一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置研制與應(yīng)用

馬劍峰, 張尚立, 王　麗, 徐紅巖, 陳　融, 馬絮飛

(1. 山東大學(xué) 醫(yī)學(xué)院機(jī)能教學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南　250012； 2. 山東大學(xué) 生命科學(xué)院， 山東 濟(jì)南　250012；3. 山東電力中心醫(yī)院, 山東 濟(jì)南　250012)

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一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置研制與應(yīng)用

馬劍峰1, 張尚立2, 王麗3, 徐紅巖1, 陳融1, 馬絮飛1

(1. 山東大學(xué) 醫(yī)學(xué)院機(jī)能教學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南250012； 2. 山東大學(xué) 生命科學(xué)院， 山東 濟(jì)南250012；3. 山東電力中心醫(yī)院, 山東 濟(jì)南250012)

利用數(shù)字技術(shù)、電子技術(shù)和醫(yī)學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方法研制了一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置,該裝置具有無水銀、使用安全，管路密閉、氣壓調(diào)節(jié)范圍大、氣壓穩(wěn)定，一體化、高精度，旋鈕設(shè)定氣壓值、當(dāng)前氣壓值和設(shè)定氣壓值數(shù)碼管實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示等優(yōu)點(diǎn)。為教學(xué)、科研中研究整體動(dòng)物的缺氧機(jī)理、復(fù)制整體哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝诵碌氖侄巍?/p>

缺氧模擬裝置； 哺乳類動(dòng)物； 控制器； 醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)

缺氧可引起呼吸機(jī)能和肺形態(tài)的改變以及其他系統(tǒng)機(jī)能紊亂,甚至導(dǎo)致死亡。另外,年齡及機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能狀態(tài)改變、外界環(huán)境溫度變化,以及CO2濃度增高均可影響機(jī)體對缺氧的耐受性[1]。

1　傳統(tǒng)的低氣壓實(shí)驗(yàn)裝置

小鼠低氣壓致病作用觀察實(shí)驗(yàn)就是通過觀察動(dòng)物在各種類型缺氧時(shí),呼吸機(jī)能、肺形態(tài)、內(nèi)臟及血液顏色的改變,了解不同類型缺氧的特點(diǎn)以及各種因素在缺氧發(fā)病中的重要性[2-3]。該實(shí)驗(yàn)是我校病理生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),目前,我省的大、中專醫(yī)藥院校也均開設(shè)此實(shí)驗(yàn)。但幾十年來一直使用傳統(tǒng)的低氣壓實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)。該裝置的缺點(diǎn)是:抽氣機(jī)笨重,準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)搬運(yùn)難；抽氣機(jī)無開關(guān),靠配電盤上的開關(guān)開動(dòng)抽氣機(jī),氣壓難以達(dá)到設(shè)定值；管路長,接頭多,易老化,氣壓易泄漏；放氣時(shí)氣壓控制不好,玻璃管中的水銀猛然下落,易造成水銀外泄而產(chǎn)生嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)室汞污染。

圖1　傳統(tǒng)的低氣壓實(shí)驗(yàn)裝置

2　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置技術(shù)原理

針對當(dāng)前醫(yī)學(xué)院校、科研機(jī)構(gòu)的需求,根據(jù)病理生理實(shí)驗(yàn)方法中缺氧原理研制了一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，見圖2。該模擬裝置的控制器能良好地控制氣壓,穩(wěn)定氣壓在一個(gè)較低狀態(tài),程序化控制方便使用[4]。

圖2　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置

設(shè)計(jì)的一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置將控制電路、微型真空泵、電子式氣壓傳感器和通氣閥門等部件集中在一個(gè)機(jī)箱里,在干燥器(實(shí)驗(yàn)觀察器)上方設(shè)置了外部通氣閥。該系統(tǒng)分為電源模塊、傳感器模塊、顯示模塊、控制模塊、用戶設(shè)置模塊和處理器模塊(見圖3),通過6大模塊實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)定壓力值、精確測量壓力值、實(shí)時(shí)顯示壓力值[5]等功能。

圖3　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置原理圖

2.1處理器模塊

選用以CIP-51微處理器為內(nèi)核的C8051F340單片機(jī)(原理圖見圖4),工作電壓為3.3V,其中,電容C13、C14作用為濾波去耦,處理器P0口用于對傳感器模塊的數(shù)據(jù)處理及真空泵的控制,P2口用于聲光指示控制LED燈、蜂鳴器及RS232數(shù)據(jù)的傳輸(P2.0、P2.1),P3口用于對顯示模塊數(shù)據(jù)的傳輸與控制[6-7]。處理器模塊在對傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,計(jì)算分析出干燥器內(nèi)的氣壓值,并與用戶設(shè)定的氣壓值作對比,若達(dá)到設(shè)定氣壓則通過控制模塊停止真空泵[8]。若系統(tǒng)測得干燥器內(nèi)的氣壓比設(shè)定值的氣壓值高667Pa(5mmHg)時(shí)則啟動(dòng)真空泵再次抽氣。與此同時(shí)處理器實(shí)時(shí)通過顯示模塊精確顯示干燥器內(nèi)的氣壓值和用戶設(shè)定的氣壓值。用戶可以隨時(shí)通過設(shè)置模塊啟停真空泵、更改設(shè)定氣壓和進(jìn)氣快慢。

圖4　處理器模塊原理圖

2.2傳感器模塊

傳感器模塊(原理圖見圖5)包括氣壓傳感器、儀表放大器和AD轉(zhuǎn)化器。氣壓傳感器采用MPXM2202氣壓傳感器,通過氣壓傳感器獲得氣壓變化的模擬量,將被測信號轉(zhuǎn)換為輸出電壓,輸出的是與氣壓值相對應(yīng)的模擬電壓信號,實(shí)現(xiàn)差分輸入(+Vout、-Vout)；然后將電壓信號送至AD8220儀表放大器,通過增益終端電阻(R7、RV1)設(shè)置增益 [G=1+(49.4/Rg,Rg=R7+RV1),原理圖中通過調(diào)節(jié)RV1來微調(diào)增益大小 ],將信號放大；再把放大后的信號送入AD轉(zhuǎn)化器,將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定頻率的脈沖信號,AD轉(zhuǎn)換芯片采用AD7705 ,它是完整的 16 位雙通道全差分模擬輸入AD轉(zhuǎn)換,放大信號接入7腳(AIN+),最終將轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)通過13腳(DOUT)串行將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)處理,其中,外接晶體振蕩器X1提供轉(zhuǎn)換采樣頻率,U8(LM431)電路提供AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓；通過單片機(jī)接收該脈沖信號,得到單位時(shí)間內(nèi)獲得的脈沖數(shù),依據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系式計(jì)算出所對應(yīng)的實(shí)際氣壓值,最后在單片機(jī)的控制下由數(shù)碼管顯示電路顯示給用戶[9-11]。

圖5　傳感器模塊原理圖

2.3控制模塊

處理器通過控制三極管Q10、Q11(見圖6)模塊來控制繼電器的通斷,當(dāng)給定高電平信號時(shí)(下圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為RELAY)兩三極管導(dǎo)通、繼電器閉合從而控制真空泵的啟停。二極管D5、D6為續(xù)流二極管,防止繼電器在關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反向高于電源電壓的電動(dòng)勢損壞電路其他器件。當(dāng)真空泵啟動(dòng)的時(shí)候?qū)?huì)抽出干燥器內(nèi)的空氣使瓶內(nèi)的氣壓降低，當(dāng)真空泵停止的時(shí)候若進(jìn)氣閥完全關(guān)閉則干燥器內(nèi)氣壓不會(huì)發(fā)生變化,用戶可以通過調(diào)節(jié)“進(jìn)氣閥”旋鈕使干燥器內(nèi)氣壓變化。

圖6　控制模塊

2.4顯示模塊

系統(tǒng)采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式實(shí)時(shí)顯示出干燥器內(nèi)的當(dāng)前壓力值和設(shè)定的壓力值,顯示模塊原理圖見圖7。

圖7　顯示模塊原理圖

當(dāng)單片機(jī)給定數(shù)碼管位選信號(標(biāo)號為38_s1、38_s2、38_s3),經(jīng)過74ls138譯碼器后再經(jīng)過緩沖級UN2803選擇8位數(shù)碼管其中一位工作。74ls138譯碼器實(shí)現(xiàn)3線到8線的譯碼,UN2803用于電平轉(zhuǎn)換取反控制信號,并驅(qū)動(dòng)負(fù)載數(shù)碼管。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)碼管要顯示的段碼時(shí)(即要顯示的數(shù)字的二進(jìn)制碼),通過74LS595實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行輸入并行輸出(74LS595為8位串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出移位寄存器),串行輸入端為13腳(DS),并行輸出位為Q0-Q7經(jīng)過三極管Q2-Q9控制數(shù)碼管數(shù)據(jù)的顯示。

2.5設(shè)定模塊

設(shè)計(jì)時(shí)采用了帶按鍵功能的旋轉(zhuǎn)編碼器,用戶按下編碼器時(shí)可以啟動(dòng)或停止真空泵。在真空泵停止工作時(shí)用戶可以調(diào)整設(shè)定氣壓值,通過手動(dòng)啟停系統(tǒng)。設(shè)定模塊原理圖見圖8。

圖8　設(shè)定模塊原理圖

3　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置在教學(xué)、科研中的應(yīng)用

我校醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“低氣壓的致病作用”實(shí)驗(yàn)已使用了該實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：觀察動(dòng)物各種類型缺氧,了解不同類型缺氧的特點(diǎn)以及各種因素在缺氧發(fā)病中的重要性。

3.1通氣閥及管路連接

為實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了密閉效果出色、操作簡便、卡口式通氣閥。真空干燥器塞處有3個(gè)卡口,通氣閥處有2個(gè)卡口,一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置背面有2個(gè)卡口,見圖9和圖10；接入PU管的時(shí)候只需要將PU管插入卡口,卡口開關(guān)就會(huì)卡緊PU管(將PU管插到接頭底部,管子插好后要拉一下,確認(rèn)管子拔不出)；取下PU管時(shí),只需壓下綠色卡帽,卡口開關(guān)便打開,此時(shí)可以取下連接PU管。通氣閥上的標(biāo)志以岔口向下為大氣進(jìn)真空干燥器方向。

圖9　通氣閥

圖10　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置背面圖

3.2一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置安裝流程

(1) 安裝干燥器塞的時(shí)候在塞子上涂抹真空脂。

(2) 將通氣閥直接插入真空干燥器塞上端。

(3) 將真空干燥器蓋蓋上,接觸邊緣涂抹真空脂,磨合緊密。

(4) 真空干燥器橫向位置有兩個(gè)接口(見圖9),分別與儀器后端進(jìn)氣口和氣壓檢測口相連(無對應(yīng)關(guān)系),見圖10。

3.3實(shí)驗(yàn)方法

打開真空干燥器蓋,取初生小白鼠和成年小白鼠各1只,放入真空干燥器內(nèi),觀察、記錄小白鼠的一般活動(dòng)情況,呼吸深度和頻率及末梢部位(耳、唇、尾、腳掌)皮膚顏色；蓋上真空干燥器蓋,磨合干燥器蓋使之密封，左右旋轉(zhuǎn)旋鈕設(shè)定目標(biāo)氣壓值,按下旋鈕開始實(shí)驗(yàn)；使氣壓逐漸降至6.76×104、3.60×104、2.00×104Pa(507、270、150mmHg),當(dāng)氣壓值達(dá)到某設(shè)定氣壓值時(shí),氣泵停止工作；當(dāng)氣壓回升超過設(shè)定值667Pa(5mmHg)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序,抽氣降低氣壓,持續(xù)穩(wěn)定低氣壓環(huán)境,當(dāng)氣壓穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)觀察上述指標(biāo),注意兩只小白鼠有何不同。當(dāng)成年鼠發(fā)生痙攣時(shí),立即打開通氣閥旋鈕,使氣壓恢復(fù)正常,打開干燥器,觀察兩只小白鼠有何不同。

研制的一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置操作界面簡單實(shí)用,放氣安全,簡單的操作使教學(xué)和科研更為方便。氣壓降低后觀察動(dòng)物的行為和體表變化也十分直觀,抽氣和放氣過程均在較短時(shí)間內(nèi)完成,使實(shí)驗(yàn)變得輕松快捷；程序控制抽氣使得實(shí)驗(yàn)過程更為穩(wěn)定可靠,誤差小,方便得出客觀的結(jié)論。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中不再為無為、無效操作耗費(fèi)大量的時(shí)間,把有限的時(shí)間和精力應(yīng)用到鉆研實(shí)驗(yàn)技術(shù)、觀察缺氧現(xiàn)象、培養(yǎng)動(dòng)手能力、思考缺氧機(jī)理上,大大提高實(shí)驗(yàn)效率和效果。該裝置還為學(xué)生進(jìn)行心腦管系統(tǒng)疾病研究、設(shè)計(jì)“缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀薄?shí)施大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目搭建了一個(gè)嶄新的技術(shù)平臺(tái)。

一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置還可以用于相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)如缺氧、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征、缺氧預(yù)適應(yīng)等模型的復(fù)制,具有廣闊的應(yīng)用前景。

4　一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的實(shí)施效果

實(shí)驗(yàn)表明，該一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置創(chuàng)新性地改革了復(fù)制整體哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖侄?,實(shí)現(xiàn)對氣壓控制的精密調(diào)節(jié)和控制。具有無水銀、使用安全，管路密閉、氣壓調(diào)節(jié)范圍大(600mmHg)、氣壓穩(wěn)定，一體化、高精度，旋鈕設(shè)定氣壓值、方便靈活，當(dāng)前氣壓值和設(shè)定氣壓值數(shù)碼管實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示等優(yōu)點(diǎn)。該裝置現(xiàn)已用于山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院、藥學(xué)院、公共衛(wèi)生學(xué)院、口腔醫(yī)學(xué)院、護(hù)理學(xué)院5個(gè)學(xué)院本科、專科學(xué)生的醫(yī)學(xué)機(jī)能綜合實(shí)驗(yàn)及藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)二門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),為學(xué)校多專業(yè)、多學(xué)科共用,每年面對校內(nèi)、外學(xué)生達(dá)1 000人。應(yīng)用這一裝置后,顯著提高了實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生的動(dòng)手能力的培養(yǎng),明顯提高實(shí)驗(yàn)的成功率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,同時(shí)還保障了教師和學(xué)生的安全。

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Developmentandapplicationofanintegratedmammalhypoxiaexperimentalsimulationdevice

MaJianfeng1,Zhangshangli2,WangLi3,XuHongyan1,ChenRong1,MaXufei1

(1.FunctionalScienceLaboratory,SchoolofMedicine,ShandongUniversity,Jinan250012,China; 2.CollegeoflifeScience,ShandongUniversity,Jinan250012,China; 3.ElectricPowerCentralHospitalofShandong,Jinan250012,China)

Thisarticleusesdigitaltechnology,electronictechnologyandmedicalfunctionexperimentaltechniquecombiningmethodtodevelopavariousmammaliananimalhypoxiaexperimentsimulationdevice,whichhasnomercury,safeuse,closedpipeline,stablepressure,alargepressurerequlatingrange,integration,highprecision;knobtosetpressurevalue,thepressurevalue,setpressurevalueofdigitaltubereal-timedynamicdisplay,etc..Inordertostudythemechanismofhypoxiainthewholeanimalinteachingandscientificresearch,itprovidesanewmethodtoreproducetheexperimentalmodelofhypoxiainmammals.

hypoxiasimulationdevice;mammal;controller;medicalfunctionalscience

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.020

2016-01-16

山東大學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件建設(shè)項(xiàng)目(sy2011403);山東大學(xué)專利基金項(xiàng)目“一體式哺乳類動(dòng)物缺氧實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置”獲得國家實(shí)用新型專利(專利號：ZL201520270958.2)

馬劍峰(1964—)，男，山東威海，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槊庖咚幚怼C(jī)能實(shí)驗(yàn)技術(shù).

E-mail：justin@sdu.edu.cn

R-331

A

1002-4956(2016)7-0082-05