CN104799967B - 一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置及方法，包括处理器模块，所述处理器模块分别与显示模块、设置模块、传感器模块、电源模块及控制模块相连，所述控制模块与真空泵相连；该装置具有结构紧凑，使用方便的特点。它可以自动控制真空压力，减小实验学生的操作难度，使学生可以把主要精力集中在缺氧现象的观察上，大大提高实验效率，改进试验效果。该实验装置实验结果稳定,可重复性强,实验教学效果良好。

Description

一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及医学实验领域，具体涉及一种一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置及方法。

背景技术

缺氧，可引起呼吸机能和肺形态的改变以及其它系统机能紊乱，甚至导致死亡。另外，年龄及机体神经系统机能状态改变，外界环境温度变化，以及CO₂浓度增高均可影响机体对缺氧的耐受性。

《小鼠低气压致病作用观察》实验就是通过观察动物在各种类型缺氧时，呼吸机能、肺形态、内脏及血液颜色的改变，了解不同类型缺氧的特点以及各种因素在缺氧发病中的重要性。

该实验既是病理生理学实验课中的经典实验，也是机能学综合实验课中经典实验部分唯一的病理生理实验。目前，大、中专医药院校也均开设此实验。低气压实验装置是《小鼠低气压致病作用的观察》实验中所用的必备设备，但几十年来一直使用传统的低气压实验装置，如图1所示。传统装置的方法是用两根橡皮管将真空干燥器分别与抽气机和水银减压计相连，按下配电盘的电源开关，开动抽气机，使气压分别逐渐降至507mmHg(相当于海拔3000m高度)，停止抽气，保持3～5分钟，观察、记录小白鼠的活动情况，呼吸深度和频率及末梢部位(耳、唇、尾、脚掌)皮肤颜色等指标，然后放开橡皮管上的螺旋夹，使气压恢复正常。而后再开动抽气机，使气压分别逐渐降至270mmHg(相当于海拔8000m高度)、150mmHg(相当于海拔10000m高度)，重复上述步骤。该装置的缺点是：抽气机笨重，准备实验时搬运难；抽气机无开关，靠配电盘上的开关开动抽气机，气压难以达到设定值；管路长，接头多，易老化，气压易泄漏；放气时气压控制不好，玻璃管中的水银猛然下落，易造成水银外泄，产生严重的实验室汞污染，这也是重大的实验室安全隐患。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置及方法，针对当前医学院校、科研机构的需求，本申请根据病理生理实验方法中缺氧原理研制了一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，尤其适用于《小鼠低气压致病作用观察》实验。该装置能良好的控制气压，稳定气压在一个较低状态，数字化控制，方便使用。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，包括处理器模块，所述处理器模块分别与显示模块、设置模块、传感器模块、电源模块及控制模块相连，所述控制模块与真空泵相连；

所述传感器模块通过气压传感器获得真空干燥器内的气压变化的模拟量，然后通过放大器将信号放大，再送入AD转化器，将模拟信号转化为数字量提供给处理器模块进行处理，处理器模块完成对传感器模块的数据的处理，计算分析出真空干燥器内的气压值，并与设定的气压值作对比，若达到设定气压则通过控制模块停止真空泵，若系统测得干燥瓶的气压比设定值的气压值高一定值时则启动真空泵再次抽气，处理器模块实时通过显示模块，显示真空干燥器内的气压值和用户设定的气压值。

所述处理器模块采用CIP-51微控制器内核的C8051F340处理器，处理器工作电压为3.3v，处理器的VDD端口与相并联的滤波电容C13，C14相连，处理器P0口用于对传感器模块的数据处理及真空泵的控制，P2口用于声光指示控制LED灯、蜂鸣器及RS232数据的传输，P3口用于对显示模块数据的传输与控制。

所述传感器模块采用MPXM2202压力传感芯片气压传感器，工作于+5V电压，将被测信号转换为输出电压，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号，实现差分输入，将电压信号送至AD8220仪表放大器，通过增益终端电阻R7及RV1设置增益，然后将放大后的电压值经过AD转换，其中AD转换芯片采用AD7705该AD转换芯片是完整的16位双通道全差分模拟输入AD转换，放大信号接入7脚即AIN+脚,最终将转化数据通过13脚即DOUT脚串行将数据传送给单片机处理，其中外接晶体振荡器X1提供转换采样频率，LM431电路提供AD转换基准电压。

所述控制模块通过控制三极管Q10，Q11来控制继电器的通断，当给定高电平信号时两三极管导通继电器闭合从而控制真空泵的启停，其中二极管D5、D6为续流二极管，防止继电器在关断瞬间产生反向高于电源电压的电动势损坏电路其他器件，当真空泵启动的时候将会抽出干燥器内的空气使瓶内的气压降低；当真空泵停止的时候若进气阀完全关闭则干燥器内气压不会发生变化，可以通过调节“进气阀”旋钮使干燥器内气压变化。

所述显示模块采用数码管动态扫描的方式实时显示出当前值和设定值。

所述设置模块包括带按键功能的旋转编码器，按下旋转编码器时可以启动或停止真空泵，在真空泵停止工作时可以调整设定气压值，通过设置模块可以设定需要的气压值，并手动启停系统。

一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：安装真空干燥器并将真空干燥器利用PU管连接至一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置；

步骤二：打开真空干燥器盖，放入实验动物，盖上真空干燥器盖，磨合真空干燥器盖使之密封；

步骤三：左右旋转旋钮设定目标气压值，按下旋钮开始实验；

步骤四：调节通气阀旋钮，调节进气量；

步骤五：当真空干燥器气压值达到设定气压值时，气泵停止工作，当气压超过设定值的5mmHg一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置会自动抽气降压，按下旋钮停止实验；

步骤六：打开通气阀，恢复真空干燥器中压力；

步骤七：压力恢复至当地气压后，打开真空干燥器盖，取出实验动物，实验结束。

所述步骤一中，具体为：

(1-1)将干燥器塞安装在真空干燥器盖上，安装干燥器塞时在干燥器塞上涂抹真空脂或凡士林；

(1-2)将通气阀直接插入干燥器塞的上端；

(1-3)将真空干燥器盖盖在真空干燥器体上，相接触的边缘涂抹真空脂或凡士林，利于磨合紧密；

(1-4)干燥器塞的两个连通口分别通过PU管与一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置的进气口及气压检测口相连。

本发明是针对当前医学院校、科研机构等需求，根据病理生理实验方法中缺氧原理研制开发的低压缺氧系统，可以用于相关的实验如缺氧、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、缺氧预适应等模型。该装置能良好的控制气压，稳定气压在一个较低状态，数字化控制，方便使用。能成功完成病理生理经典实验“缺氧”的各项要求，当气压升高超过设定值5mmHg时，自动抽气降低气压，能持续稳定低气压环境。本发明操作界面简单实用，放气安全，简单的操作使教学和科研更为方便。气压降低后观察动物的行为学和体表变化也十分直观，抽气和放气过程均在较短时间内完成，使实验变得轻松快捷；智能控制抽气使得实验过程更为稳定可靠，误差小，方便得出客观的结论。

本发明的有益效果：

在低气压致病作用实验中，低气压实验装置是实验成功的关键，为此，本发明利用数字技术、电子技术和医学机能实验技术相结合的方法研制了一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，该装置具有无水银，使用安全；管路密闭，气压调节范围大，气压稳定；一体化，高精度；旋钮设定气压值，当前气压值和设定气压值数码管实时动态显示等优点。为教学、科研中研究整体动物的缺氧机理，复制整体哺乳类动物缺氧实验模型提供了新的手段。

该装置具有结构紧凑，使用方便的特点。它可以自动控制真空压力，减小实验学生的操作难度，使学生可以把主要精力集中在缺氧现象的观察上，大大提高实验效率，改进试验效果。该实验装置实验结果稳定,可重复性强,实验教学效果良好。

附图说明

图1传统的低气压实验装置；

图2本发明的实验装置整体结构示意图；

图2a本发明的真空干燥器结构示意图；

图3本发明的实验装置内部原理示意图；

图4本发明的实验装置处理器模块原理图；

图5本发明的实验装置传感器模块原理图；

图6本发明的实验装置控制模块原理图；

图7本发明的实验装置显示模块原理图；

图8本发明的实验装置设置模块原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图2所示，一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置将控制电路、微型真空泵、电子式气压传感器和充气阀门等部件集中在一个机箱里。如图3所示，本申请的控制电路包括电源模块、传感器模块、显示模块、控制模块、用户设置模块和处理器模块，通过六大模块实现灵活设定压力值、精确测量压力值、实时显示压力值。

如图2a所示，真空干燥器的具体结构包括：通气阀：恢复真空干燥器内气压；真空干燥器塞：密封，接触口处密封使用真空脂，干燥器塞有3个连通口；真空干燥器盖：维持真空干燥器密闭，接触口处密封使用真空脂；连接PU管：将干燥器塞两个连通口与进气口、气压检测口连通；真空干燥器体：放置动物。

管路连接时，真空干燥器瓶口处有5个卡口，一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置背面有2个卡口；接入PU管的时候只需要将PU管插入卡口，卡口开关就会卡紧PU管(请将PU管插到接头底部，管子插好后要拉一下，确认管子拔不出)；取下PU管时，只需压下卡帽，卡口开关便打开，此时可以取下连接PU管；调气阀上的标志以岔口向下为大气进真空干燥器方向。

如图4所示，处理器模块，选用以CIP-51微处理器为内核的C8051F340单片机，工作电压为3.3v，其中，电容C13，C14作用为滤波去耦，处理器P0口用于对传感器模块的数据处理及真空泵的控制，P2口用于声光指示控制LED灯、蜂鸣器及RS232数据的传输(P2.0、P2.1)，P3口用于对显示模块数据的传输与控制。处理器模块在对传感器模块进行数据处理后，计算分析出干燥器内的气压值，并与用户设定的气压值作对比，若达到设定气压通过控制模块停止真空泵。若系统测得干燥器内的气压比设定值的气压值高5mmHg时则启动真空泵再次抽气。与此同时处理器实时通过显示模块精确显示干燥器内的气压值和用户设定的气压值。用户可以随时通过设置模块启停真空泵、更改设定气压和进气快慢。

系统设计时选用使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核的C8051F340处理器。它与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70％的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。因此速度与标准的8051相比提高很大。

另外，该处理器还具有以下几个优点：

扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7有多达9个复位源。

高速内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz±1.5％。

如图5所示，传感器模块包括气压传感器、仪表放大器和AD转化器。气压传感器采用MPXM2202气压传感器，通过气压传感器获得气压变化的模拟量，将被测信号转换为输出电压，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号，实现差分输入(+Vout、-Vout)；然后将电压信号送至AD8220仪表放大器，通过增益终端电阻(R7、RV1)设置增益[G＝1+(49.4K/RG)原理图中通过调节RV1来微调增益大小]，将信号放大；再把放大后的信号送入AD转化器，将模拟电压信号转换成具有一定频率的脉冲信号，AD转换芯片采用AD7705，它是完整的16位双通道全差分模拟输入AD转换，放大信号接入7脚(AIN+)，最终将转化数据通过13脚(DOUT)串行将数据传送给单片机处理，其中，外接晶体振荡器X1提供转换采样频率，U8(LM431)电路提供AD转换基准电压；通过单片机接收该脉冲信号，得到单位时间内获得的脉冲数，依据电压与频率的线性关系式计算出所对应的实际气压值，最后在单片机的控制下由数码管显示电路显示给用户。

如图6所示，控制模块，处理器模块通过控制模块来控制继电器的通断，从而控制真空泵的启停。当真空泵启动的时候将会抽出干燥瓶内的空气使瓶内的气压降低；当真空泵停止的时候若进气阀完全关闭则瓶内气压不回发生变化，用户可以通过调节进气阀使瓶内气压变化。

处理器通过控制三极管Q10，Q11模块来控制继电器的通断，当给定高电平信号时(下图中网络标号为RELAY)两三极管导通继电器闭合从而控制真空泵的启停，其中二极管D5、D6为续流二极管，防止继电器在关断瞬间产生反向高于电源电压的电动势损坏电路其他器件。当真空泵启动的时候将会抽出干燥器内的空气使瓶内的气压降低；当真空泵停止的时候若进气阀完全关闭则干燥器内气压不会发生变化，用户可以通过调节“进气阀”旋钮使干燥器内气压变化。

如图7所示，显示模块，系统采用数码管动态扫描的方式实时显示出当前值和设定值，显示模块主要是显示干燥瓶内的当前压力值和用户设定的压力值。

数码管动态扫描显示原理是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出段码时，所有数码管都接收到相同的段码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。在动态显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，这种显示方式能够节省大量的单片机I/O端口，而且功耗低。

当单片机给定数码管位选信号(标号为38_s1、38_s2、38_s3)，经过74ls138译码器后再经过缓冲级UN2803选择8位数码管其中一位工作。74ls138译码器实现3线到8线的译码，UN2803用于电平转换取反控制信号，并驱动负载数码管。

当单片机发送数码管要显示的段码时(即要显示的数字的二进制码)，通过74LS595实现数据串行输入并行输出(74LS595为8位串行输入转并行输出移位寄存器)，串行输入端为13脚(DS)，并行输出位为Q0-Q7经过三极管Q2-Q9控制数码管数据的显示。

如图8所示，设置模块，在设计时采用了带按键功能的旋转编码器，用户按下编码器时可以启动或停止真空泵。在真空泵停止工作时用户可以调整设定气压值，通过设置模块用户可以设定需要的气压值，并手动启停系统。

应用例子：

在医学机能学实验教学中的《低气压的致病作用》实验已使用了该实验装置。实验设计过程为，观察动物各种类型缺氧，了解不同类型缺氧的特点以及各种因素在缺氧发病中的重要性。实验的具体方法是：安装仪器组件，在真空干燥器盖的边缘上，涂一薄层凡士林，使其加盖后外缘能完全密闭。打开真空干燥器盖，放入初生及成年小白鼠各一只，放入真空干燥器内，观察、记录小白鼠的一般活动情况，呼吸深度和频率及末梢部位(耳、唇、尾、脚掌)皮肤颜色。盖上真空干燥器盖，磨合干燥器盖使之密封；左右旋转旋钮设定目标气压值，按下旋钮开始实验。使气压分别逐渐降至507mmHg、270mmHg、150mmHg，当气压值达到设定气压值时，气泵停止工作，当气压升高超过设定值5mmHg时，系统自动抽气降低气压，持续稳定低气压环境，当气压稳定在设定值时观察上述指标，注意两只小白鼠有何不同。当成年鼠发生痉挛时，立即打开通气阀旋钮，使气压恢复正常，打开干燥器，观察两只小白鼠有何不同。

研制的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置操作界面简单实用，放气安全，简单的操作使教学和科研更为方便。气压降低后观察动物的行为学和体表变化也十分直观，抽气和放气过程均在较短时间内完成，使实验变得轻松快捷；数字控制抽气使得实验过程更为稳定可靠，误差小，方便得出客观的结论。使学生在实验中不再为无为、无效操作耗费大量的时间，把有限的时间和精力应用到钻研实验技术、观察缺氧现象、培养动手能力、思考缺氧机理上，大大提高实验效率，改进实验效果。它还可为本科学生进行心脑管系统疾病研究，设计“缺氧实验模型”，实施大学生科技创新项目搭建了一个崭新的技术平台。

一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置还可以用于相关的科研实验如缺氧、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、缺氧预适应等模型的复制，具有广阔的应用前景。

实验表明，本申请创新性的改革了复制整体哺乳类动物缺氧实验模型的手段，实现对气压控制的精密调节和控制。具有无水银，使用安全；管路密闭，气压调节范围大(↑↓600mmHg)，气压稳定(误差<5mmHg)；一体化，高精度；旋钮设定气压值，方便灵活；当前气压值和设定气压值数码管实时动态显示等优点。该装置现已用于山东大学医学院、药学院、公共卫生学院、口腔医学院、护理学院5个学院本科、专科学生的医学机能综合实验及药理学实验二门课程的实验教学，为学校多专业、多学科共用，每年面对校内、外学生达1000人。应用这一装置后，显著提高实践教学对学生的动手能力的培养，明显提高实验的成功率和实验教学效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，包括处理器模块，所述处理器模块分别与显示模块、设置模块、传感器模块、电源模块及控制模块相连，所述控制模块与真空泵相连；

所述传感器模块通过气压传感器获得真空干燥器内的气压变化的模拟量，然后通过放大器将信号放大，再送入AD转化器，将模拟信号转化为数字量提供给处理器模块进行处理，处理器模块完成对传感器模块的数据的处理，计算分析出真空干燥器内的气压值，并与设定的气压值作对比，若达到设定气压则通过控制模块停止真空泵，若系统测得干燥瓶的气压比设定值的气压值高一定值时则启动真空泵再次抽气，处理器模块实时通过显示模块，显示真空干燥器内的气压值和用户设定的气压值，所述控制模块通过控制三极管Q10，Q11来控制继电器的通断，当给定高电平信号时两三极管导通继电器闭合从而控制真空泵的启停，其中二极管D5、D6为续流二极管，防止继电器在关断瞬间产生反向高于电源电压的电动势损坏电路其他器件，当真空泵启动的时候将会抽出干燥器内的空气使瓶内的气压降低；当真空泵停止的时候若进气阀完全关闭则干燥器内气压不会发生变化，可以通过调节“进气阀”旋钮使干燥器内气压变化。

2.如权利要求1所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，所述处理器模块采用CIP-51微控制器内核的C8051F340处理器，处理器工作电压为3.3v，处理器的VDD端口与相并联的滤波电容C13，C14相连。

3.如权利要求2所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，处理器P0口用于对传感器模块的数据处理及真空泵的控制，P2口用于声光指示控制LED灯、蜂鸣器及RS232数据的传输，P3口用于对显示模块数据的传输与控制。

4.如权利要求1所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，所述传感器模块采用MPXM2202压力传感芯片气压传感器，工作于+5V电压，将被测信号转换为输出电压，输出的是与气压值相对应的模拟电压信号，实现差分输入，将电压信号送至AD8220仪表放大器，通过增益终端电阻R7及RV1设置增益，然后将放大后的电压值经过AD转换。

5.如权利要求4所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，AD转换的芯片采用AD7705 该AD转换芯片是完整的 16 位双通道全差分模拟输入AD转换，放大信号接入7脚即AIN+脚,最终将转化数据通过13脚即DOUT脚串行将数据传送给单片机处理，其中外接晶体振荡器X1提供转换采样频率，LM431电路提供AD转换基准电压。

6.如权利要求1所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，所述显示模块采用数码管动态扫描的方式实时显示出当前值和设定值。

7.如权利要求1所述的一体式哺乳类动物缺氧实验模拟装置，其特征是，所述设置模块包括带按键功能的旋转编码器，按下旋转编码器时可以启动或停止真空泵，在真空泵停止工作时可以调整设定气压值，通过设置模块可以设定需要的气压值，并手动启停系统。