實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用機(jī)械測(cè)痛儀的研制

吳 右，王 妍，沙 洪

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

設(shè)施·設(shè)備

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用機(jī)械測(cè)痛儀的研制

吳 右，王 妍，沙 洪

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

目的研制一種疼痛研究中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物用的電子式機(jī)械測(cè)痛儀器。方法通過分析傳統(tǒng)機(jī)械測(cè)痛儀在疼痛神經(jīng)勝利測(cè)量實(shí)驗(yàn)中存在的缺陷和不足，本設(shè)計(jì)選用高精度觸力傳感器，設(shè)計(jì)信號(hào)采集與處理電路，并配備自行研發(fā)編制的基于VC的應(yīng)用軟件，最終完成對(duì)疼痛閾值的測(cè)量、存儲(chǔ)和顯示。結(jié)果研制出適用于機(jī)械痛測(cè)量的電子測(cè)痛儀，可方便快速實(shí)現(xiàn)測(cè)量疼痛閾值。結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本文研制研制的測(cè)痛儀穩(wěn)定性好、測(cè)量準(zhǔn)確性高;測(cè)量結(jié)果不受測(cè)量環(huán)境濕度、溫度的影響，從而克服了傳統(tǒng)測(cè)痛方法的缺陷，為研究分析神經(jīng)性疼痛的發(fā)病機(jī)理、評(píng)估鎮(zhèn)痛藥物的治療效果提供可靠的技術(shù)支持。

Von Frey;疼痛閾值;神經(jīng)生理測(cè)量;環(huán)境因素

疼痛是伴隨現(xiàn)有的或潛在的組織損傷而產(chǎn)生的主觀感受，是機(jī)體對(duì)有害刺激的一種保護(hù)性防御反應(yīng)，是一種復(fù)雜的生理心理活動(dòng)，常伴隨有強(qiáng)烈的主觀情緒色彩［1］，是臨床上最常見的癥狀之一。現(xiàn)今依然沒有客觀的生物學(xué)儀器檢測(cè)疼痛、描述疼痛的程度。這種窘境的存在是因?yàn)樘弁词且环N太過個(gè)人化和主觀化的體驗(yàn)，疼痛程度常常隨著病患年齡、性別、健康狀況而變化，很難有客觀的工具衡量疼痛［2］。單純記錄疼痛患者的主觀痛覺無法客觀研究疼痛，這就需要研究由疼痛引起的行為特征。尤其是針對(duì)喪失語言能力的疼痛患者，研究疼痛行為尤為重要［3］。許多學(xué)者分別通過相似性研究、神經(jīng)解剖學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和行為學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)物可能體驗(yàn)到的疼痛在性質(zhì)上與人類相似，因此，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的研究應(yīng)運(yùn)而生。在現(xiàn)代疼痛研究中，主要是通過研究實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、采用行為學(xué)方法來進(jìn)行疼痛的量化研究。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型多種多樣，一般包括化學(xué)刺激性模型、物理刺激性模型、神經(jīng)源性損傷模型、內(nèi)臟牽拉疼痛模型和其他模型。本文研制的機(jī)械測(cè)痛儀是依據(jù)機(jī)械性痛覺過敏模型而設(shè)計(jì)，該模型屬于物理刺激性模型。機(jī)械測(cè)痛，即 VonFrey單絲測(cè)量機(jī)械性疼痛閾值。較常用的方法是應(yīng)用一系列VonFrey絲壓迫皮膚從而產(chǎn)生不同程度的壓力。1922年，Von Frey首次利用粘在臘桿上的馬毛做標(biāo)準(zhǔn)刺激物去測(cè)定皮膚某一點(diǎn)的壓覺和觸覺。到1962年，Semmes和 Weinetein在前人基礎(chǔ)上［4，5］發(fā)明了觸覺測(cè)量器。這種壓覺測(cè)量器有20根帶手柄的單絲，最細(xì)是1.65，最粗是6.65，標(biāo)示的數(shù)值代表彎曲這些尼龍單絲所需最小力(mg)的對(duì)數(shù)值［6］。VonFrey絲按照從小到大的順序刺激動(dòng)物足底并記錄縮足之痛閾值或一定壓力的VonFrey絲反復(fù)刺激動(dòng)物從而測(cè)試其后退收縮頻率［7］。動(dòng)物的反應(yīng)除縮足之外，有時(shí)可包括嘶叫、逃跑和攻擊行為。

現(xiàn)有的許多基于 Von Frey的測(cè)痛儀由于下述缺點(diǎn)限制了其使用場(chǎng)合和測(cè)痛效果:測(cè)量受限于環(huán)境條件，如溫度、濕度等;無法單次測(cè)量獲得疼痛閾值;無法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)以及不便攜帶等。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械測(cè)痛儀的上述不足，筆者研制了一套便攜式電子測(cè)痛儀用于測(cè)試疼痛閾值、痛覺超敏和異常疼痛，為分析疼痛機(jī)制和篩選鎮(zhèn)痛藥物等研究提供技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料

傳統(tǒng)Von Frey測(cè)量是基于Von Frey單絲的，不同粗細(xì)的單絲代表了使其彎曲所需的最小外力閾值。Von Frey測(cè)試的不足在于需多次測(cè)量才能獲取一次有效數(shù)據(jù)，且測(cè)試容易受到環(huán)境溫度和濕度的影響。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用鋼陣傳導(dǎo)，將測(cè)試力傳遞到觸力傳感器，從而獲取受壓區(qū)域承受的力值實(shí)現(xiàn)痛閾測(cè)量。

1.2 方法

1.2.1 硬件電路:整套測(cè)痛儀包括網(wǎng)板測(cè)試架、測(cè)痛探頭和計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件三個(gè)部分組成。其中測(cè)痛探頭包括前端傳感器和信號(hào)處理電路。

傳感器選用 Honeywell公司的觸力傳感器 FSL 05N2C，這是一款適用于高精度要求場(chǎng)合的觸力傳感器，其工作原理是基于壓阻效應(yīng)。外力作用時(shí)，不銹鋼球形探頭將力直接作用于硅元件上，硅元件在外力作用下發(fā)生彎曲形變，其電阻發(fā)生變化，變化值隨外力大小成線性關(guān)系，最后在輸出端可以得到穩(wěn)定的電壓信號(hào)。其中，硅結(jié)構(gòu)壓阻式微機(jī)械敏感元件保證了精確可靠的壓力傳感性能。內(nèi)置的惠斯頓電橋具有低功耗、非增益的特點(diǎn)，能有效保證穩(wěn)定的mV輸出。此外，該傳感器采用最新的彈性體技術(shù)和塑料壓模技術(shù)，能確保負(fù)載激勵(lì)可以承受4.5～5.5 kg的超壓測(cè)量。另外，不銹鋼球型探頭還提供了良好的機(jī)械穩(wěn)定性能，能適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。其管腳分布如圖1所示。

圖1 FSL 05N2C的管腳分布Fig.1 The Pin Distribution of FSL 05N2C

考慮傳感器有單獨(dú)的工作溫度范圍要求，電路設(shè)計(jì)中將傳感器與信號(hào)采集電路集成到一起，整個(gè)硬件電路有保護(hù)外殼，所以測(cè)痛儀測(cè)量性能幾乎不受工作環(huán)境溫度、濕度的影響。

信號(hào)采集部分選擇具有在系統(tǒng)編程特性(In System Programming，ISP)的 ADuC814芯片作為主控。ADuC814采用先進(jìn)的混合信號(hào)處理的 IC工藝，片內(nèi)集成有一個(gè)12位6通道 ADC、兩個(gè)12位DAC和一個(gè)8052芯片內(nèi)核。本設(shè)計(jì)研制的測(cè)痛儀硬件電路全部集成于一塊電路板上，極大縮小了儀器體積。

1.2.2 應(yīng)用軟件:應(yīng)用軟件采用 VC編寫應(yīng)用程序，用于記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)得的疼痛閾值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和顯示。操作界面如圖2所示。其中，Port端口用于選擇實(shí)驗(yàn)所需的通訊端口數(shù)目; Average用于計(jì)算和顯示多次測(cè)量結(jié)果的算數(shù)平均值。由圖2可知，應(yīng)用軟件可連續(xù)記錄在1 min內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。本測(cè)試儀采用固定直徑的測(cè)試針，故測(cè)試數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)多支式Von Frey的測(cè)量結(jié)果有一定差別。由于測(cè)針本身具有質(zhì)量，因而若改變測(cè)針朝向進(jìn)行測(cè)量時(shí)候，需重新校準(zhǔn)基線。并且在施力過程中應(yīng)保持測(cè)針沿被測(cè)表面的法線方向，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 機(jī)械側(cè)痛儀的測(cè)試界面Fig.2 The measurement interface of the mechanical analgesia tester

2 結(jié)果

該測(cè)痛儀的主要應(yīng)用對(duì)象為嚙齒類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，如大鼠等。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究表明，大鼠等嚙齒類動(dòng)物的足底痛閾一般不超過15 g［8］，故測(cè)試中主要在0～18 g范圍內(nèi)測(cè)試測(cè)痛儀與天平數(shù)值的相關(guān)性。

選用e=10 d，d=0.01 g的電子天平驗(yàn)證測(cè)痛儀的測(cè)量精度。將電子天平示數(shù)值和測(cè)痛儀示數(shù)值分別作為橫縱坐標(biāo)描點(diǎn)，并依據(jù)最小二乘原理擬合曲線如圖3所示。圖4是測(cè)痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)的差值。由圖3中可知，各點(diǎn)分布在擬合直線的附近，無明顯畸點(diǎn);擬合曲線具有較好的線性度，這說明測(cè)痛儀的示數(shù)與天平讀數(shù)有較好的相關(guān)性，故使用該測(cè)痛儀測(cè)得結(jié)果能準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物受力區(qū)承受的壓力。圖4中，測(cè)痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)的絕對(duì)誤差在±0.1 g內(nèi)，即相對(duì)誤差不超過2%。這表明在疼痛試驗(yàn)中測(cè)痛儀的示數(shù)能準(zhǔn)確反映施于動(dòng)物足底的外力值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量足底痛閾。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)痛儀的測(cè)量精度滿足嚙齒類動(dòng)物疼痛閾值的測(cè)量要求，能為疼痛測(cè)量提供技術(shù)支持。

圖3 坐標(biāo)點(diǎn)的分布及其擬合曲線Fig.3 The points and the fitted curve

圖4 測(cè)痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)值的誤差值Fig.4 Error between the analgesia tester display and the balance

3 討論與結(jié)論

設(shè)計(jì)中采用觸力傳感器代替 Von Frey單絲進(jìn)行機(jī)械側(cè)痛儀研制。測(cè)痛儀在測(cè)量精度、穩(wěn)定程度以及操作等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這主要源于以下技術(shù)路線:

(1)高精度測(cè)力傳感器中能在較大的范圍內(nèi)提供良好的測(cè)量線性度;不銹鋼球型探頭具有優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性能，從而擴(kuò)大了測(cè)痛儀的使用場(chǎng)合

(2)測(cè)量閾值記錄實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的縮爪閾，在動(dòng)物撤掉足底皮膚的瞬間，電腦自動(dòng)記錄下數(shù)值結(jié)果，并以峰值的形式顯示出來。較傳統(tǒng) Von Frey法多次測(cè)量才能獲得一次有效數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)的測(cè)痛儀單次測(cè)量便可獲取有效準(zhǔn)確的痛閾數(shù)據(jù)，測(cè)量快捷方便。

(3)硅敏感元器件處于封裝嚴(yán)密的保護(hù)外殼中，故測(cè)試結(jié)果幾乎不受測(cè)試環(huán)境溫度和濕度的影響，結(jié)果穩(wěn)定可靠。

(4)儀器采用一體化設(shè)計(jì)，所有的電路均密封在測(cè)量手柄內(nèi)，通過USB電纜與計(jì)算機(jī)相連接。配合應(yīng)用程序，可方便地進(jìn)行機(jī)械痛閾的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。同時(shí)程序中提供了初步的分析與統(tǒng)計(jì)功能，使初次使用測(cè)量儀的操作人員也可以輕松完成測(cè)量任務(wù)。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的電子式機(jī)械測(cè)痛儀操作簡便、穩(wěn)定性好，有較高的測(cè)量精度，單次測(cè)量可獲取疼痛閾值。一體化設(shè)計(jì)使得儀器不受測(cè)量環(huán)境溫度和濕度的影響，結(jié)果穩(wěn)定可靠，且可方便實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示和分析。后續(xù)研究利用模型動(dòng)物和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并與傳統(tǒng)VonFrey實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照驗(yàn)證。

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Mechanical Analgesia Tester for Experiment Animal

WU You，WANG Yan，SHA Hong
(Institute of Bio－medical Engineering，Chinese Academy of Medical Science＆Peking Union Medical College，Tianjin 300192，China)

ObjectiveTo develop an electrical mechanical analgesia tester to measure pain threshold measurement in neuro－physiological research.Method Based on analysis of flaws of conventional mechanical analgesia tester，a highaccuracy force sensor was selected and hardware circuit for signal acquisition and processing was developed.Combined with software programmed in VC，pain threshold measurement and data storage and display were realized。ResultsAn electrical mechanical analgesia tester was developed and it could measure pain threshold conveniently and quickly。ConclusionExperiments results show that the analgesia tester has high accuracy，and is good in stability and accuracy. The measure results are invulnerable to environmental factors as temperature and moistness.The newly developed analgesia tester overcomes the flaw of conventional analgesia tester and can provide technical support for researching and analyzing etiopathogenesis of neuropathic pain，also for evaluating effectiveness of pain analgesics.

Von Frey;Pain threshold;Neurophysiologic measurements;Environment factors

TP274+.2

A

1671－7856(2010)05－0079－04

2009－12－14

吳右(1986－)女，碩士生，從事醫(yī)學(xué)信息檢測(cè)與處理。

沙洪(1964－)，男，研究員，生物信息檢測(cè)與處理實(shí)驗(yàn)室主任。E－mail:sha_hong_2000@yahoo.com