基于生物信號采集系統(tǒng)建立氨水引咳實驗?zāi)Ｐ?*

基于生物信號采集系統(tǒng)建立氨水引咳實驗?zāi)Ｐ?

鄧遇元1，2張劉凡1顏曉燕1陳久燕1顧軍1陸益炯1邵玉梅1

(1.成都醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院， 四川 成都 610083；2.解放軍第198醫(yī)院， 湖南 郴州 423000)

【摘要】目的基于生物信號采集系統(tǒng)建立客觀、準(zhǔn)確記錄氨水引咳模型中小鼠咳嗽次數(shù)的實驗方法。方法將自制體積描記裝置通過傳感器與美國BIOPAC公司的生物信號采集器相連，用12.5%的氨水引咳小鼠，采用經(jīng)典傳統(tǒng)方法記錄各組小鼠咳嗽(即氨水引咳后小鼠發(fā)生腹部劇烈收縮伴張大嘴的動作)的次數(shù)，檢測信號計為動作信號;觀察記錄小鼠動作信號同時，記錄小鼠的咳嗽聲音，記錄小鼠同時發(fā)生動作信號與聲音信號的次數(shù)，檢測信號計為聲動信號；同一時間點，通過特定電信號記錄各組小鼠咳嗽次數(shù)，檢測信號計為電信號。實驗結(jié)束后，以聲動信號作為標(biāo)準(zhǔn)，將三種記錄方法所得各組數(shù)據(jù)進(jìn)行秩相關(guān)分析。結(jié)果電信號與聲動信號之間，相關(guān)系數(shù)為(0.991±0.007)，相關(guān)性好，而動作信號與聲動信號之間，相關(guān)系數(shù)在(0.429±0.152)與(0.495±0.221)之間，相關(guān)性較差，數(shù)據(jù)波動較大，且不同動作信號觀察者觀察的結(jié)果差距大。結(jié)論基于生物信號采集系統(tǒng)檢測氨水引咳后小鼠的咳嗽次數(shù)的方法可靠，且較傳統(tǒng)的肉眼觀察的方法更客觀準(zhǔn)確。

【關(guān)鍵詞】小鼠； 鎮(zhèn)咳實驗； 生物信號采集系統(tǒng)

【中圖分類號】R 562

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

doi：10.3969/j.issn.1672-3511.2015.10.007

Abstract【】ObjectiveTo establish the objective and accurate experiment method recording the number of cough based on biological signal acquisition system in ammonia-induced mice cough experiment model. MethodsThe homemade device of painting and recording volume with BIOPAC biological signal harvester were connected by sensor. Ammonia induced cough in mice. The times of cough marked by abdomen contracted and mouth open in mice after stimulated by ammonia were recorded with classic traditional methods in each group. The signal was counted as action signal. The action signal was recorded when whooper was detected and the action signal with whooper was counted as sound-action signal. At the same time, the cough times of mice in each group were recorded through special electrical signal and the signal was counted as electrical signal. At the end of experiment, taking the sound-action signal as standard, the data recorded by three ways in each group was analyzed by rank correlation. ResultsCorrelation coefficient between the number of electrical signals detected by biological signal acquisition system in each group and the number of sound-action signals detected by the observer was 0.991±0.007. While the correlation coefficient between the number of action signals detected by observer and the number of sound-action signals detected by the observer were among 0.429±0.152 and 0.495±0.221 and were poor. And the volatility of correlation coefficient is large. ConclusionThe method based on biological signal acquisition system to detect the number of cough in mice after stimulated by ammonia is reliable and more objective and accurate compared with the traditional macroscopic observation method.

基金項目：成都醫(yī)學(xué)院大學(xué)生綜合性、設(shè)計性實驗項目(ZH201103)

通訊作者：顏曉燕，副教授，博士，E-mail: 171756035 @qq.com

收稿日期：( 2014-09-15； 編輯： 陳舟貴)

Establishment of ammonia-induced mice cough experiment model based on biological signal acquisition systemDENG Yuyuan1,2, ZHANG Liufan1, YAN Xiaoyan1,etal

(1.PharmacySchoolofChengduMedicalCollege,Chengdu610083,China；

2.The198thHospitalofPLA，Chenzhou423000,Hunan,China)

【Key words】mice; Antitussive experiments; Biological signal acquisition system

小鼠氨水引咳實驗法操作相對簡單，且實驗成本較低，常在鎮(zhèn)咳藥效實驗中作為初篩方法而得到廣泛應(yīng)用[1～5]。對于小鼠的咳嗽，目前多數(shù)文獻(xiàn)都是以觀察小鼠腹部收縮，同時伴有張大嘴的動作作為評判標(biāo)準(zhǔn)[6]，但實際操作過程中，小鼠咳嗽動作有時并不典型，且由于小鼠在容器中不停移動，不便于觀察，因此，造成數(shù)據(jù)難于準(zhǔn)確記錄，且波動較大。也有文獻(xiàn)[7]提示用聽診器輔助記錄小鼠咳嗽的聲音，能夠獲得客觀、準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，但是，實驗需要十分安靜的外界條件和觀察者在觀察過程中精神高度集中。為設(shè)計既能獲得客觀、準(zhǔn)確實驗數(shù)據(jù)，又操作簡便、易行的實驗方法，本實驗基于機體咳嗽時會伴有瞬間氣流的變化，這種變化在一個密閉的空間中會帶來瞬間壓力變化的原理，將實驗小鼠置于自制的體積描記箱中，利用壓差傳感器檢測壓差信號，并通過BIOPAC生物信號采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄，可以準(zhǔn)確記錄小鼠咳嗽次數(shù)，且較傳統(tǒng)方法對外界環(huán)境及觀察者要求更低?，F(xiàn)報告如下。

1材料與方法

1.1材料藥品：磷酸可待因(青海制藥廠有限公司，批號20100514)。試劑：濃氨水(成都市科龍化工試劑廠，批號20110125)。儀器：MP150生物信號采集處理系統(tǒng)、TSD160A壓力換能器、TSD137C小型動物呼吸流量探頭、DA100C通用放大器(美國BIOPAC公司)；980-A超聲霧化器(上海新天緣醫(yī)藥股份有限公司)；Statorius電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)。動物：KM小鼠，雌雄各半，體重(20±2)g，健康狀況良好，四川大學(xué)華西醫(yī)院實驗動物中心提供，實驗動物使用許可證號(SYXK(川)2009-045)。

1.2方法

1.2.1檢測裝置制備取適當(dāng)容積的廣口瓶，橡膠塞封口使之成為密閉容器，并在橡膠塞上開兩個小孔，一個孔用于與壓力傳感器相連，并通過傳感器與放大器與MP150主機相連，另一個孔與聽診器相連，裝置見圖1。

1.2.2分組及給藥根據(jù)體重隨機分為空白對照組、模型對照組、陰性對照組和磷酸可待因高、低劑量組。其中低劑量組(15mg/kg)、高劑量組(30mg/kg)和陰性對照組(等容量生理鹽水)均腹腔給藥，給藥后30min用12.5%氨水噴霧引咳；模型組未做給藥處理，仍以12.5%氨水噴霧引咳，空白對照組小鼠未做給藥處理，且用蒸餾水噴霧刺激。噴霧刺激時間為15s。

1.2.3觀察指標(biāo)噴霧刺激結(jié)束后，迅速將小鼠從玻璃鐘罩中取出，轉(zhuǎn)移至體積描記裝置中，觀察并記錄小鼠3min內(nèi)的信號次數(shù)。 動作信號的記錄，觀察小鼠的動作，以每出現(xiàn)一次腹部劇烈收縮伴有張大嘴的動作為一次動作信號。電信號的記錄，通過生物信號采集系統(tǒng)采集電信號。聲動信號的記錄，觀察者觀察小鼠的動作并用聽診器監(jiān)測咳嗽聲音，以每出現(xiàn)一次腹部劇烈收縮伴有張大嘴的動作，同時伴有咳嗽聲音為一次聲動信號。記錄者在記錄聲動信號的同時，向負(fù)責(zé)電信號采集的記錄者發(fā)出指令，由負(fù)責(zé)電信號的記錄者適時在圖像上進(jìn)行標(biāo)記，見圖2。

1.3統(tǒng)計學(xué)分析用SPSS 13.0對各組三種數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行秩相關(guān)分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1實驗裝置圖

Figure.1Experimental set-up

圖2生物信號采集系統(tǒng)采集的咳嗽電信號

Figure.2Electrical signals of cough collected by biological signal acquisition system

注：①咳嗽電信號

2結(jié)果

2.1資料顯示，生物信號采集系統(tǒng)采集到的咳嗽電信號是以基線為中心分布的向下的吸氣峰和向上呼氣峰構(gòu)成的對稱的尖峰信號，同時，聲動信號與電信號一致性較好，且出現(xiàn)的時值基本同步，見圖2。

2.2各組小鼠的聲動信號、電信號和動作信號的比較磷酸可待因?qū)Π彼碳さ男∈罂人跃哂酗@著的鎮(zhèn)咳作用。動作信號Ⅱ觀察者觀察記錄的數(shù)據(jù)以及電信號數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果與聲動信號數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果完全一致，動作信號Ⅰ和Ⅲ觀察者記錄到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果與聲動信號數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果不完全一致。電信號與聲動信號之間，相關(guān)系數(shù)為(0.991±0.007)，相關(guān)性好。動作信號與聲動信號之間，相關(guān)系數(shù)在(0.429±0.152)與(0.495±0.221)之間，數(shù)據(jù)波動較大，相關(guān)性較差，見表1、2。

表1　采用三種信號觀察各組小鼠咳嗽次數(shù)比較 ± s)

注：與空白組比較，①P<0.05；與陰性組比較，②P<0.05

表2　電信號和動作信號分別與聲動信號秩相關(guān)分析 ± s)

注：與聲動信號呈正相關(guān)①P<0.01；②P<0.05

3討論

小鼠氨水引咳實驗作為一種鎮(zhèn)咳藥效實驗評價的篩選方法，數(shù)據(jù)的真實、可靠性對實驗結(jié)果的判定至關(guān)重要。現(xiàn)有文獻(xiàn)多數(shù)以動作作為小鼠咳嗽的評判標(biāo)準(zhǔn)，可能是由于小鼠體型小，其咳嗽聲音非常微弱，很難準(zhǔn)確記錄，因此，采用記錄其腹部劇烈收縮同時伴有張嘴動作為準(zhǔn)。而實際上僅憑其動作判斷小鼠的咳嗽存在較大誤差，一方面，誘發(fā)小鼠收腹、張嘴的動作因素較多，且小鼠的自主活動易對觀察造成干擾；另一方面，不同觀察者對實驗標(biāo)準(zhǔn)的掌握存在差異。因此，該方法僅作為一種鎮(zhèn)咳實驗的初篩方法被使用[8，9]。

為改進(jìn)氨水引咳實驗法，少數(shù)文獻(xiàn)提到用聽診器監(jiān)測咳嗽聲音作為輔助判斷標(biāo)準(zhǔn)，能夠客觀、準(zhǔn)確的記錄小鼠的咳嗽次數(shù)。關(guān)于以聲音作為判斷咳嗽的標(biāo)準(zhǔn)，中醫(yī)內(nèi)科學(xué)中對咳嗽的定義是“……咳，指有聲無痰；……嗽，指有痰無聲。臨床上一般痰聲并見，故合稱“咳嗽”[10]，而同樣作為鎮(zhèn)咳藥效實驗篩選模型的豚鼠枸櫞酸引咳實驗法，豚鼠咳嗽的判斷，則是以咳嗽聲音作為評判標(biāo)準(zhǔn)[6,11～15]。因此，我們認(rèn)為，咳嗽的判斷應(yīng)該以聽到聲音為準(zhǔn)。為了能準(zhǔn)確監(jiān)測小鼠微弱的咳嗽聲音，課題組經(jīng)過摸索發(fā)現(xiàn)將小鼠置于合適的密閉容器中，插入聽診器能清晰地監(jiān)測小鼠咳嗽的聲音。能夠得到相對客觀、準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，但仍需要十分安靜的外界條件，同時，對觀察者要求較高，需要觀察者通過多次訓(xùn)練，準(zhǔn)備把握記錄標(biāo)準(zhǔn)，同時，在觀察記錄過程中要求觀察者長時間保持精神高度集中的狀態(tài)，不利于廣泛應(yīng)用。

藥理實驗方法學(xué)中提到：“咳嗽反射開始有吸氣動作，接著緊閉聲門，并發(fā)生強烈呼氣，提高胸內(nèi)壓(可出現(xiàn)正壓)，氣道可受壓縮而變窄，肺內(nèi)壓也大大升高，然后聲門突然開啟，由于壓力差，肺泡與呼吸道內(nèi)氣體以極高速度咳出體外，形成咳嗽動作?！盵6]該反射能產(chǎn)生壓力的瞬間變化。課題組利用生物信號采集系統(tǒng)中靈敏的壓力感受器將微小的壓力變化放大、轉(zhuǎn)變成直觀、準(zhǔn)確的電信號圖，裝置見圖1。經(jīng)預(yù)實驗得出，為獲得清晰的電信號圖，又能為小鼠呼吸提供足夠的氧氣，且方便實驗操作，選擇容積在200～300ml密閉容器較佳；壓力傳輸管徑選擇與壓力感受器匹配的最佳，采集的信號圖如圖2所示，圖中以基線為中心分布的向下的吸氣峰和向上呼氣峰構(gòu)成的對稱的尖峰信號為一次電信號。

為驗證采集的咳嗽電信號，實驗采用三種方法同時對咳嗽進(jìn)行計數(shù)，即檢測壓力變化方法、觀察咳嗽動作方法、觀察動作同時監(jiān)測聲音方法，并分別將結(jié)果記作電信號、動作信號、聲動信號。以數(shù)據(jù)靈敏、客觀的聲動信號作為比較依據(jù)，分別對電信號、動作信號與聲動信號進(jìn)行秩相關(guān)分析。

實驗結(jié)果顯示，電信號與聲動信號相關(guān)系數(shù)的均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為(0.991±0.007)，數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，波動較小，且兩者之間吻合性較高；動作信號與聲動信號相關(guān)系數(shù)均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差在(0.429±0.152)與(0.495±0.221)之間，數(shù)據(jù)相關(guān)性較小，波動較大，且對于同一只小鼠，不同的觀察者觀察到的動作信號差別較大。

4結(jié)論

本文資料顯示，基于生物信號采集系統(tǒng)采集的咳嗽電信號數(shù)據(jù)較可靠，比傳統(tǒng)肉眼觀察咳嗽動作獲得的動作信號更客觀、準(zhǔn)確，且比改進(jìn)后觀察動作同時監(jiān)測聲音的方法操作更方便、簡單，適合推廣使用。

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