吳艷茹，司 偉，易小林，孟燕軍，范振中

1)河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院物理學教研室石家莊 050017 2)河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院信息中心石家莊 050031 #通訊作者，男，1956年10月生，本科，教授，研究方向:醫(yī)學信號微機處理及計算機應用，E-mail:fanzzhb@126.com

小動物無創(chuàng)式心率監(jiān)測儀的研制及應用*

吳艷茹1)，司 偉1)，易小林1)，孟燕軍1)，范振中2)#

1)河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院物理學教研室石家莊 050017 2)河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院信息中心石家莊 050031 #通訊作者，男，1956年10月生，本科，教授，研究方向:醫(yī)學信號微機處理及計算機應用，E-mail:fanzzhb@126.com

無創(chuàng)測量;心率;存活期;單片機;大鼠;小鼠

目的:研制一種無創(chuàng)測量小動物心率及存活時間的監(jiān)測儀。方法:采用MB-6型鼠尾脈搏波傳感器，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識別，尋找出正確的心動周期，計算小動物的實時心率，并與對應的記憶示波器測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。結果:監(jiān)測儀和示波器所測大鼠心率分別為(370.0± 45.3)min－1和(371.0±46.0)min－1，小鼠心率(598.4±78.0)min－1和(597.5±74.9)min－1，差異均無統(tǒng)計學意義(t大鼠=0.026，P=0.979;t小鼠=0.049，P=0.961)。大、小鼠的兩種測量數(shù)據(jù)的直線相關系數(shù)值皆為0.996。結論:該儀器可用于無創(chuàng)測量小動物心率及存活期。

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的意義。尤其在藥理、毒理和生理實驗中，小動物受藥后的心率變化以及存活期等是重要的研究指標［1-4］。目前常用測量動物心率的方法主要有3種:植入式生理信號無線遙測法、動脈介入法以及充氣尾套法［5-10］。使用植入式和介入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，但對小動物的身體產(chǎn)生創(chuàng)傷，從而影響其身體狀況和心率，因此檢測數(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，限制了上述方法在大多數(shù)實驗室的應用。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，所測得數(shù)據(jù)將產(chǎn)生偏差。針對上述方法存在的問題，課題組研制了一種基于單片機技術的小動物無創(chuàng)式心率監(jiān)測儀并用該儀器測量了大鼠、小鼠心率及存活期，取得了良好效果，報道如下。

1 材料與方法

1.1 小動物無創(chuàng)心率監(jiān)測儀的研制

1.1.1 信號采集 用MB-6型鼠尾脈搏波傳感器，在無創(chuàng)狀態(tài)下拾取鼠尾脈搏波信號，并將其轉換為電信號。傳感器輸出的微弱電信號，通過高靈敏度的放大電路，可準確檢測到小動物的脈搏波。

課題組設計了一種專用鼠尾夾具，可簡單方便地采集鼠尾脈搏波信號，機械結構原理見圖1。該專用夾具底座上有凹槽，兩邊有直立的支撐桿，在支撐桿的上部固定有上固定板，在上固定板的板面中部穿接有螺紋連接的壓緊螺桿;在兩根支撐桿上穿接有壓板，壓板位于上固定板和底座之間，調(diào)節(jié)螺桿下端連接在壓板上。此夾具特有的凹槽設計可將傳感器鑲嵌于內(nèi)，轉動調(diào)節(jié)螺桿，即可調(diào)整壓板對底座中心槽中的鼠尾的夾持松緊度。當達到合適的力度后，音響提示表示已獲良好的鼠尾脈搏波信號，此時即可停止加壓。另外，在底座中心槽和壓板表面可分別設置一層保護海綿，以保護鼠尾不受傷害。

圖1 鼠尾夾具機械原理圖

1.1.2 電路設計 小動物無創(chuàng)心率及存活期監(jiān)測儀主要包括放大整形電路、單片機處理電路、數(shù)碼顯示電路和上位機通訊接口。電路原理框圖見圖2。

電源電路:采用220 V交流電供電，利用開關電源T30B穩(wěn)定輸出+5、+12和－12 V電壓，用于提供各部分所需的工作電源。

放大及處理電路:將MB-6型鼠尾脈搏波傳感器拾取的脈搏波信號經(jīng)運算放大器TL062進行前置放大、濾波、交流放大，再經(jīng)運算放大器OP295遲滯比較后，獲得數(shù)字化的脈搏信號，并送至單片機端口。

單片機電路:單片機89C2051對數(shù)字化的脈搏檢測信號進行識別，尋找出正確的心動周期，由心動周期計算出小動物的實時心率，送至顯示器顯示，并經(jīng)通訊接口傳送至上位機;同時，單片機啟動內(nèi)部定時器記錄小動物的存活時間，當確認小動物死亡后，鎖定小動物的存活期，并通過音響報警電路發(fā)出音響報警。

圖2 電路原理框圖

顯示電路:由MAX7219驅動8個共陰極數(shù)碼管，前4位用于顯示存活時間，后4位用于顯示實時心率。

通訊接口電路:MAX483通訊模塊將實時心率傳至計算機。啟動上位機程序，實時心率值顯示在計算機屏幕上。實驗動物的心率數(shù)據(jù)按時間自動存儲在相應的文件中，可供分析處理。

音響電路:脈搏音響提示電路與信號放大及處理電路相接，當聽到連續(xù)的脈搏音時，提示已采集到脈搏信號即鼠尾專用夾具的壓板調(diào)節(jié)到位，還可監(jiān)聽心率。當確認小動物死亡后，音響報警電路鎖定小動物的存活期，發(fā)出音響報警。

1.1.3 程序設計 主機程序采用89C51系列C語言編寫，程序在單片機仿真系統(tǒng)上調(diào)試。上位機程序采用VB語言編寫。

心率測量采用測量脈搏周期的方法，以實現(xiàn)快速性、準確性。當連續(xù)檢測出5個完整周期后，將5個周期相加，用于計算心率。為保證準確性，對每個脈沖的高電平、低電平時間及脈沖周期進行判別，只有連續(xù)5個周期的以上3個參數(shù)均滿足要求，才進行心率計算。時間測量采用單片機內(nèi)部定時器，定時時間為2 ms，用于計時。主程序框圖見圖3。

1.2 小動物無創(chuàng)心率監(jiān)測儀的應用

1.2.1 實驗動物 取健康昆明種小鼠10只，雌雄不限，體質(zhì)量30 g以上(河北醫(yī)科大學實驗動物中心提供，許可證號:DK0504-0050)。SD大鼠10只，雌雄不限，體質(zhì)量250～300 g(河北醫(yī)科大學實驗動物中心提供，許可證號:SCXK2008-1-003)。

1.2.2 實驗方法 將動物裝入自制的簡易鼠籠(選者直徑合適的塑料瓶，去掉底部即可)，等待數(shù)分鐘讓動物適應環(huán)境處于安靜狀態(tài)。打開儀器電源，接通心率提示音開關。將動物尾部置于傳感器的凹槽內(nèi)，調(diào)節(jié)鼠尾專用夾具的螺桿使壓板慢慢壓住動物尾部，直到聽到連續(xù)均勻脈搏聲音。啟動主機，儀器的數(shù)碼顯示器顯示當前的動物心率及存活時間。用UTD2052CEL型記憶示波器同步記錄放大器輸出的動物脈搏波形，用于人工判別有效信號并測量計算其心率，作為單片機智能判別及計算結果的對照。該儀器可用于連續(xù)測試實驗動物心率，對實驗動物進行了連續(xù)1 h測試，實驗裝置工作穩(wěn)定。

圖3 主程序框圖

1.3 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 13.0進行分析，應用t檢驗比較監(jiān)測儀及記憶示波器測量的大、小鼠心率的差異，2種儀器檢測結果的相關性進行直線相關分析，檢驗水準α=0.05。

2 結果

監(jiān)測儀及示波器測量的大、小鼠心率結果見表1。直線相關分析結果顯示，2種儀器所測心率值之間存在直線相關關系，相關系數(shù)值均為0.996，結果見圖4、圖5。

表1 監(jiān)測儀及示波器測量的大、小鼠心率的比較 min－1

3 討論

實驗結果經(jīng)直線相關分析，相關系數(shù)值均為0.996，提示該儀器不但可方便、可靠地無創(chuàng)監(jiān)測大鼠、小鼠清醒狀態(tài)下的心率，還可準確記錄小動物的存活期，為藥理和毒理實驗中記錄小動物心率和存活期提供了一種簡單、實用的檢測方法。與傳統(tǒng)的植入式或介入式測量心率儀器相比，由于采用了無創(chuàng)尾部信號拾取方法，有效地避免了創(chuàng)傷對動物身體狀況的影響，提高了實驗結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實驗儀器應用于科學研究和教學實驗中。

［1］王智敏，吳瑕.阿托伐他汀對自發(fā)性高血壓大鼠左心室肥厚的影響［J］.鄭州大學學報:醫(yī)學版，2012，47(4): 554

［2］ Jia XF，Hao Y，Guo XB.Ultrafine carbon black disturbs heart rate variability in mice［J］.Toxicol Lett，2012，211 (3):274

［3］韓冬，于曉風，曲紹春，等.人參皂苷Rb3對大鼠實驗性心室重構的影響及其機制［J］.吉林大學學報:醫(yī)學版，2010，36(6):1047

［4］張曉霞，吳學思，韓志紅，等.大鼠慢性心力衰竭急性應激模型的建立及評價［J］.西安交通大學學報:醫(yī)學版，2009，30(1):33

［5］Samson N，Dumont S，Specq ML，et al.Radio telemetry devices to monitor breathing in non-sedated animals［J］.Respir Physiol Neurobiol，2011，179(2/3):111

［6］郭子平.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)研究［D］.上海:上海交通大學，2012.

［7］Shah A，Coburn CG，Waston-Sirible A，et al.Altered cardiovascular reactivity and osmoregulation during hyperosmotic stress in adult rats developmentally exposed to polybrominated diphenyl ethers(PBDEs)［J］.Toxicol Appl Pharmacol，2011，256(2):103

［8］Reis F，Parada B，Teixeira de Lemons E，et al.Hypertension induced by immunosuppressive drugs:a comparative analysis between sirolimus and cyclosporine［J］.Transplant Proc，2009，41(3):868

［9］呂波，閆劍群，劉健.圍產(chǎn)期高鹽飲食程控雄性子代大鼠動脈血壓鹽敏感性［J］.南方醫(yī)科大學學報，2011，31 (10):1663

［10］董幸，潘燕，孟延，等.尾套法與頸動脈法測量大鼠血壓的相關性研究［J］.實驗室研究與探索，2008，27(5):53

Exploitation of a noninvasive small animal’s heart rate measuring apparatus

WU Yanru1)，SI Wei1)，YI Xiaolin1)，MENG Yanjun1)，F(xiàn)AN Zhenzhong2)1)Department of Physics，Hebei Medical University，Shijiazhuang 050017 2)Center of Information，the First Affiliated Hospital，Hebei Medical University，Shijiazhuang 050031

noninvasive measurement;heart rate;survival time;microcontroller;rat;mouse

Aim:To develop a noninvasive measuring apparatus in order to measure the heart rate and survival time of small animals.Methods:By using the MB-6-type tail pulse wave sensor，the pulse wave signals of small animals were obtained without hurting.Then by analyzing these signals with a microcontroller，and to acquire the right cardiac cycle，which can be used to calculate the real time heart rate.Furthermore，we contrasted the results with those obtained by the oscilloscope.Results:The heart rates of rats/mice measured by the apparatus and the oscilloscope were(370.0±45.3)min－1/ (598.4±78.0)min－1and(371.0±46.0)min－1/(597.5±74.9)min－1，respectively.There was no significant difference between the values measured by the two methods(trat=0.026，P=0.979;tmouse=0.049，P=0.961).Linear correlation analyses of the two data sets showed that the coefficients of correlation were both 0.996.Conclusion:The developed apparatus could hold promise for the application in measuring the heart rate noninvasively.

R318.6

10.3969/j.issn.1671-6825.2012.06.014*河北省科學技術研究與發(fā)展計劃基金資助項目 11213579;河北省教育廳項目 Z2010156

(2012-03-05收稿 責任編輯趙秋民)