全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙的研制

李英俊，王德文，徐新萍，彭瑞云，王瑞娟，文湘陽

（1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所, 北京 100850；2.貴州風(fēng)雷航空軍械有限責(zé)任公司，貴州 安順 561017）

全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙的研制

李英俊1，王德文1，徐新萍1，彭瑞云1，王瑞娟1，文湘陽2

（1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所, 北京 100850；2.貴州風(fēng)雷航空軍械有限責(zé)任公司，貴州 安順 561017）

為研究常壓狀態(tài)不同程度的低氧環(huán)境下人類的生命體征及生命耐受力，建立動(dòng)物低氧模型，研制了全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。該艙主要由制氮系統(tǒng)、氣體管道系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、艙體和監(jiān)視系統(tǒng)組成。由電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對低氧艙內(nèi)所設(shè)定的不同氧分壓的自動(dòng)控制。

生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙；低氧實(shí)驗(yàn)；常壓

常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙用于在常壓狀態(tài)下建立低氧動(dòng)物模型，研究機(jī)體在不同氧分壓環(huán)境內(nèi)的生理、生化特征變化規(guī)律。設(shè)備用氮?dú)鈱⑴搩?nèi)自然成份的空氣排出，采用電子控制設(shè)備人為地降低艙內(nèi)O2的百分含量，造成低氧環(huán)境。本臺設(shè)備可滿足畢格犬、恒河猴和大鼠等中、小型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的乏氧性低氧實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)O2的可調(diào)范圍為2.00%～20.90%，精度為±0.10%，系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定工作168h。艙內(nèi)氣體潔凈，紫外線燈消毒可靠。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)艙、緩沖室、監(jiān)視器、控制箱、頂部箱體、空氣壓縮機(jī)、制氮機(jī)、配氣罐等組成。其中控制箱及頂部箱體作為電氣系統(tǒng)控制和氣體管道安裝的箱體。

1.1 組件

1.1.1 實(shí)驗(yàn)艙和緩沖室。框架由不銹鋼材料制成，側(cè)壁板由鋼化玻璃制成。內(nèi)設(shè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物架、器械臺和2組球型監(jiān)視器攝像頭（韓國三星電子公司），裝有4套熱光源照明燈和1套紫外線燈。緩沖艙的主要作用是實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)艙不至于大幅度改變實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)O2百分含量的變化而影響實(shí)驗(yàn)的可靠性。

1.1.2 控制箱和頂部箱體。外殼為白色亞光噴塑，內(nèi)置系統(tǒng)電子控制設(shè)備，側(cè)壁安裝嵌入式一體化工控機(jī)。頂部箱體內(nèi)設(shè)有氣體混合罐，布有供氣管道、電源線和監(jiān)視器信號線，頂部設(shè)置防塵蓋板。

1.1.3 空氣壓縮機(jī)。制備無水、無塵、無油的潔凈空氣，供給制氮機(jī)和混合氣罐。

1.1.4 制氮機(jī)。制備純度最高可達(dá)99.94%的氮?dú)狻?/p>

1.1.5 貯氣罐。用于貯存潔凈的壓縮空氣。

1.2 氣體管道系統(tǒng)

氣體管道系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)（GA11-8·5，比利時(shí)Atlas Copco公司）、制氮機(jī)（CA-P-30，北京中成航宇空分設(shè)備有限公司）、儲氣罐（YZ-RC，揚(yáng)州巨人機(jī)械有限公司）、氣體質(zhì)量流量計(jì)控制器（D07-60F，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司）、嵌入式風(fēng)機(jī)、減壓器、氣體混合罐、軟管和管道接頭等組成。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由可編程控制器[1]（CPMIA-AD041，日本OMRON 公司），嵌入式一體化工控機(jī)（TPC1063E，北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司），O2智能氣體傳感變送器（MIC-02，英國Bluemoon公司），CO2智能氣體傳感變送器（VC1008T，英國Bluemoon公司）和溫、濕度傳感變送器（NKHT-3S-B-A1-TT，英國Bluemoon公司）5大部件組成。

其中嵌入式一體化工控機(jī)是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能工控機(jī)。具有容量小、速度快、成本低、穩(wěn)定性高、功能強(qiáng)大、通訊方便、操作簡便、開放接口和數(shù)據(jù)存貯等功能[2]?？刂葡到y(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2 工作流程和主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)工作流程

首先，由空氣壓縮機(jī)制出潔凈的空氣，經(jīng)儲氣罐一部分進(jìn)入制氮機(jī)，從制氮機(jī)出來的氮?dú)庠倭鞯綒怏w質(zhì)量流量計(jì)控制器，另一部潔凈的空氣直接流到另一氣體質(zhì)量流量計(jì)控制器，兩路氣體通過氣體控制流量計(jì)的開度來調(diào)節(jié)空氣和氮?dú)獾谋壤?，在混合罐中混合后，流入?shí)驗(yàn)艙和緩沖室。為確保艙內(nèi)氣體的均勻，盡可能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，分別在實(shí)驗(yàn)艙和緩沖室頂部正中位置各安裝一臺嵌入式風(fēng)機(jī)，使艙內(nèi)氣體成份充分混勻[3]。

實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)O2的百分含量通過工控機(jī)設(shè)定，艙內(nèi)O2的精度由O2智能氣體傳感變送器感應(yīng)，感應(yīng)信號傳入電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋控制。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)系統(tǒng)工作性能、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物容量、艙內(nèi)環(huán)境O2、CO2、溫濕度的顯示值、調(diào)節(jié)速度、連續(xù)工作時(shí)間等見表1。

3 操控界面

本設(shè)備采用嵌入式工控機(jī)作為操控界面與可編程控制器為控制核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可監(jiān)控實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)O2濃度、CO2濃度、溫度、濕度與緩沖室O2濃度、CO2濃度，可觀察實(shí)驗(yàn)艙O2濃度、溫度及緩沖室的O2濃度變化的實(shí)時(shí)曲線與歷史曲線。操作界面形象直觀，操作簡單，維護(hù)方便。

操控界面由系統(tǒng)工作界面、控制系統(tǒng)操控界面、實(shí)驗(yàn)人員權(quán)限管理界面、氧濃度設(shè)定界面、實(shí)驗(yàn)艙O2濃度和溫度歷史與實(shí)時(shí)變化曲線界面和退出操作系統(tǒng)界面組成。

4 系統(tǒng)工作性能檢驗(yàn)

表2 系統(tǒng)工作性能檢驗(yàn)結(jié)果

(1)全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙建成后，為驗(yàn)證各種技術(shù)指標(biāo)是否能夠達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，在環(huán)境溫度為25～28℃的條件下啟動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定不同氧濃度，檢測達(dá)到所設(shè)定濃度的時(shí)間，測定3次，計(jì)算平均值。每2h記錄一次O2濃度顯示值，并計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)間，具體數(shù)值見表2。氧氣濃度的設(shè)定值與達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間關(guān)系見圖2。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 氧氣濃度的設(shè)定值與達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間關(guān)系

(2)為檢驗(yàn)全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙能否滿足建立實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的目的，用wiatar大鼠70只，雌雄各半。隨機(jī)分為7組，其中1組為對照組，在艙外相同環(huán)境中飼養(yǎng)，其余6組在艙內(nèi)不同O2百分比濃度條件下接受實(shí)驗(yàn)。在艙內(nèi)O2濃度達(dá)到設(shè)定值后30min，艙內(nèi)采集動(dòng)脈血，進(jìn)行血氧分析[4]。動(dòng)脈血測定指標(biāo)為pH2、pO和pCO2[5]。

實(shí)驗(yàn)組和對照組的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維方差比較，以P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。分析結(jié)果見表3。

表3 常壓低氧大鼠在環(huán)境不同氧分壓條件下動(dòng)脈血血?dú)夥治鼋Y(jié)果

5 結(jié)果

(1)經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于28℃時(shí)，可連續(xù)穩(wěn)定工作168h，在環(huán)境溫度超過30℃時(shí)，空壓機(jī)散熱受阻，若機(jī)內(nèi)溫度達(dá)到120℃時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)停止工作。隨著所設(shè)定O2濃度的降低，達(dá)到該設(shè)定值所用的時(shí)間也隨之延長。艙內(nèi)O2濃度顯示值較設(shè)定值略小，各設(shè)定值濃度的標(biāo)準(zhǔn)差較小。

(2)血?dú)夥治鼋Y(jié)果表明，與對照組相比，pH、pO2、pCO2和HCO3的測定值如表3。

6 討論

常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙是為建立動(dòng)物缺氧模型，研究自然災(zāi)害或其它人為原因造成的對建筑物、城市人防工程、坑道、礦井等坍塌后所造成的缺氧條件下被掩埋人員的生命指征及對缺氧的耐受力而設(shè)計(jì)的。

該艙采用氮?dú)馓畛涞姆椒▽⑴搩?nèi)的空氣排出，達(dá)到低氧的目的。

表2顯示，設(shè)定的氧濃度與艙內(nèi)實(shí)測O2濃度有誤差，且測定值均小于設(shè)定值。其主要原因可能是由于制氮機(jī)所制氮?dú)鉂舛容^高（99.89%），壓力較大（0.79kp），入艙混合后，經(jīng)質(zhì)量流量控制器測定，才由電子控制系統(tǒng)控制，二者存在不完全同步的問題。但是從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果分析，各組氧氣濃度的設(shè)定值與顯示的實(shí)際值最大誤差為±0.2688，最小誤差為±0.0423。誤差對動(dòng)物實(shí)驗(yàn)基本無影響。

從圖1可以看出，艙內(nèi)氧氣濃度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間逐漸延長，達(dá)到16%時(shí)為5′30″，達(dá)到2%時(shí)為67′58″，這與艙內(nèi)氮?dú)獾奶畛鋾r(shí)間有關(guān)，艙內(nèi)氧氣濃度設(shè)定得越低，需要的氮?dú)庠蕉?，填充的時(shí)間也越長。

表3顯示血?dú)夥治鰞x測定值，與對照組相比，隨著艙內(nèi)氧氣濃度的降低，動(dòng)脈血的氧分壓也逐漸下降，且有顯著差異（P＜0.01），證明該全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙完全能夠滿足臨床和科研上建立不同程度常壓缺氧實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的需要。

此外，高性能嵌入式一體化工控機(jī)是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的，采用了10.4英寸高亮度寬溫TFT液晶顯示屏（分辨率640×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），外殼是美觀堅(jiān)固的鋁合金結(jié)構(gòu)，具有良好的電磁屏蔽性，同時(shí)還預(yù)裝了微軟嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和嵌入式組態(tài)軟件。

本艙操作程序簡便，控制精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)美觀，可滿足犬、猴、大鼠、小鼠及細(xì)胞缺氧實(shí)驗(yàn)，是目前國內(nèi)唯一一臺大型全自動(dòng)常壓低氧生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

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circulation[J].Appl Physiol,2006,55(10):725-730.

Development of Automatic Atmospheric Hypoxia Biomedical Experiment Chamber

LI Ying-jun1, WANG De-wen1,XU Xin
ping1, PENG Rui-yun1, WANG Rui-juan1,WEN Xiang-yang2
(1.Institute of Radiation Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850, China; 2.Guizhou Fenglei Aeronautics Ordnance Company Limited,Anshun Guizhou 561017, China)

To research the vital sign and life tolerance of human in environment of normal pressure hypoxic in different density of O2and to construct the animal hypoxic model,we developed the automatic atmospheric hypoxic biomedicine experiment chamber. The chamber is the components of producing nitrogen system, gas passageway system, electronic control system, experiment box and supervising system. Automatic control of different partial pressure O2are implemented by the electronic control system.

biomedical experiment chamber; hypoxic experiment; normal atmosphere

TH79

A

1674-1633(2010)01-0030-03

2009-09-07

2009-11-26

本文作者：李英俊，助理研究員，博士。

作者郵箱：lhzh8526@sina.com