［J］．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):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(duì)活動(dòng)和體重的影響［J］．成都醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，3(3):173－177．［3］郭華陽，李莉，辛輝，等．長期遙控監(jiān)測(cè)動(dòng)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(cè)溫度梯度儀的研制及性能驗(yàn)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(dòng)物腦電遙測(cè)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(dòng)物監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器的Beagle犬安全藥理模型的建立［J］．中國藥事，2018，23(