近年来我国动物生理信息遥测系统研究综述

近年来我国动物生理信息遥测系统研究综述 　　　　动物的生理信号( 心电、脑电、血压、呼吸、体温等) 可反映其生命活动状态，众多的动物试验均需监测动物的血压、体温、呼吸、心电图等指标，作为在不同试验条件下获取数据的重要试验手段，其在试验过程中任何微小的试验现象及试验数据的变化，都具有极为重要意义。目前，我国动物生理信号的检测基本上是用半人工的进行记录和分析的，不仅耗费大量的人力、物力，所得结果也缺乏客观性和公正性，且延误了获得试验结果的时间。而国外学者现多采用动物生理信号遥测技术进行动物清醒和无创伤性条件下生理指标监测，所得数据较贴近动物的正常生理学指标，避免了动物应激对其造成心电生理参数的误差。在我国，动物生理遥测系统才刚开始进行应用，经验较少，本文综述了动物生理信号遥测系统近几年在国内的研究进展，以期为同行提供参考。 　　1 动物生理信号遥测系统在小动物中的研发及应用监测动物的血压和心率对于生理学和药理学研究具有重要意义，尤其在药理、毒理和生理试验中，小动物受药后的心率变化及存活期等是重要的研究指标。目前，测量动物心率的常用方法主要有三种: 植入式生理信号无线遥测法、动脉介入法及充气尾套法。使用植入式和介入式检测仪器可提高检测数据的准确性，并可测量多项生理指标，但会对小动物的身体产生创伤，从而影响其身体状况和心率，因此检测数据不能真实反映小动物受药后的心率及其变化情况。而且由于实验操作的复杂性及设备价格昂贵，限制了上述方法在大多数实验室中的应用。充气尾套法类似于袖带测压法，可无创测量大鼠脉搏信号，具有良好的重复性，但是测量前要对鼠尾进行加温、加压，易引起动物烦躁不安，导致心率反射性增高，所测数据将产生偏差。针对上述方法存在的问题，吴艳茹等［1］研制了一种无创测量小动物心率及存活时间的监测仪，可采用 MB － 6 型鼠尾脉搏波传感器在无创伤状态下拾取鼠尾脉搏波信号，应用单片机对脉搏波信号进行识别，寻找出正确的心动周期，计算小动物的实时心率，并可与对应的记忆示波器测量的数据进行统计分析。与传统的植入式或介入式测量心率仪相比，由于采用了无创尾部信号拾取方法，有效地避免了创伤对动物身体状况的影响，提高了试验结果的准确性和可靠性。该仪器自动化程度高、操作方便、性能稳定、价格便宜，可作为一种新型动物试验仪器应用于科学研究和教学实验中。 　　杨永录等［2］用无线遥控测温技术监测了大鼠的体温和活动，观察连续 5 d 重复注射小剂量烟碱( 0． 5 mg/kg) 对 SD 大鼠体温、活动和体重的影响，结果表明，重复注射烟碱可导致雄性和雌性大鼠出现降温耐受性反应，但连续注射烟碱后雌性大鼠的活动明显大于雄性大鼠。无线遥测技术不仅能够连续准确记录反复给药引起体温和活动的变化，而且也可避免人工反复测量结肠温度引起动物活动改变和应激性体温过高对试验结果的影响。郭华阳等［3］将无线电遥测装置经腹腔植入大鼠腹主动脉，血压信号通过桥装置记录，用自编软件计算机处理，在非高血压 WKY大鼠中成功建立了一个连续长期遥控监测清醒动物血压的方法，并能连接传统血压测定系统。冯军等［4］利用行为性体温调节反应的原理，成功研制的无线遥测温度梯度仪可以作为监测大鼠和小鼠行为性体温调节反应的可靠仪器，在试验中可将大鼠置于温度梯度箱内，选择环境温度的范围为15 ～40 ℃，动物可以在箱内自由运动。张典等［5］开发出一套无线便携式动物脑电遥测系统，采集的数据经过放大、滤波后调制发射，接收器接收到无线信号后进行解调并通过串口打印显示出电压信号，试验中将测量电极植入大鼠颅骨内，并将信号采集发射器背负在大鼠身上，分别记录大鼠睡眠、清醒和癫痫脑电波形，结果表明，该系统在复杂环境下发射器的发射距离达到20 m，可以稳定工作 8 h，且具有体积小、功耗低、精度高等特点，适用于大鼠脑电遥测试验。陈卫红等［6］对小动物试验的植入式微系统进行研究，通过灵活的电路设计大大降低了植入模块体积和功耗，实测证实，该系统功耗满足长期监测要求，心电模拟信号和大鼠体外监测试验结果表明，该系统可用于监测心电、温度信号，并能正确反映这些生理信号的变化情况。 　　2 动物生理信号遥测系统在大动物中的研发及应用    　　2． 1 犬齐卫红等［7］通过外科手术方法，在6 ～8 月龄、整体状况良好的 Beagle 犬体内埋植遥测传感器，并在术后采取多种预防并发症的发生，结果成功建立了有遥测传感器的 Beagle 犬安全药理模型，在模型建立过程中容易出现传感器电极埋植位置不理想导致心电测量数值不准、血压传感导管埋植长度不够造成导管前端血栓形成无法传输正常血压、手术过程中无菌操作不严格造成术后感染等常见问题，齐卫红等人通过 2 年多的摸索，获得了满意的 Beagle 犬动物模型，并从中获得了一些宝贵的经验和教训。李娜等人在 Beagle 犬侧腹部肌肉组织上埋植传感器，采用生物遥测法监测清醒状态下动物的心率、体温、血流动力学及心电图各项指标，结果表明，体内埋植传感器可以更加准确地监测清醒状态下 Beagle 犬的各项心血管指标，且动物在饮食过程中呈现出较高的兴奋状态。李文宏等［8］选用 Beagle 犬埋植 D70 － PCTP 植入子，静脉注射垂体后叶素制备急性心肌缺血模型，应用遥测生理信号采集系统实时监测清醒动物的心电图( ECG) 、心率、左室内压等指标，观察了复方丹参片对心肌缺血犬心功能指标的改善作用。李娜等［9］用手术方法在 Beagle 犬体内埋植探头，恢复后进行正常生理状态下体温、心率、血流动力学及心电图间期指标的监测，观察模型的稳定性，成功地建立了 Beagle 犬生理遥测系统，并分析了昼夜间各指标变化，该方法重复性好、得到的数据真实，可使动物在无刺激环境下得到更接近于正常生理指标的数据。 　　潘永明等［10］应用无创遥测技术观察了运输应激对Beagle 犬部分生理指标的影响，结果表明: 运输应激可引起 Beagle 犬生理学指标的明显改变，但除皮肤温度外，运输应激( 4 h) 对 Beagle 犬昼夜节律变化破坏不明显; 利用无创遥测技术平台可建立理想的Beagle 犬生物模型，可用于动物福利和药理毒理学评价研究。陈雯雯等［11］自主设计并制作了一种基于Microchip 公 司的 PIC18 ( peripheral interface control-ler，外围接口控制器) 系列单片机和 TI 公司的 ＲF( radio frequency，射频) 无线收发芯片 CC1101( Chipe-on 公司) 的植入式遥测刺激器，植入 Beagle 犬背部，记录电极留置腹侧皮下，刺激电极缝合于左心耳上，在犬清醒自由条件下，通过计算机专用心电软件连续监测体表Ⅱ导联心电信号，并发放间歇( 刺激 1 s，暂停 2 s) 高频( 频率 30 Hz) 阈上( 强度2 mA，脉宽5 ms) 刺激，若间歇期内出现房颤，则人为干预中止刺激，若转为窦性心律则继续刺激。结果表明，植入式遥测刺激器在体外可稳定工作( 包括采集模拟心电信号和发放刺激) 30 d，植入犬体内刺激 3 d 后可诱导出房颤，持续时间最长达8 h，成功建立了基于无线刺激与遥测系统的心房颤动的动物模型。 　　2． 2 猪汪开英等［12］采用美国 DSI 公司生产的动物生理参数无线遥测系统与猪舍环境参数及动物行为自动检测系统研究了长白猪在夏季湿热环境下的行为生理反应，结果表明，猪舍高温将导致猪的体温升高、心率加快、猪的生产性能降低等热应激反应，高温、高湿环境下猪的热应激反应更为严重，高温时环境湿度增加 10%，相当于环境温度升高 1 ℃ 对猪的影响。汪开英［13］进一步采用 DSI 动物生理无线遥测系统和动物环境自动检测系统，研究了华东地区夏季高温高湿条件与育成猪体温调节的相关性，结果表明，猪舍环境温湿度指数( THI) 对猪的体温变化影响极显著，猪舍环境 THI 能充分反映猪舍环境的优劣及对猪热调节的影响，当 THI 高于 28 时育成猪将出现体温升高等明显的热应激反应。杨玉伟等［14］基于无创遥测技术，采用 EMKA 大动物无创生理信号遥测系统，监测了清醒自由活动状态下经 21 h 长途运输应激后和 2个月恢复后，两种品系五指山小型猪心电图和活动的改变，并分析评价了自主神经功能状况，结果表明，长途运输应激能使不同品系五指山小型猪的自主神经活动产生明显的差异，且 Black 品系五指山小型猪更易受长途运输应激的损害。潘永明等人在无创遥测技术基础上，利用频谱分析软件自动分析幼年和成年小型猪 24 h 自主神经功能，评价幼年和成年小型猪自主神经活动的差异性，为小型猪在心脑血管疾病中的应用奠定了基础。 　　2． 3 兔动物生理遥测系统在兔试验中应用较少。郭子平等［15］设计并实现了一种基于无线能量传输技术的植入式遥测系统，模拟试验验证了该植入式遥测系统能够监测心电图、体温和血压。选用新西兰兔进行活体试验: 测得体温范围为 37． 2 ～37． 3 ℃，血压范围为10 374 ～ 11 039 Pa; 模拟试验和动物活体试验证明，基于无线能量传输技术的植入式动物生理参数遥测系统能够比较准确地监测动物的心电、体温和血压等参数。 　　3 小结. 　　动物生理信号遥测技术为监测动物的生理、行为等功能提供了一种更便捷、更人道的方法，该技术不仅可监测动物清醒、无拘束状态下的生理指标，使试验结果更客观、准确，还能更好地遵循动物福利的“3Ｒ”原则，减少试验过程中动物的痛苦和不安，以及减少动物的使用数量。与目前的监测技术相比，避免了人为因素的干扰; 与常规的整体试验相比，避免了麻醉剂或创伤应激等因素对动物生理指标的影响，因而试验结果更客观、准确。目前，我国人用医学信号检测仪器及其应用很广泛，但是动物生理信号采集的设备及其应用相对缺乏。国外发达国家在 20 世纪90 年代初就已基本普及了动物专用仪器和设备，而在我国，动物试验专用的遥测系统研发能力非常弱，主要依赖于进口，价格昂贵，遥测系统的应用也是近几年初步引入，严重影响了动物试验结果的准确性和水平，制约了动物科学及相关的医学、药学和生命科学的发展。因此，这一现状的解决已迫在眉睫。 　　参考文献: 　　［1］ 吴艳茹，司伟，易小林，等． 小动物无创式心率监测仪的研制及应用［J］． 郑州大学学报: 医学版，2012，47( 6) : 794 －797．    　　［2］ 杨永录，黄涛，孟立，等． 重复给烟碱引起大鼠降温耐受性反应及对活动和体重的影响［J］． 成都医学院学报，2008，3( 3) :173 － 177．    　　［3］ 郭华阳，李莉，辛辉，等． 长期遥控监测动物血压法的建立及其在高血压鼠中的应用［J］． 心血管康复医学杂志，2004，13( 6) :520 － 521．    　　［4］ 冯军，李鑫，杨永录，等． 无线遥测温度梯度仪的研制及性能验证［J］． 医学研究杂志，2010，39( 9) : 43 －46．    　　［5］ 张典，覃庆良，刘喜梅，等． 无线便携式动物脑电遥测记录系统［J］． 电子技术应用，2012，38( 2) : 120 －123．    　　［6］ 陈卫红，杨益民，叶树明． 小动物监测的植入式低功耗无线系统研究［J］． 传感器与微系统，2012，31( 4) : 60 －62．    　　［7］ 齐卫红，沈连忠，王三龙，等． 埋植有遥测传感器的 Beagle 犬安全药理模型的建立［J］． 中国药事，2009，23( 7) : 650 －653．    　　［8］ 李文宏，罗晓健，余日跃，等． 应用遥测系统观察复方丹参片对犬急性心肌缺血的保护作用［J］． 时珍国医国药，2010，2( 4) :777 － 779．    　　［9］ 李娜，丁爽爽，王文誉，等． 比格犬生理遥测系统的建立［J］． 上海交通大学学报: 农业科学版，2011，29( 1) : 16 －21．    　　［10］ 潘永明，陈亮，何欢，等． 无创遥测技术观察运输应激对 Beagle 犬部分生理指标的影响［J］． 中国比较医学杂志，2011，21( 4) :