小動(dòng)物無創(chuàng)式心率監(jiān)測儀的研制及應(yīng)用*

吳艷茹，司 偉，易小林，孟燕軍，范振中

1)河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院物理學(xué)教研室石家莊 050017 2)河北醫(yī)科大學(xué)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(xué)信號微機(jī)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用，E-mail:fanzzhb@126.com

小動(dòng)物無創(chuàng)式心率監(jiān)測儀的研制及應(yīng)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(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院物理學(xué)教研室石家莊 050017 2)河北醫(yī)科大學(xué)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(xué)信號微機(jī)處理及計(jì)算機(jī)應(yīng)用，E-mail:fanzzhb@126.com

無創(chuàng)測量;心率;存活期;單片機(jī);大鼠;小鼠

目的:研制一種無創(chuàng)測量小動(dòng)物心率及存活時(shí)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(yīng)用單片機(jī)對脈搏波信號進(jìn)行識別，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，并與對應(yīng)的記憶示波器測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)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(jì)學(xué)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(guān)系數(shù)值皆為0.996。結(jié)論:該儀器可用于無創(chuàng)測量小動(dòng)物心率及存活期。

監(jiān)測動(dòng)物的血壓和心率對于生理學(xué)和藥理學(xué)研究具有重要的意義。尤其在藥理、毒理和生理實(shí)驗(yàn)中，小動(dòng)物受藥后的心率變化以及存活期等是重要的研究指標(biāo)［1-4］。目前常用測量動(dòng)物心率的方法主要有3種:植入式生理信號無線遙測法、動(dòng)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(zhǔn)確性，并可測量多項(xiàng)生理指標(biāo)，但對小動(dòng)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(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，限制了上述方法在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的應(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(dòng)物煩躁不安，導(dǎo)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(jī)技術(shù)的小動(dòng)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(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 小動(dòng)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(zhuǎn)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(zhǔn)確檢測到小動(dòng)物的脈搏波。

課題組設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)可將傳感器鑲嵌于內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)達(dá)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(shí)即可停止加壓。另外，在底座中心槽和壓板表面可分別設(shè)置一層保護(hù)海綿，以保護(hù)鼠尾不受傷害。

圖1 鼠尾夾具機(jī)械原理圖

1.1.2 電路設(shè)計(jì) 小動(dòng)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(jī)處理電路、數(shù)碼顯示電路和上位機(jī)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(guān)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(yùn)算放大器TL062進(jìn)行前置放大、濾波、交流放大，再經(jīng)運(yùn)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(jī)端口。

單片機(jī)電路:單片機(jī)89C2051對數(shù)字化的脈搏檢測信號進(jìn)行識別，尋找出正確的心動(dòng)周期，由心動(dòng)周期計(jì)算出小動(dòng)物的實(shí)時(shí)心率，送至顯示器顯示，并經(jīng)通訊接口傳送至上位機(jī);同時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器記錄小動(dòng)物的存活時(shí)間，當(dāng)確認(rèn)小動(dòng)物死亡后，鎖定小動(dòng)物的存活期，并通過音響報(bào)警電路發(fā)出音響報(bào)警。

圖2 電路原理框圖

顯示電路:由MAX7219驅(qū)動(dòng)8個(gè)共陰極數(shù)碼管，前4位用于顯示存活時(shí)間，后4位用于顯示實(shí)時(shí)心率。

通訊接口電路:MAX483通訊模塊將實(shí)時(shí)心率傳至計(jì)算機(jī)。啟動(dòng)上位機(jī)程序，實(shí)時(shí)心率值顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的心率數(shù)據(jù)按時(shí)間自動(dòng)存儲(chǔ)在相應(yīng)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(dāng)聽到連續(xù)的脈搏音時(shí)，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(dāng)確認(rèn)小動(dòng)物死亡后，音響報(bào)警電路鎖定小動(dòng)物的存活期，發(fā)出音響報(bào)警。

1.1.3 程序設(shè)計(jì) 主機(jī)程序采用89C51系列C語言編寫，程序在單片機(jī)仿真系統(tǒng)上調(diào)試。上位機(jī)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(shí)現(xiàn)快速性、準(zhǔn)確性。當(dāng)連續(xù)檢測出5個(gè)完整周期后，將5個(gè)周期相加，用于計(jì)算心率。為保證準(zhǔn)確性，對每個(gè)脈沖的高電平、低電平時(shí)間及脈沖周期進(jìn)行判別，只有連續(xù)5個(gè)周期的以上3個(gè)參數(shù)均滿足要求，才進(jìn)行心率計(jì)算。時(shí)間測量采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為2 ms，用于計(jì)時(shí)。主程序框圖見圖3。

1.2 小動(dòng)物無創(chuàng)心率監(jiān)測儀的應(yīng)用

1.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供，許可證號:SCXK2008-1-003)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 將動(dòng)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(dòng)物適應(yīng)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(guān)。將動(dòng)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(dòng)物尾部，直到聽到連續(xù)均勻脈搏聲音。啟動(dòng)主機(jī)，儀器的數(shù)碼顯示器顯示當(dāng)前的動(dòng)物心率及存活時(shí)間。用UTD2052CEL型記憶示波器同步記錄放大器輸出的動(dòng)物脈搏波形，用于人工判別有效信號并測量計(jì)算其心率，作為單片機(jī)智能判別及計(jì)算結(jié)果的對照。該儀器可用于連續(xù)測試實(shí)驗(yàn)動(dòng)物心率，對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行了連續(xù)1 h測試，實(shí)驗(yàn)裝置工作穩(wěn)定。

圖3 主程序框圖

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 13.0進(jìn)行分析，應(yīng)用t檢驗(yàn)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(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行直線相關(guān)分析，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

監(jiān)測儀及示波器測量的大、小鼠心率結(jié)果見表1。直線相關(guān)分析結(jié)果顯示，2種儀器所測心率值之間存在直線相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)值均為0.996，結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)直線相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)值均為0.996，提示該儀器不但可方便、可靠地?zé)o創(chuàng)監(jiān)測大鼠、小鼠清醒狀態(tài)下的心率，還可準(zhǔn)確記錄小動(dòng)物的存活期，為藥理和毒理實(shí)驗(yàn)中記錄小動(dòng)物心率和存活期提供了一種簡單、實(shí)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(dòng)物身體狀況的影響，提高了實(shí)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)物實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用于科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

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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(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目 11213579;河北省教育廳項(xiàng)目 Z2010156

(2012-03-05收稿 責(zé)任編輯趙秋民)