CN110327130A - 一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，包括设于底板上的左右耳杆和适配器，对实验动物头部进行固定。适配器上设有口含部，用于在固定动物时使其咬住，口含部上方设有弧形设计压鼻片，用于压住实验动物鼻梁。底板一侧设有安装在立柱上的操作臂，通过横向滑块、转盘、转动部、纵移框和横移框，实现夹持器在三个方向的平移以及两个方向上的转动。底板上集成有温控平台，温控平台由金属壳体、加热区域、隔热层、温控器、温度探头、外部电源组成，通过各部件的连接关系以及各自的电路设计，实现系统的稳定运行，方便平台的移动操作；提高实验动物术后成活率。

Description

一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体是涉及一种动物实验装置，尤其是涉及一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台。

背景技术

在动物实验中，实验者通常会先将实验动物取出，麻醉，随后进行解剖或其他实验操作。在实验过程中，须维持实验动物的体温恒定，以提高其术后成活率。

在当前的动物实验中，用于固定动物的最普遍的方式是脑固定，如专利CN102335049公开了一种实验鼠固定器，通过带有柱爪的上下夹板加紧固定实验鼠，压尾架压住鼠尾。CN102755202公开了一种动物手术试验台，通过耳杆和适配器对动物头部进行固定，并通过成像装置实现整个过程的监测。CN202113169公开了一种动物脑立体定向仪，通过耳杆对动物头部进行固定，固定钮对动物四肢进行固定，采用固定式的注射机构进行注射。上述装置有各自的特点，但对于实验动物的注射均采用固定式，限制了实验的操作灵活度。并且目前市面上用于维持实验动物体温的仪器大多都采用加热板和温控元件分开设计的方案。实验操作者须将加热板置于定位仪底座上，再在其上安放实验动物，温控元件接出温度传感器探头，可将动物实时体温显示在屏幕上。该体温维持仪搭配立体定位仪进行实验室，冗杂的温度传感器探头线和电线会给实验操作者带来很大不便，尤其是当实验动物须随立体定位仪一同移动到其他位置的时候，同时上述平台的活动自由度和所搭配的配套设施适用性不强，对实验过程造成了不利的影响。

发明内容

为了至少部分的解决上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，采用多自由度的注射装置，将温度传感器与温控加热元件植入到立体定位仪底座内形成温控平台，并通过对温控平台的内部电路和机构进行设计，省去了冗余的连线，实验动物可方便随定位仪移动到其他位置，且定位仪内置电池可在无电源供电情况下连续续航。实现了实验过程的方便、高效和稳定的加热。

本发明完整的技术方案包括：

一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，包括底板，所述底板上设有对称的左右立柱，左右耳杆嵌入左右立柱的凹槽之中，耳杆为方形结构，紧固螺栓穿过耳杆压板并连接左右立柱，通过紧固螺栓使耳杆压板与压杆实现面接触，并对耳杆锁紧固定；耳杆前端为尖锥状结构，最前端为球面；

弧形连接段上设有适配器，适配器插入后侧立柱的滑槽内，并可沿滑槽前后移动，压紧螺杆穿过滑槽连接到后侧立柱，对适配器进行固定；适配器上设有口含部，用于在固定动物时使其咬住该口含部，口含部上方设有压鼻片，所述压鼻片采用弧形设计，用于压住实验动物鼻梁；

底板一侧设有安装在侧立柱上的操作臂，操作臂通过横向滑块嵌入侧立柱的滑槽中，并可沿滑槽前后移动，横向滑块上带有经过暗处理的长度刻度；第一横向部前端上方设有带有角度刻度的转盘，可进行水平方向的旋转；转盘上方设有双耳支架，枢轴穿过双耳支架，枢轴一侧设有紧固旋钮，转动部位于双耳支架内并套设于枢轴上，并可在垂直方向转动，紧固旋钮用于对转动部进行紧固固定；在转动部上方，经过暗处理的带有长度刻度的纵向读数杆、双头丝杠、纵固定杆和上下固定块构成纵移框；经过暗处理的带有长度刻度的横向读数杆、双头丝杠、横固定杆和左右固定块构成横移框；滑移块包括纵向通孔和横向通孔，并通过纵向通孔套设于纵向读数杆、双头丝杠和纵固定杆上，通过横向通孔套设于横向读数杆、双头丝杠和横固定杆上；通过双头丝杠的作用实现纵向框架和横向框架的平稳移动和计数，横向框架右侧的右固定块上可以设有平台配套配件；例如可以通过夹持器所设置的电极、针头、套管、探头、探针、颅钻、注射器等。

所述的底板集成有温控平台，温控平台由金属壳体、加热区域、隔热层、温控器、温度探头、外部电源(电源适配器或外置电池)组成；

外置温度探头由温控平台一侧引出，用于监测、反馈动物体温，可插入动物体内；温控平台实验区域内置有加热区域，可对实验动物进行加热；温控平台上有显示按键可设置加热温度、和实时显示温度探头测量的温度；平台上留有安装空位，可安装定位仪。

在本发明的一些实施方式中，所述温控平台留有供电插座，可插接外部电源适配器(输入100～240VAC，输出DC24V)或者外置电池供电。

在本发明的一些实施方式中，所述外部温度探头采用插座方式与平台连接。

在本发明的一些实施方式中，加热区域与金属壳体间有隔热材料隔离；

在本发明的一些实施方式中，所述加热区域可依据实验动物的大小，具有2种不同的尺寸。

在本发明的一些实施方式中，所述外置温度探头是T型热电偶，可测量-200℃～+400℃范围内的温度，在+20℃～+50℃范围内校准后精度可到达±0.2℃。

在本发明的一些实施方式中，所述内嵌温控平台厚度与底座框架厚度一致。

在本发明的一些实施方式中，所述温度探头包括不同粗细的两款，分别适用于大小鼠实时体温的获得。

在本发明的一些实施方式中，所述的温控嵌入式动物实验多功能固定平台进行动物实验的方法，将动物固定于实验平台上，温度探头伸出，连接到动物直肠，温度传感器置于底座内部，读取电热板温度，提供过温保护；若动物实时体温高于/低于期望温度±0.5℃，系统自动断开/开启加热系统；显示管旁有指示灯和警报灯，指示灯可显示加热器工作状态；若大鼠/小鼠实时体温高于/低于期望温度±0.8℃，警报灯闪烁，温控平台采用预设的方式进行加热。

通过使用本发明的平台，获得了如下有利的技术效果：通过三维五自由度的操作臂设计，实现了平台配套配件的灵活移动，适用于不同体型的动物，底座内置温控系统，维持实验动物体温；实验者可在指定范围内灵活设定期望的动物体温，通过合理的各级电路设计，优化了加热效率，降低能耗，实现系统的稳定运行，外置电池，在无外置供电的情况下可续航一小时，方便实验操作者将实验动物随定位仪一同移动到其他位置；提高实验动物术后成活率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的平台结构示意图；

图2为温控平台系统示意图；

图3为温控平台实体图；

图4为主控板电路框图；

图5为5V电源DC-DC转换模块电路图；

图6为3.3V电源LDO模块电路图；

图7为3.0VADC基准电源电路图；

图8为12V电源DC-DC转换电路图；

图9为T型热电偶温度采样电路图；

图10为显示控制板电路图；

图11为MCU主控芯片电路图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行描述，且只适用于对发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明内容对本发明进行作一些非本质的改进和调整。

如图1所示，本发明的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，包括底板1，所述底板上设有对称的左右立柱2，左右耳杆3嵌入左右立柱的凹槽之中，耳杆为方形结构，紧固螺栓4穿过耳杆压板并连接左右立柱，通过紧固螺栓使耳杆压板与压杆实现面接触，并对耳杆锁紧固定。方形的耳杆结构和面接触的方式，保证了压板可以对耳杆进行有效固定且不损伤耳杆。耳杆前端为尖锥状结构，最前端为球面，保证能对实验动物的头部进行固定，且不对其造成伤害。

弧形连接段上设有适配器5，适配器插入后侧立柱6的滑槽内，并可沿滑槽前后移动，压紧螺杆7穿过滑槽连接到后侧立柱，对适配器进行固定。适配器上设有口含部8，用于在固定动物时使其咬住该口含部，口含部上方设有压鼻片9，所述压鼻片采用弧形设计，用于压住实验动物鼻梁。

底板一侧设有安装在侧立柱上的操作臂10，操作臂通过横向滑块11嵌入侧立柱的滑槽中，并可沿滑槽前后移动，横向滑块上带有经过暗处理的长度刻度。横向滑块11前端上方设有带有角度刻度的转盘12，可进行水平方向的旋转。转盘上方设有双耳支架13，枢轴14穿过双耳支架，枢轴一侧设有紧固旋钮15，转动部16位于双耳支架内并套设于枢轴上，并可在垂直方向转动，紧固旋钮用于对转动部进行紧固固定。在转动部上方，经过暗处理的带有长度刻度的纵向读数杆17、双头丝杠18、纵固定杆19和上下固定块20构成纵移框。同理，经过暗处理的带有长度刻度的横向读数杆、双头丝杠、横固定杆和左右固定块构成横移框。滑移块21包括纵向通孔和横向通孔，并通过纵向通孔套设于纵向读数杆、双头丝杠和纵固定杆上，通过横向通孔套设于横向读数杆、双头丝杠和横固定杆上。通过双头丝杠的作用实现纵向框架和横向框架的平稳移动和计数，横向框架右侧的右固定块22上设有夹持器23，所述夹持器为竖杆，也可以设置电极、针头、套管、探头、探针、颅钻、注射器等实验所需配件。

该结构采用耳杆进行左右移动固定后，固定实验动物头部，实验动物在进行挣扎时，可以咬住口含部，防止其咬伤实验人员，并可使动物保持情绪稳定，同时采用弧形设计的压鼻器压住动物鼻子，实现进一步稳定固定。操作臂通过横向滑块实现X方向自由移动，转盘和转动部实现水平和垂直方向的旋转，纵移框和横移框实现Z、Y方向的自由移动。可实现平台配套配件在三个方向的平移以及两个方向上的转动。

所述的底板集成有温控平台，如图2-3所示，温控平台由金属壳体、加热区域、隔热层、温控器、温度探头、外部电源(电源适配器或电池)组成。

外置温度探头由温控平台一侧引出，用于监测、反馈动物体温，可插入动物体内，具体为选用的是T型热电偶，可测量-200℃～+400℃范围内的温度，在+20℃～+50℃范围内校准后精度可到达±0.2℃。温控平台实验区域内置有加热区域，可对实验动物进行加热，为避免热量的流失，加热区域与金属壳体间有隔热材料隔离。加热区域可依据实验动物的大小，选择多种不同的尺寸进行更换。

温控平台上有显示按键可设置加热温度、和实时显示温度探头测量的温度；平台上留有安装空位，可安装定位仪。

温控平台留有供电插座，可插接外部电源适配器(输入100～240VAC，输出DC24V)或者电池供电，电池可以以插拔或其他一体连接方式与温控平台连接。

外部温度探头可以采用插座方式与平台连接，方便收纳和维修更换，也可采用与平台固定连接的方式。

当温控嵌入式动物实验多功能固定平台使用电池供电时，需要考虑对实验动物的保温的同时，尽可能降低电耗，维持长时间使用，因此采用一定的温控方法，通过实验动物的体型、实时体温、实验过程中温度的变化等参数，合理控制加热功率，在保证实验动物体温稳定的情况下降低能耗。

具体为：温控平台具有维持加热区域恒定温度的预设功率P₀，外置温度探头将监测到的动物实时体温反馈给温控器，当监控到动物体温开始下降时，根据采集到的温度和采集时间计算动物的体温下降速率，并根据现在的体温和动物的体重确定加热功率，采用如下方法控制加热功率：

式中，P为温控平台当前使用的加热功率；P₀为温控平台的预设功率；T为实验动物的当前体温，单位为℃；T₀为实验动物的正常体温，单位为℃；V为实验动物体温下降的速率，单位为℃/min；M为实验动物的体重，单位为Kg；C为系数，其获得可以根据以前动物实验的历史数据来确定，在这里可以取1.2～1.5。

主控系统的电路框图如图4所示，外部DC14～24V输入电源分别连接过温保护电路、5VDC-DC转换模块和12VDC-DC转换模块。12VDC-DC转换模块为加热区供电，加热垫由NTC温度传感器监控其温度，并将温度传送到温度采样电路，温度采样电路将温度信号发送到过温保护电路和MCU主控芯片。负责采集实验动物体温的T型热电偶温度探头将温度信号发送到第二温度采样电路，并传送到MCU主控芯片。

5VDC-DC转换模块分出多路，分别为两路温度采样电路、显示控制板和3.3V电源LDO模块供电。显示控制板与MCU主控芯片实现交互信号传递，3.3V电源LDO模块连接到MCU主控芯片和3.0ADC基准电源，3.0ADC基准电源连接MCU主控芯片。

5V电源DC-DC转换模块电路图如图5所示，将输入电源电压转换成5V给系统芯片供电，整个电路电流较小，不超过200mA，采用MP2359电源转换芯片进行电压转换，芯片可支持4.5V～24V电压输入，输出可设置在0.81V～15V，设计输入为14V～24V，输出为5V。由于输入电压为24V，考虑到电压可能的波动，增加了Z2、Z3稳压管降压。

由于MCU主控芯片如图6所示，设计3.3V电源LDO模块为其供电，采用LDO降压电路将5V转换为3.3V。

3.0VADC基准电源电路如图7所示，为提高温度采样精度需要高精度稳定的参考电源，因此设计采用3V ADC基准电源芯片REF3030。

12V电源DC-DC转换电路如图8所示，该电路主要给加热垫提供电源，由于加热垫需要控制加热温度，为提高控制精度，需要调节输出功率，设计采用LM22676MR-ADJ电源芯片，可通过主控芯片调节输出电压。U5为比较器，当温度升高时NTC_ADC电压增大，达到设定保护温度时U5可输出低电平，关闭LM22676MR芯片输出，使加热器断电；LM22676MR也可由MCU通过CH1_POWER_ON控制线控制关闭输出，同时MCU可控制MCU_CH1_DAC信号线输出电压调节加热垫的供电电压，从而调节加热垫温度，软件可通过控制该路信号进行PID温度控制，避免采用PWM开关输出电压方式，可减少电磁干扰。

T型热电偶温度采样电路如图9所示：图中最左侧的J3连接T型热电偶，L8、L9、L10为滤波电路，可减少电磁干扰，U7为带内部冷端补偿的精密仪表放大器，具备高阻抗差分输入、独立的5mV/℃温度计、基准引脚提供失调电压调整功能、热电偶断开检测。U8为OP07运算放大器，可对U7输出的信号进行二级放大，提高信号分辨率。可实现超低偏移：150μV最大。低输入偏置电流：1.8nA。低失调电压漂移：0.5μV/℃。运行超稳定，时间为2μV/month。

显示控制板电路图：如图10所示，图中U12为数码管驱动IC，J3为4位显示数码管，J1为连接器用于与主控板连接。

MCU主控芯片电路：如图11所示，采用32位ARM微控制器TM32F103VET6，构成为：存储器：512Kflash、64kSRAM；定时器：4个通用定时器，两个高级定时器，两个基本定时器；通讯方式：两个SPI，两个I2C，五个USART,一个USB，一个CAN通信，一个SDIO；GPIO:80个；ADC：12位ADC三路共有16个通道；DAC：12位DAC两路共有2个通道；CPU：72MHz；操作电压：2.0-3.6V；最大耗散功率：434mW；

设计选用100脚封装，是因为其具体外部ADC参考电源输入引脚，可通过外接基准源方式，调ADC采用精度。

采用本发明的平台进行动物实验时，将动物固定于实验平台上，温度传感器作为温度探头伸出，连接到大鼠、小鼠或其他动物的直肠(做多款分别适用于不同动物的不同粗细的温度探头，可插拔更换)，获得实时体温。另一只温度传感器置于底座内部，读取电热板温度，停供过温保护。底座内置锂电池，在无外置供电的情况下可续航一小时。

底座上置有四位数码显示管(数码管上端与底座处于同一平面上，无有突出)，可显示大鼠/小鼠实时体温。

数码管旁置有电源开关键，温度升高键与温度降低键。按下温度升高键或温度降低键系统进入期望温度设定模式，再次按下可上下调节期望温度；若在温度设定模式下一段时间无操作，系统则退出该模式，回到实时体温显示模式。

若大鼠/小鼠实时体温高于/低于期望温度±0.5℃，系统自动断开/开启加热系统；显示管旁有指示灯和警报灯，指示灯可显示加热器工作状态；若大鼠/小鼠实时体温高于/低于期望温度±0.8℃，警报灯闪烁。温控平台采用预设的方式以计算的功率进行加热。

底座内嵌电热板与电子电路，厚度与底座框架厚度一致。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，包括底板，所述底板上设有对称的左右立柱，左右耳杆嵌入左右立柱的凹槽之中，耳杆为方形结构，紧固螺栓穿过耳杆压板并连接左右立柱，通过紧固螺栓使耳杆压板与压杆实现面接触，并对耳杆锁紧固定；耳杆前端为尖锥状结构，最前端为球面；

弧形连接段上设有适配器，适配器插入后侧立柱的滑槽内，并可沿滑槽前后移动，压紧螺杆穿过滑槽连接到后侧立柱，对适配器进行固定；适配器上设有口含部，用于在固定动物时使其咬住该口含部，口含部上方设有压鼻片，所述压鼻片采用弧形设计，用于压住实验动物鼻梁；

底板一侧设有安装在侧立柱上的操作臂，操作臂通过横向滑块嵌入侧立柱的滑槽中，并可沿滑槽前后移动，横向滑块上带有经过暗处理的长度刻度；横向滑块前端上方设有带有角度刻度的转盘，可进行水平方向的旋转；转盘上方设有双耳支架，枢轴穿过双耳支架，枢轴一侧设有紧固旋钮，转动部位于双耳支架内并套设于枢轴上，并可在垂直方向转动，紧固旋钮用于对转动部进行紧固固定；在转动部上方，经过暗处理的带有长度刻度的纵向读数杆、双头丝杠、纵固定杆和上下固定块构成纵移框；经过暗处理的带有长度刻度的横向读数杆、双头丝杠、横固定杆和左右固定块构成横移框；滑移块包括纵向通孔和横向通孔，并通过纵向通孔套设于纵向读数杆、双头丝杠和纵固定杆上，通过横向通孔套设于横向读数杆、双头丝杠和横固定杆上；通过双头丝杠的作用实现纵向框架和横向框架的平稳移动和计数，横向框架右侧的右固定块上设有平台配套配件；

所述的底板内嵌有由电热板与电子电路组成的温控平台，温控平台由金属壳体、加热区域、隔热层、温控器、温度探头、外部电源(电源适配器或外置电池)组成；

外置温度探头由温控平台一侧引出，用于监测、反馈动物体温，可插入动物体内；温控平台实验区域内置有加热区域，加热区域内设有电热板，可对实验动物进行加热；温控平台上有显示按键可设置加热温度、和实时显示温度探头测量的温度；平台上留有安装空位，可安装定位仪。

2.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述温控平台留有供电插座，可插接外部电源适配器或者外置电池供电。

3.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述外部温度探头采用插座方式与平台连接，或直接与平台固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，加热区域与金属壳体间有隔热材料隔离。

5.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述加热区域可依据实验动物的大小，具有多种不同的尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述内嵌温控平台厚度与底座框架厚度一致。

7.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述温度探头包括不同粗细的多款，分别适用于不同体型的实验动物的实时体温获得。

8.根据权利要求1所述的一种温控嵌入式动物实验多功能固定平台，其特征在于，所述的平台配套配件包括但不限于通过夹持器所设置的电极、针头、套管、探头、探针、颅钻、注射器等。

9.根据权利要求1-8任所述的温控嵌入式动物实验多功能固定平台进行动物实验的方法，其特征在于，将动物固定于实验平台上，温度探头伸出，连接到动物直肠，温度传感器置于底座内部，读取电热板温度，提供过温保护；若动物实时体温高于/低于期望温度，系统自动断开/开启加热系统；显示管旁有指示灯和警报灯，指示灯可显示加热器工作状态；若实验动物实时体温高于/低于期望温度，警报灯闪烁，温控平台采用预设的方式进行加热。