實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠的設計

顧云璐 林陳心子 許 龍 王秋果 郭詩櫻 王珉珉 李尚軒 劉柯遙

（1、徐州醫(yī)科大學第一臨床醫(yī)學院，江蘇 徐州221004 2、蘇州大學蘇州醫(yī)學院，江蘇 蘇州215031 3、徐州醫(yī)科大學麻醉學院，江蘇 徐州221004）

1 概述

在現(xiàn)代生命科學領域包括疾病[1]、衰老等的研究中，動物實驗[2]已經成為一個不可或缺的重要部分，實驗動物包括小鼠、大鼠、比格犬、實驗猴等能夠很好的模擬人的生理現(xiàn)象，在人類的健康事業(yè)中起到不可替代的作用，其中實驗小鼠[3]的使用最為廣泛。目前使用的傳統(tǒng)鼠籠功能有限[4]，市場上還沒有集實時監(jiān)測、反饋調控等功能于一體的鼠籠。實驗人員無法實時監(jiān)控小鼠生存狀態(tài)、氨氣濃度[5]、溫度和濕度等[6]重要環(huán)境指標，同時進入常規(guī)飼養(yǎng)實驗小鼠的SPF 鼠房[7]還需要經過更衣、淋浴等步驟，過程繁瑣；小鼠聚集生活的習性使小鼠易發(fā)生攻擊、擠壓等事故[8-9]；實驗人員更換墊料較為繁瑣，對小鼠也有生理性刺激[10]。因此鼠籠的合理設計為實驗小鼠創(chuàng)造適宜生存環(huán)境，保證實驗結果準確具有重要意義。該新型便捷可控鼠籠的設計是針對以上幾點傳統(tǒng)鼠籠的弊端進行的改造，便于實驗人員實時準確地掌握小鼠生存狀態(tài)和環(huán)境指標，及時調控鼠籠內部狀態(tài)，為小鼠提供更好的生存環(huán)境，提高科學實驗的高效性與準確性。

2 儀器和方法

2.1 儀器

氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器（濟南九研電子，GY-AQWSD-A0）、攝像頭（CONRING KL-mini-02）、單片機（STC89C51）、獨立送風系統(tǒng)（蘇州馮氏，ZJ-1）、可控制熱風扇、透明隔板、飼料槽、四口水壺、抽屜式墊料盒、輪軸、鐵絲底座。

2.2 方法

每次實驗分別在實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠和傳統(tǒng)鼠籠中各放4 只立體定位術后小鼠，其中實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠中每個隔間放1 只術后小鼠，傳統(tǒng)鼠籠中的4 只術后小鼠作為對照組。在對照組中，實驗人員按照常規(guī)的飼養(yǎng)方法對術后小鼠進行飼養(yǎng)；在改造后的鼠籠中，實驗人員通過手機遠程監(jiān)測鼠籠內的氨氣濃度、溫度和濕度，觀察每個隔間內小鼠的生存狀況，當傳感器監(jiān)測到氨氣濃度達到14mg/m3時，實驗人員即可通過鼠籠底部的抽屜式墊料盒及時對墊料進行更換；通過步進電機控制風扇加熱，為術后小鼠的恢復提供更適宜的環(huán)境。待實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠中的4 只術后小鼠恢復運動后，通過輪軸打開中間透明隔板，使原本4 個獨立空間串通成一個整體空間；最后分析比較實驗組小鼠與對照組小鼠的術后恢復狀態(tài)。

3 鼠籠結構設計

3.1 鼠籠籠蓋改造

鼠籠的最上層籠蓋包含的進氣口和出氣口（圖1，直徑40mm）與重新設計的獨立送風系統(tǒng)相匹配。在第二層金屬籠蓋的中間部位處呈現(xiàn)一個“凹”字型，在此放置一個特制的四口長方體水壺（內直徑0.5mm），其四個出水口分別對應隔板所隔開的四個活動空間（圖2，90x60x60mm）。在水壺的四周放置小鼠所需要的食物。

圖1 鼠籠籠蓋結構圖

圖2 四口水壺結構圖

3.2 鼠籠內部結構改造

鼠籠內左側上部放置一個攝像頭，用于觀察小鼠生存情況；根據(jù)氣體擴散模型在出氣孔的下方放置氨氣-溫度- 濕度三合一傳感器（圖1），用于收集環(huán)境質量數(shù)據(jù)并通過單片機將數(shù)據(jù)傳遞給電腦端；鼠籠內的隔板采用合金材質[11]，將其分為一個封閉空間和四個活動空間，其中氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器和攝像頭安裝在封閉空間內，防止實驗儀器被實驗小鼠咬壞；轉動中間的輪軸可調控隔板（圖3，50x60mm），使四個活動空間發(fā)生變化，從四個隔開的活動空間轉變?yōu)橐粋€連通的空間，便于小鼠活動。

圖3 可轉動隔板與輪軸結構圖

3.3 鼠籠底部結構改造

去除傳統(tǒng)鼠籠的底部，在原有底部處加一個鐵絲隔網(wǎng)和一個抽屜式墊料盒。墊料盒里面放置一個IVC 平板（420x240mm），一端用一個轉軸固定在墊料盒上（420x240x30mm），另一端安裝一個卡扣，可以與鼠籠外壁相扣用于固定。鐵絲隔網(wǎng)可避免小鼠掉落，墊料盒與IVC 平板共同用于更換墊料（圖1）。

4 獨立送風系統(tǒng)改進

獨立送風系統(tǒng)的改進采用的是步進電機控制的可加熱型風扇，當溫度過低時[12]或術后小鼠剛放入時，步進電機控制風扇加熱，適當升高溫度[13]。鼠籠內的傳感器利用無線通信將信息傳遞給單片機[14]，再傳遞給電腦端，單片機和電腦端同時反饋信息給步進電機調控溫度與風速，達到雙重控制的效果。電腦端還會將信息傳遞給手機，使實驗人員能夠實時監(jiān)控（圖4）。

5 實驗驗證及結果分析

5.1 鼠籠內部氨氣、溫度、濕度監(jiān)測的結果

安裝并使用氨氣- 溫度- 濕度三合一傳感器[15]和改進的獨立送風系統(tǒng)。結果表明實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠可以調控溫度升高，有效解決低溫對小鼠術后恢復的影響。通過手機接收的信息監(jiān)測實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠內的環(huán)境指標。當氨氣濃度達到14mg/m3時，可以提醒實驗人員及時去更換墊料，避免氨氣濃度過高對實驗小鼠健康生存的影響。

5.2 實時觀察鼠籠內小鼠的生存狀態(tài)

分別在實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠和傳統(tǒng)鼠籠中放4只術后小鼠，新設計的鼠籠中每個隔間1 只術后鼠。結果表明，使用攝像頭及其相應的Blue cam APP 后，通過手機可以隨時隨地觀察新型智能鼠籠內的小鼠生存情況（圖5）。該結果說明攝像頭可以達到實驗目的，安裝簡便且位于封閉空間內，不會被實驗小鼠咬壞，可以安全使用。

5.3 鼠籠內部空間的轉換

實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠內的隔板可以通過轉動輪軸來達到切換空間結構的目的。術后小鼠在術后恢復期，轉動輪軸形成四個隔開的活動空間，避免術后小鼠出現(xiàn)踩踏擠壓等行為造成實驗損失；待術后小鼠恢復后轉動輪軸來形成一個連通的空間，避免小鼠出現(xiàn)社交方面的問題[16]。

5.4 鼠籠更換的墊料的方式

實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠的底部使用的抽屜式墊料盒，可以達到方便科研人員更換墊料的目的，同時也減少了對實驗小鼠的刺激。

6 討論

a.通過傳感器和攝像頭，實驗人員可實時監(jiān)控鼠籠內部情況，并在獨立送風系統(tǒng)的反饋下，調控籠內氨氣濃度、溫度和濕度；b.利用隔板創(chuàng)造安全空間，為術后小鼠的恢復提供適宜的環(huán)境，并運用旋轉原理，待術后小鼠恢復后，實驗人員可旋轉部分隔板擴大空間以避免小鼠出現(xiàn)社交問題；c.對鼠籠底部進行改造，設計一個墊料盒更換墊料，可以有效減少對小鼠的生理刺激。實驗人員通過手機連接攝像頭可遠程觀察鼠籠內小鼠的生存狀態(tài)和氨氣濃度、溫度和濕度等指標；鼠籠內術后鼠沒有出現(xiàn)踩踏打架和死亡的情況；實驗人員更換墊料更便捷且對小鼠影響較小。最終的實驗結果表明：實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠可有效提高小鼠的存活率，證實了該實時監(jiān)測的便捷可控鼠籠的使用可提高實驗的高效性和準確性，打破了傳統(tǒng)鼠籠的局限，具有一定的應用價值。