CN113907984B - 一种低压低氧动物实验舱控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低压低氧动物实验舱控制系统，包括实验舱体以及调节系统和气体循环系统；气体循环系统用于向实验舱体内进入和抽出空气、氧气、氮气；调节系统用于接收实验舱内实时压力、氧含量信号，经计算比对后调节空气、氧气、氮气进入和抽出实验舱的速率来调节实验舱内模拟升海拔阶段、维持高海拔阶段及降海拔阶段舱内压力、氧含量的稳定。本发明有益效果：一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统在实验全过程能精细的控制压力和氧含量的变化；调节系统能调节控制实现舱内压力在101.3Kpa‑26.4Kpa之间变化，氧含量在20.95％‑5.44％之间变化，即能稳定模拟从海平面到10000米海拔高度的低压低氧环境。

Description

一种低压低氧动物实验舱控制系统

技术领域

本发明属于机械设备控制领域，尤其是涉及一种低压低氧动物实验舱控制系统。

背景技术

低压低氧动物实验舱是一种用于模拟高原低压缺氧环境，研究缺氧损伤动物模型和低压低氧相关疾病不可或缺的设备，实验舱最主要的功能是通过控制真空泵的运行抽取舱内气体降低舱内压力模拟高海拔的低压低氧环境，因此亟需一种可以在实验过程中对舱内模拟升海拔、维持高海拔、降海拔三个实验阶段的自动化调节的低压低氧动物实验舱控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种低压低氧动物实验舱控制系统，以解决上述问题中的不足之处。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种低压低氧动物实验舱控制系统，包括实验舱体以及调节系统和气体循环系统；

气体循环系统用于向实验舱体内进入和抽出空气、氧气、氮气；

调节系统用于接收实验舱内实时压力、氧含量信号，经计算比对后调节空气、氧气、氮气进入和抽出实验舱的速率来调节实验舱内模拟海拔变化阶段、维持高海拔阶段及降海拔阶段舱内压力、氧含量的稳定。

进一步的，实验舱处于不同阶段时，调节系统的调节方法如下：

处于升海拔阶段时，可根据舱内压力变化速率模型公式：

和压力-海拔换算公式

明确舱内压力变化速率p'和舱内模拟海拔高度变化速率h’，缓慢提升舱内模拟海拔高度至中等海拔高度，在该海拔高度下停留一段时间使实验动物适应，随后继续提升舱内模拟海拔高度至模拟海拔高度，可避免实验动物受肺减压伤的影响。

处于维持高海拔阶段时，调节系统控制实验舱内压力稳定的基础上，维持舱内一定的气体交换速率，同时根据舱内氧含量的变化实时调节补充氧气，维持氧含量的稳定；

处于降海拔阶段时，调节系统通过控制补充氮气替代空气以设定海拔变化速率进行缓慢降低海拔高度至中等海拔高度时休息一段时间后再缓慢降低舱内模拟海拔高度至实验舱所在地海拔，同时维持舱内氧含量与维持高海拔阶段的一致。

进一步的，调节系统接收各类传感器的输入信号，通过调节进气路上电磁阀开闭和电磁比例阀的开度，控制真空泵抽真空速率来决定舱内压力的和氧含量的变化。

进一步的，还包括舱内模拟海拔高度变化速率控制方法：

处于升海拔阶段时，假设当前海拔高度为h₁时，实验动物肺部体积为V₀，肺内气压为P_0(in)，肺外气压为P₀；当经过时间t升高到海拔高度h₂时，此时肺内体积为V₀+v'·t，肺组织内部气压为

肺组织外部气压为P_(out)＝P₀-p’·t，可得出肺组织内外气压差为ΔP＝P_(in)-P_(out)，此时根据肺组织所受应力

和肺组织所受应变

得出舱内压力变化速率

的大小和压力-海拔高度换算公式

确定舱内模拟海拔高度变化速率h’的大小，其中：

P_(out)：海拔高度为h₂时的肺外气压，单位Pa；

P_(in)：海拔高度为h₂时的肺内气压，单位Pa；

P₀：海拔高度为h₁时的肺外气压，单位Pa；

p'：舱内压力在时间t内的平均变化速率，单位pa/s；

t:时间,单位s；

R：摩尔气体常数，J·mol^-1·K^-1；

T：温度，K；

n：肺内的气体的物质的量，单位mol；

n'：肺内气体分子数量在时间t内的平均变化速率，单位mol·s^-1；

V₀：海拔高度为h₁时的肺体积，单位L；

v'：肺内体积在时间t内的平均变化速率，单位L·s^-1；

ΔP：肺内气压与肺外气压的差,单位Pa；

r：肺组织的半径,单位m；

b：肺泡壁的厚度,单位m；

肺组织所受应力,单位N·m^-3；

肺组织所受应变系数，无量纲；

∈：肺组织的杨氏模量，单位Pa。

进一步的，处于维持高海拔阶段时，调节系统实时调节补氧，调节系统接收舱内氧传感器反馈的当前舱内氧含量实测值并与预设氧含量值相比较，在预设氧含量值上下偏差的范围内反馈调节，即当舱内氧含量低于预设氧含量值时，调节系统控制氧气电磁阀开启，向舱内补充氧气，直至舱内氧含量上升至预设氧含量值，以此维持该阶段氧含量稳定。

进一步的，处于降海拔阶段，调节系统通过氮气补充量模型

和海拔高度及海拔降低至0所需时间，控制舱内氮气补充使舱内压力缓慢上升，即缓慢降低舱内模拟海拔高度，直至恢复压力至常压，使舱内氧含量水平在该阶段始终维持在预设氧含量值上下偏差的范围内。

进一步的，处于降海拔阶段时，通过补充氮气替代空气使压力上升直至常压，能保证动物血气和血生化检测维持在高海拔生物缺氧状态；

补充氮气遵循氮气补充量模型，根据理想气体状态方程；

PV＝nRT

其中，P表示压强，单位Pa；V表示容积，单位m³；n表示气体物质的量，单位mol；R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；T为温度，单位K；

当温度不变和低压低氧动物实验舱容积固定的情况下，从模拟海拔高度为h米的低压低氧通过补充氮气升高到模拟海拔高度为0米时的大气压，则舱内需要补充氮气的物质的量为：

对舱内压力变化和和物质的量变化进行微分运算，可有

和

组合公式可得氮气补充量模型为

其中，δ_n表示需要补充氮气的总的物质的量，单位mol；n₀表示模拟海拔高度为0米时舱内气体的物质的量，单位mol；n_h表示模拟海拔高度为h米时舱内气体的物质的量，单位mol；V表示低压低氧动物实验舱的容积，单位m³；R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；T为温度，单位K；

表示舱内气体物质的量的补充速率的微分计算；τ表示补充气体降低模拟海拔至0米所需时间；

表示舱内压力变化速率的微分计算；P₀表示海拔为海平面的气压，单位Pa；P_h表示海拔为h米的气压。

相对于现有技术，本发明所述的一种低压低氧动物实验舱控制系统具有以下有益效果：

1、本发明所述的一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统在实验全过程能精细的测量压力和氧含量的变化；

2、本发明所述的一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统能调节控制实现舱内压力在101.3Kpa-26.4Kpa之间变化，氧含量在20.95％-5.44％之间变化，即能稳定模拟从海平面到10000米海拔高度的低压低氧环境，同时可控制舱内海拔变化速率在0-10米/秒。

3、本发明所述的一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统修正了现有技术中存在的因实验全过程升海拔变化速率大，提出制备低压低氧肺损伤实验动物模型时的理想海拔变化速率为0.45米/秒，以避免压力急剧变化引发的实验动物肺泡剪切伤的问题，消除缺氧模型混杂因素。

4、本发明所述的一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统在维持高海拔阶段舱内压力的维持稳定的情况下通过实时调节补氧系统，补充实验动物消耗的氧含量，维持舱内氧含量始终保持在预设氧含量值上下偏差5％的范围内，避免实验动物因处于过度低氧环境中引起非必要的死亡。

5、验证本发明所述的一种低压低氧动物实验舱的实验不同海拔高度调节系统在降海拔阶段，以氮气替代传统的补充空气，有效地维持了实验舱内的原有高海拔实验阶段氧含量，即维持氧含量始终在预设氧含量值上下偏差5％的范围内，使得常压开舱时，即可获取与原设定模拟海拔高度环境下血氧含量一致的动物血液标本，彻底解决原实验舱了经一段时间降海拔至常压常氧时，开舱获取实验动物血标本检测结果严重失真问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中低压低氧动物实验舱系统组成示意图；

图2为本发明中低压低氧动物实验舱系统的气体循环系统示意图；

图3为本发明中压低氧动物模型舱舱内模拟海拔变化的三阶段控制示意图；

图4为设置0.45m/s海拔变化速率的实测值变化曲线；

图5为压力变化曲线图；

图6为海拔高度变化曲线图；

图7为氧含量变化曲线图；

图8为胸部CT扫描评估肺减压伤结果；

图9为血氧分压结果图；

图10为肺组织HE病理染色分析；

图11为舱内压力变化速率模型；

图12为维持高海拔阶段设置补氧和不补氧观察小鼠存活情况。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本方案的低压低氧动物实验舱系统组成示意图，在图1中的低压低氧动物实验舱中，包括压力传感器1、氧传感器2、氮气传感器3、温度传感器4、湿度传感器5；

图3为低氧动物模型舱舱内模拟海拔变化的三阶段控制示意图。A-B段：升海拔阶段，以控制速率为核心；B-C段：维持高海拔阶段，以维持压力稳定和补氧维持氧含量稳定为核心；C-D段，降海拔阶段，以补充氮气控制氧含量稳定为核心；

图4为设置0.45m/s海拔变化速率的实测值变化曲线，实测舱内模拟海拔变化速率在0.42-0.48m/s之间波动，其平均海拔变化速率为(0.45±0.01)m/s。注：控制舱内模拟海拔高度变化速率为0.45m/s可避免实验中实验小鼠肺组织受到减压伤的影响；

图5为压力变化曲线图，每天于10：00和22：00固定时间点记录舱内压力值，连续监测30天，显示舱内压力值控制在26.40-26.48kPa范围内波动，其平均压力值稳定在(26.43±0.02)KPa；

图6为海拔高度变化曲线图，每天于10：00和22：00固定时间点记录舱内海拔高度值，连续监测30天，显示舱内模拟海拔高度稳定在9990m～10010m之间，其平均海拔高度值为(10001±6.52)m；

图7为氧含量变化曲线图，每天于10：00和22：00固定时间点记录舱内氧含量值，连续监测30天，显示舱内模拟10000米海拔高度的氧含量控制在5.53％～5.55％之间，其平均氧含量值为(5.538±0.07)％；

图8为胸部CT扫描评估肺减压伤结果，图中A、B、C分别为NC组、LS组及HS组；其中HS组实验小鼠右侧肺组织边缘(图8中C中白色箭头所指)可见明显减压伤导致的融合扩大的肺大泡透亮区，而LS组实验小鼠与NC组小鼠肺组织视野均匀，肺纹理清晰，未发现有肺组织减压伤的表现；

图9为血氧分压结果图，NC组、LS组、HS组的血氧分压分别为97.22±1.522mmHg、45.43±2.22mmHg、76.53±6.96mmHg，组间差异具有显著性(P＜0.0001)。数据用平均±标准差表示，每组样本数n＝6，和NC组比较，****p＜0.0001；和LS组比较，####P＜0.0001；

图10为肺组织HE病理染色分析，A.空白组，实验小鼠置于常压常氧下饲养144小时；B.肺损伤组，实验小鼠置于本发明的低压低氧实验动物舱内，设置海拔变化速率为0.45m/s，模拟8500米低压低氧环境制备肺损伤小鼠模型，可见肺泡塌陷、肺泡间隔水肿增厚、红细胞渗出、炎细胞浸润的肺损伤表现，每组样本数n＝6。

图12为维持高海拔阶段设置补氧和不补氧观察小鼠存活情况。对照组(不补氧)和实验组(补氧)的小鼠存活率分别为56.67±7.06％和72.17±7.73％；组间差异具有显著性(P＜0.01)。所有数据用平均值±标准差表示，每组样本数n＝6。**P＜0.01，与对照组比较。

实施例1、建立一种用于低压低氧动物实验舱的调节系统并对其控制性能进行验证，具体方案如下：

一、硬件系统的建立

低压低氧动物实验舱系统组成如图1所示，主要分为实验舱体、气体循环系统、调节系统三部分。

所述实验舱体呈圆筒形，采用高强度有机玻璃材料两端金属封盖组成，其中一端金属封头为负压门；内部容量为400升，可承受-90KPa的低气压；舱内置有压力传感器、氧传感器、氮气传感器、温度传感器、湿度传感器，可向调节系统实时反馈舱内压力值、氧含量值、氮气含量值。

所述气体循环系统由气源(氧气源、氮气源、空气源)、电磁阀(氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀)、混合气体罐、电磁比例阀、实验舱体、真空泵组成；氧气源、氮气源、空气源作为实验舱内气体循环的三路气体，经进气管路依次连接电磁阀(氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀)、混合气体罐、电磁比例阀、实验舱体，然后经出气管路连接真空泵，在真空泵的作用下实现舱内低气压低氧的气体循环，其连接组成如图2所示。

所述调节系统由压力传感器、氧传感器、氮气传感器、温度传感器、湿度传感器作为信号输入端，由电磁阀(氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀)、电磁比例阀、真空泵作为信号输出受控端；以中央控制器作为核心，通过接收舱内压力值、氧含量值、氮气含量值，经计算后输出信号控制电磁阀、真空泵的开闭，控制电磁比例阀开度大小来调节舱内压力和氧含量的变化。

二、舱内实验三阶段的控制方法

所述调节系统对舱内压力、氧含量的变化控制具体可分为三个阶段：舱内压力下降的升海拔阶段、舱内压力维持稳定的维持高海拔阶段、舱内压力上升的降海拔阶段，如图3所示，具体对舱内压力及氧含量的变化控制如下：

(1)舱内压力下降的升海拔阶段(图3中A-B段)。在该阶段，以控制舱内升海拔压力变化的速率为核心。中央控制器以避免实验动物肺组织产生减压伤为目的，调节电磁比例阀的开度和时长控制舱内压力的变化速率，以不大于舱内压力变化速率模型中的舱内压力变化速率p'进行降压，即控制舱内模拟海拔高度变化速率为h'，才能避免肺组织受减压伤的影响。

所述舱内压力下降的升高海拔阶段中的舱内压力变化速率p'的大小根据舱内压力变化速率模型确定。

同时如图11所示，本方案提出舱内压力变化速率模型：

将实验动物放进低压低氧实验模型舱中，将肺组织看成是一个球体，则肺内外气压变化模型如图11所示。假设当前海拔高度为h₁时，此时实验动物肺部体积为V₀，肺内气压为P_0(in)，肺外气压为P₀；当经过时间t后，升高到海拔高度h₂时，此时肺内体积为V₀+v'·t，肺内气压为P_(in)，肺外气压为P₀-p′·t，则可根据肺组织所受应变

明确舱内压力变化速率p′的范围。

经过时间t后，在海拔高度为h₂时，则有：

①肺外气压：P_(out)＝P₀-p′·t

②肺内气压：

③肺内、外气压差：ΔP＝P_(in)-P_(out)

④肺组织所受应力：Stress：

⑤肺组织所受应变：Strain：

其中：

P_(out)：海拔高度为h₂时的肺外气压，单位pa；

P_(in)：海拔高度为h₂时的肺内气压，单位pa；

P₀：海拔高度为h₁时的肺外气压，单位pa；

p′：舱内压力在时间t内的平均变化速率，单位pa/s；

t:时间,单位s；

R：摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1

T：温度，K

n：肺内的气体的物质的量，单位mol；

n′：肺内气体分子数量在时间t内的平均变化速度，单位mol·s^-1；

V₀：海拔高度为h₁时的肺体积，单位m³；

v′：肺内体积在时间t内的平均变化速度，单位m³/s；

ΔP：肺内气压与肺外气压的差,单位pa；

r：肺组织的半径,单位m；

b：肺泡壁的厚度,单位m；

肺组织所受应力,单位N·m^-3；

肺组织所受应变；

∈：肺组织的杨氏模量，单位Pa；

根据上述公式整理得出：

由此可得出

在式中：

R：摩尔气体常数，取值为8.31J·mol^-1·K^-1；

T：开尔文温度，单位K；故设定舱内使用温度为22℃时，T＝295.15K；

V₀+v’·t：表示肺组织最大体积，单位为m³；设定海拔高度h₁为0时，V₀表示正常实验小鼠肺内体积，约为0.35～0.52ml，故V₀＝(0.35～0.52)*10^-6m³；v’·t表示在时间单位时间t＝1s的时间内肺内体积能增加的最大的量，当实验小鼠深呼吸时，肺内最大容积约为0.87ml；故V₀+v’·t的值最大为0.87*10^-6m³；

n+n’·t：表示肺内气体的物质的量，单位为mol；设定在正常呼吸时突然升高海拔，无肺外气体的进入时，肺内气体压力降低，体积增大，气体的物质的量可根据肺组织最大体积量(0.87*10^-6m³)和气体摩尔体积(22.4L/mol)进行换算，故n+n’·t取值为约为3.88*10^-5mol；

t：对时间t进行赋值为t＝1s；

P₀：对P₀为海拔高度为h₁时的肺外气压，单位为pa；设定海拔高度h₁为0m时，则P₀取值为101325pa；

r：表示肺组织的半径,单位m；由于实验小鼠肺组织最大体积量为0.87*10^-6m³，故可计算肺组织的最大半径约为0.59*10^-2m；

b：表示肺泡壁的厚度,单位m；查询文献可知约为12μm，即12*10^-6m；

表示肺组织所受应变；正常实验小鼠肺内体积约为0.35～0.52ml，深呼吸时达到最大体积0.87ml，故取值上限为(0.87-0.35)/0.35＝1.48，取值下限为(0.87-0.52)/0.52＝0.67，故

取值范围为0.67～1.48；

∈：表示肺组织的杨氏模量，取值为1339730pa；

经过上述参数的取值可得出舱内压力变化速率p’，计算得出舱内压力变化速率p’取值范围为-4408.28～6.00Pa/s，考虑到p’应该为一个正值，故舍去负值范围，舱内压力变化速率p’最终取值范围为0～6.00Pa/s。

最后通过压力-海拔高度换算公式

设定初始海拔高度h₁，肺内气压为P₁，经单位时间t提升海拔高度至h₂，肺内气压为P₂，则有：

①舱内压力变化速率

②

③

④海拔变化速率

现设定初始海拔高度h₁为0米时，肺内压力P₁＝101325Pa，在时间t＝1秒时升高至海拔高度h₂，由于p′取值6.00Pa/s时可计算出海拔高度h₂＝0.5m，故舱内模拟海拔高度变化速率h′的取值范围为0～0.5m/s，在此范围内进行制备低压低氧肺损伤实验动物模型可避免肺组织受减压伤的影响。

在舱内压力下降的升海拔阶段的控制方法为：开启实验舱门将实验动物放入舱内，关闭舱门，经按键电路预设压力值、氧含量值、压力允许波动范围(预设压力值上下偏差5％的范围)、氧含量允许波动范围(预设氧含量值上下偏差5％的范围)；中央控制器接收压力传感器反馈当前舱内压力值信号，并将其与预设压力值和压力允许波动范围信号比对，当舱内压力值高于1.05％预设压力值，中央控制器控制电磁比例阀处于关闭状态，控制真空泵持续开启，抽取舱内气体，控制舱内降压速率以不大于p′的的速率进行，即控制舱内最大允许舱内模拟海拔高度变化速率不大于h’，直至降至预设压力-海拔值。

(2)舱内压力维持稳定的维持高海拔阶段(图3中B-C段)。在该阶段，以平衡舱内压力为基础，维持氧含量的稳态为核心。舱内实验动物因长时间在预设压力-海拔的低压低氧环境下时，会因呼吸加深加快消耗更多的氧气，导致舱内实际氧含量低于预设氧含量，若不加以干预，可导致实验动物处于过度低氧的环境。为维持该阶段舱内氧含量的有效稳定，通过中央控制器控制进气管路上电磁比例阀的开度大小及时间来控制舱内压力的持续稳定的情况下，通过补充氧气，维持实验舱内氧含量的稳定。

在舱内压力维持稳定的维持高海拔阶段的控制方法为：当舱内压力-海拔变化至预设压力-海拔值时，中央控制器控制空气电磁阀开启，调节电磁比例阀的开度大小使空气的进气速率和真空泵的抽气速率一致，维持舱内压力-海拔的稳定；若出现进气速率和抽气速率不一致时，中央控制器则根据舱内实时压力值是否超出压力允许波动范围的上限值或下限值进行调节电磁比例阀开度缩小或增大，以此稳定舱内压力在预设压力值范围内。在舱内压力-海拔稳定的情况下，当舱内氧含量因实验动物呼吸降低至氧含量允许波动范围的下限值(95％预设氧含量值)时，中央控制器根据氧传感器反馈当前氧含量值信号，输出信号开启氧气电磁阀，向舱内实时补充氧气，直至上升至预设氧含量值。此阶段补充实验动物氧代谢消耗量，维持高海拔阶段舱内环境的氧含量的稳定。

(3)舱内压力上升的降海拔阶段(图3中C-D段)。在该阶段，以补充氮气控制氧含量的稳定为核心。通过补充氮气替代空气使压力上升直至常压，能保证动物血气和血生化检测维持在高海拔生物缺氧状态，可有效避免补充空气导致的舱内氧含量升高，继而实验动物血气张力的随之变化，确保实验结束开舱获取实验生物样本的可靠性。

所述补充氮气遵循氮气补充量模型。根据理想气体状态方程PV＝nRT(P表示压强，单位Pa；V表示容积，单位m³；n表示气体物质的量，单位mol；R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；T为温度，单位K)，当温度不变和低压低氧动物实验舱容积固定的情况下，从模拟海拔高度为h米的低压低氧通过补充氮气升高到模拟海拔高度为0米时的大气压，则舱内需要补充氮气的物质的量为

对舱内压力变化和和物质的量变化进行微分运算，可有

和

组合公式可得氮气补充量模型为

其中：δ_n表示需要补充氮气的总的物质的量，单位mol；n₀表示模拟海拔高度为0米时舱内气体的物质的量，单位mol；n_h表示模拟海拔高度为h米时舱内气体的物质的量，单位mol；V表示低压低氧动物实验舱的容积，单位m³；R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；T为温度，单位K；

表示舱内气体物质的量的补充速率的微分计算；τ表示补充气体降低模拟海拔至0米所需时间；

表示舱内压力变化速率的微分计算；P₀表示海拔为海平面的气压，单位Pa；P_h表示海拔为h米的气压。

在舱内压力上升的降海拔阶段的控制方法为：中央控制器控制空气电磁阀、真空泵关闭，控制氮气电磁阀、电磁比例阀处于开启状态，通过氮气补充量模型

和海拔高度及海拔降低至0米所需时间，控制舱内氮气补充使舱内压力缓慢上升，即缓慢降低舱内模拟海拔高度，直至恢复至常压状态，保证该阶段舱内压力变化时保持舱内氧含量仍稳定在维持高海拔阶段的预设氧含量值上下偏差5％的范围内。

三、实验验证舱的性能

⑴设置舱内模拟海拔高度变化速率为0.45米/秒的测试验证。根据上述模型设置低压低氧实验舱舱内模拟海拔高度变化速率为0.45米/秒，测试调节系统控制舱内压力下降，模拟升高海拔至10000米过程中的海拔变化速率。设置海拔变化速率为0.45米/秒，每间隔10分钟记录一次海拔变化速率，如图4所示，海拔变化速率控制在0.42-0.48m/s之间波动，其平均海拔变化速率为(0.45±0.01)m/s；以上实测数据均显示当设置海拔变化速率为0.45米/秒，调节系统控制舱内海拔变化速率均稳定在±0.1m/s范围内，海拔变化速率控制高度稳定。

⑵30天持续监测舱内压力、海拔高度及氧含量的稳定性。设置舱内压力为26.4Kpa，氧含量为5.44％，模拟海拔高度为10000米的低压低氧环境，连续运行30天；每天10：00和22：00固定时间点记录舱内压力值、氧含量值及海拔高度值，测试调节系统控制舱内压力、海拔高度及氧含量的稳定性。结果显示，使用本发明的低压低氧动物实验舱在30天的运行期间，舱内压力稳定在(26.43±0.02)Kpa(图5)；舱内模拟海拔高度稳定在9990m～10010m，其平均海拔高度为(10001±6.52)米(图6)；维持氧含量在5.53％～5.55％，其平均氧含量为(5.53±0.07)％(图7)，以上实测参数满足设定要求，其内环境参数高度稳定。

低压低氧动物实验舱在调节系统的作用下能稳定模拟0～10000米海拔高度，压力在26.4～101.3Kpa之间变化，氧含量在20.95％～5.44％之间变化的低压低氧环境；可控制速率在0.45m/s的海拔变化速率稳定运行。

实施例2、使用低压低氧动物实验舱的探索补充氧气和补充氮气对实验小鼠血生化及海拔变化速率对肺组织减压伤的影响，举出如下实例：

准备18只6-8周大小的雄性Balb/c实验小鼠，随机分为正常对照组(NC)、低速度组(LS)及高速组(HS)，每组各6只；将NC组置于常压常氧下饲养；将LS组置于本发明所述的低压低氧舱内，对LS组设置海拔变化速率为0.45米/秒，预设压力值33.1Kpa，相当于8500米海拔高度低气压环境，压力允许波动范围为33.10±1.65Kpa，设置氧含量值为6.91％，氧含量允许波动范围为6.91±0.34％；将HS组置于普通低压低氧动物实验舱(即以升海拔速率为10米/秒，维持高海拔阶段缺乏补充氧气、降低海拔阶段缺乏补充氮气替代空气的普通低压低氧动物实验舱)内，预设压力值33.1Kpa，相当于8500米海拔高度低气压环境，压力允许波动范围为33.10±1.65Kpa，设置氧含量值为6.91％，氧含量允许波动范围为6.91±0.34％；在舱内均持续饲养24小时。

(1)在舱内压力下降的升海拔阶段。放入实验动物，关闭舱门，通过按键电路设置目标压力值为33.1Kpa(相当于8500米海拔高度低气压环境)，压力允许波动范围为33.10±1.65Kpa；设置氧含量值为6.91％，氧含量允许波动范围为6.91±0.34％；中央控制器接收按键电路的预设参数信息，同时将舱内压力传感器和氧传感器反馈的舱内压力值与预设压力值和压力允许变化范围比较，当舱内压力值大于预设压力允许波动范围的上限值34.75Kpa时，控制电磁比例阀关闭，控制真空泵持续开启，抽气使舱内压力下降，控制舱内许舱内模拟海拔高度变化速率0.45m/s，缓慢升高舱内模拟海拔高度，直至变化至模拟8500米海拔高度的气压33.1Kpa。

(2)在舱内压力维持稳定的维持高海拔阶段。当舱内压力-海拔变化至模拟8500米海拔高度的气压33.1Kpa时，中央控制器控制空气电磁阀和真空泵的持续开启，控制电磁比例阀的开度大小使进入空气的速率与真空泵的抽气速率一致，维持压力在模拟8500米海拔高度的气压33.10±1.65Kpa的范围内；在舱内压力稳定的情况下，当舱内氧含量值因实验动物呼吸降低至氧含量允许波动范围的下限值6.56％时，此时中央控制器输出信号控制空气电磁阀关闭，控制氧气电磁阀开启，向舱内输送氧气，直至氧含量上升至6.91％。

(3)在舱内压力上升的降海拔阶段。中央控制器控制空气电磁阀、真空泵关闭，控制氮气电磁阀、电磁比例阀处于开启状态，通过氮气补充量模型

和海拔高度8500米及降低至海拔为0所需时间，控制舱内氮气的补充使舱内压力缓慢上升，即缓慢降低舱内模拟海拔高度，直至恢复至常压状态，保证该阶段舱内压力变化时，舱内氧含量始终维持在6.91±0.34％之间。

实验结束后，立即打开舱门获取小鼠动脉血，随后对实验小鼠进行小动物胸部CT检查及动脉血气分析检查血氧分压。

胸部CT扫描评估肺减压伤结果。如图8所示，其中使用普通低压低氧动物实验舱(即升海拔速率为10米/秒，维持高海拔阶段缺乏补充氧气、降低海拔阶段缺乏补充氮气替代空气的普通低压低氧动物实验舱)模拟海拔变化速度为10米/秒的HS组实验小鼠右侧肺组织边缘(图8中C中白色箭头)可见明显减压伤导致的融合扩大的肺大泡透亮区，而使用本发明的低压低氧动物实验舱模拟海拔变化速度为0.45米/秒的LS组实验小鼠肺野均匀，肺纹理清晰，与NC组小鼠肺组织扫描结果一致，未发现有肺组织减压伤的表现；以上结果说明通过调节系统控制舱内模拟海拔速率为0.45米/秒可避免肺组织受减压伤的影响。

血氧分压检测结果。对实验小鼠动脉血进行血氧分压检测，结果统计分析作图如图9所示，与NC组(97.22±1.52)mmHg相比，低压低氧显著降低了LS组(45.43±2.22mmHg)、HS组(76.53±6.96mmHg)的血氧分压，且差异具有显著性(P＜0.0001)；LS组和HS组相比，通过控制降海拔阶段补充氮气替代空气可显著维持小鼠体内的血氧分压保持在维持高海拔阶段的参数值，且差异具有显著性(P＜0.0001)。

以上实验结果表明，本发明的低压低氧动物实验舱调节系统控制舱内模拟海拔变化速率在0.45米/秒可避免实验小鼠肺组织受到减压伤的影响；同时通过降海拔阶段补充氮气替代空气，可显著控制开舱后留取动脉血进行血生化检测结果的真实性，避免了血气结果的偏差。

实施例3、使用低压低氧动物实验舱饲养小鼠观察小鼠存活情况，具体方案如下：

准备30只6-8周大小的雄性Balb/c实验小鼠，随机分为实验组(补氧)和对照组(不补氧)，每组各15只；将实验组(补氧)和对照组(不补氧)分别置于本发明所述的低压低氧舱内，通过按键电路设置海拔变化速率为0.45米/秒，预设压力值33.1Kpa，相当于8500米海拔高度低气压环境，压力允许波动范围为33.10±1.65Kpa，设置氧含量值为6.91％，氧含量允许波动范围为6.91±0.34％；其中实验组设置在维持高海拔阶段时设置实时补充实验小鼠消耗的氧含量，而对照组在维持高海拔阶段任由氧含量随动物呼吸的改变，在舱内均持续饲养144小时观察实验小鼠的存活情况。

根据实验动物具有昼伏夜出的习性设置每日周期循环，即实验期间每日18：00～00：00时间段为实验动物活动和进食的时间，中央控制器在每日18：00控制实验舱进气速率大于出气速率，以0.45米/秒的速率将模拟海拔高度从8500米降低至4500米；随后持续稳定维持模拟4500米海拔，稳定压力在57.73±2.88KPa之间变化，稳定氧含量在12.09％±0.60％的低压低氧环境持续至00：00时，随后在中央控制器的控制下以0.45米/秒的速率缓慢提升舱内模拟海拔至8500米并稳定舱内压力33.10±1.65KPa，稳定氧含量在6.91±0.34％的低压低氧环境持续运行至次日03：45完成一个周期循环，以此循环直至实验结束。

具体实验过程为：

①实验前升高海拔预适应：在实验前一天的21：30之前将实验小鼠放入低压低氧动物实验舱内，关上舱门，接通电源，中央控制器控制空气电磁阀、电磁比例阀、真空泵开启，控制舱内以常压常氧环境使小鼠提前适应，至实验前一日的21：30时，中央控制器控制舱内开始以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高海拔，至实验首日的00：17时将海拔升高至4500米；此时短暂休息1小时使实验小鼠缓慢适应；01：17再次以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高海拔，于03：45时升高到海拔8500米；

②实验期间：从实验首日的03：45开始，中央控制器控制舱内模拟海拔高度维持在8500米直至18：00，然后以0.45米/秒的速度降低至4500米海拔，使小鼠进食进水直至00：00时，最后中央控制器控制舱内模拟海拔高度以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高至8500米直至次日03：45完成一个每日周期循环，以此循环，直至实验第七日的03：45时，完成144小时的模拟海拔8500米的低压低氧实验；在此期间记录小鼠的存活情况。

③实验后降低海拔：从03：45时开始，中央控制器控制舱内补充氮气替代空气升高舱内压力并维持舱内氧含量6.91±0.34％，同时以0.45米/秒的速度缓慢降低模拟海拔高度，于06：13降至4500米海拔时休息1小时，随后于07：13继续以0.45米/秒的速度缓慢降低模拟海拔高度，至10：00时舱内模拟海拔降低至实验舱所在地海拔高度，开舱取出实验动物。

以上实验重复进行6次，每次实验过程中记录实验小鼠的存活情况，并计算小鼠存活率。

结果分析：在整个实验期间，分别各记录6次对照组和实验组在实验过程中的存活率，对其进行统计分析，发现对照组(不补氧)的小鼠存活率56.67±7.06％明显低于实验组(补氧)小鼠存活率72.17±7.73％，且差异具有显著性(P＜0.01)。可见通过在维持高海拔期间设置实时补氧可补充实验小鼠消耗的氧含量以提高实验小鼠的存活率。

实施例4、使用低压低氧动物实验舱建立急性高原低压低氧肺损伤动物模型，具体方案如下：

实验设计：准备12只6-8周大小的雄性Balb/c实验小鼠，随机分为正常对照组和肺损伤组，每组各6只；将正常对照组置于常压常氧下饲养；将肺损伤组置于本发明所述的低压低氧舱内，通过按键电路设置海拔变化速率为0.45米/秒，预设压力值33.1Kpa，相当于8500米海拔高度低气压环境，压力允许波动范围为33.10±1.65Kpa，设置氧含量值为6.91％，氧含量允许波动范围为6.91±0.34％；在舱内均持续饲养144小时；

根据实验动物具有昼伏夜出的习性设置每日周期循环，即实验期间每日18：00～00：00时间段为实验动物活动和进食的时间，中央控制器在每日18：00控制实验舱进气速率大于出气速率，以0.45米/秒的速率将模拟海拔高度从8500米降低至4500米；随后持续稳定维持模拟4500米海拔，稳定压力在57.73±2.88KPa之间变化，稳定氧含量在12.09％±0.60％的低压低氧环境持续至00：00时，随后在中央控制器的控制下以0.45米/秒的速率缓慢提升舱内模拟海拔至8500米并稳定舱内压力33.10±1.65KPa，稳定氧含量在6.91±0.34％的低压低氧环境持续运行至次日03：45完成一个周期循环，以此循环直至实验结束。

具体实验过程为：

①实验前升高海拔预适应：在实验前一天的21：30之前将实验小鼠放入低压低氧动物实验舱内，关上舱门，接通电源，中央控制器控制空气电磁阀、电磁比例阀、真空泵开启，控制舱内以常压常氧环境使小鼠提前适应，至实验前一日的21：30时，中央控制器控制舱内开始以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高海拔，至实验首日的00：17时将海拔升高至4500米；此时短暂休息1小时使实验小鼠缓慢适应；01：17再次以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高海拔，于03：45时升高到海拔8500米；

②维持高海拔实验期间：从实验首日的03：45开始，中央控制器控制舱内模拟海拔高度维持在8500米直至18：00，然后以0.45米/秒的速度降低至4500米海拔，使小鼠进食进水直至00：00时，最后中央控制器控制舱内模拟海拔高度以0.45米/秒的海拔升高速率缓慢升高至8500米直至次日03：45完成一个每日周期循环，以此循环，直至实验第七日的03：45时，完成144小时的模拟海拔8500米的低压低氧实验。

③实验后降低海拔：从03：45时开始，中央控制器控制舱内补充氮气替代空气升高舱内压力并维持舱内氧含量6.91±0.34％，同时以0.45米/秒的速度缓慢降低模拟海拔高度，于06：13降至4500米海拔时休息1小时，随后于07：13继续以0.45米/秒的速度缓慢降低模拟海拔高度，至10：00时舱内模拟海拔降低至实验舱所在地海拔高度，开舱取出实验动物。

取出实验小鼠进行麻醉后解剖留取肺组织进行病理切片，然后进行肺组织病理HE染色分析，具体步骤如下：

(1)肺组织病理切片的制备：

a.解剖留取实验小鼠肺叶用4％多聚甲醛固定24小时后，取出组织放入包埋盒，做好标记；

b.梯度乙醇脱水：70％酒精(30min)→80％酒精(30min)→90％酒精(30min)→90％酒精(30min)→100％酒精(30min)→100％酒精(30min)；

c.石蜡包埋：包埋盒浸入软蜡中60℃恒温箱中过夜，组织常规石蜡包埋；

d.蜡块连续切片，切片厚度为5um；

(2)HE染色：

a.烤片：将肺组织病理切片置于60℃恒温箱中烘烤2小时；

b.水化：将切片依次放入二甲苯Ⅰ(10min)→二甲苯II(10min)→100％酒精Ⅰ(5min)→100％酒精II(5min)→90％酒精(3min)→80％酒精(3min)→70％酒精(3min)→60％酒精(3min)→蒸馏水(3min)；

c.染色：苏木素染色10min→蒸馏水冲洗1min→1％盐酸乙醇分化10秒→蒸馏水冲洗1min→0.2％的氨水30秒→水洗1min→伊红染色5min→水洗1min；

d.脱水：60％酒精(3min)→70％酒精(3min)→80％酒精(3min)→90％酒精(3min)→100％酒精Ⅰ(5min)→100％酒精II(5min)；

e.封片观察，结果如图10所示，可见肺损伤组小鼠(图10中B)肺组织中肺泡塌陷，肺泡间隔水肿增厚，红细胞渗出，炎细胞浸润，而正常对照组小鼠(图10中A)未见明显上述改变，提示肺损伤组小鼠肺组织发生了严重的肺损伤，肺泡壁的通透性明显增加，说明在模拟8500米海拔的低压低氧环境下饲养144小时，可模拟出急性高原低压低氧肺损伤小鼠模型。

备注：实验舱内压力降低模拟升高海拔，若舱内压力降低速率过快，可导致实验舱内的实验小鼠肺组织中的气体急速膨胀致使肺泡壁破裂后融合扩大造成肺减压伤，在HE染色中表现为融合扩大的肺泡；而本实施例中通过控制模拟升海拔阶段的海拔变化速率为0.45m/s，可避免实验动物肺组织产生肺减压伤，呈现为因长时间低压低氧造成肺组织肺泡塌陷、肺泡间隔水肿增厚、炎细胞浸润、红细胞渗出等表现。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低压低氧动物实验舱控制系统，其特征在于，包括实验舱体以及调节系统和气体循环系统；

气体循环系统向实验舱体内进入和抽出空气、氧气、氮气，包括氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀，氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀一端分别连接有氧气源、氮气源和空气源，另一端连接混合气体罐，再通过电磁比例阀为实验舱体供气；气体循环系统还包括真空泵和转换舱，真空泵经转换舱连接实验舱体的出气口；

调节系统由压力传感器、氧传感器、氮气传感器、温度传感器、湿度传感器作为信号输入端，由氧气电磁阀、氮气电磁阀、空气电磁阀、电磁比例阀、真空泵作为信号输出受控端；以中央控制器作为核心，通过接收舱内压力值、氧含量值、氮气含量值，经计算后输出信号控制电磁阀、真空泵的开闭，控制电磁比例阀开度大小来调节舱内压力和氧含量的变化；

实验舱处于不同阶段时，调节系统的调节方法如下：

处于升海拔阶段时，调节系统根据肺组织内外压力速率变化模型和压力-海拔换算控制舱内压力变化速率和模拟舱内模拟海拔高度变化速率，缓慢提升舱内模拟海拔高度至中等海拔高度，在该海拔高度下停留一段时间使实验动物适应，随后继续提升舱内海拔高度至模拟高海拔，可避免实验动物受肺减压伤的影响；

处于维持高海拔阶段时，调节系统控制实验舱内压力稳定的基础上，维持舱内一定的气体交换速率，同时根据舱内氧含量的变化实时调节补充氧气，维持氧含量的稳定；

处于降海拔阶段时，调节系统通过控制补充氮气替代空气以设定海拔变化速率进行缓慢降低海拔高度至中等海拔高度时休息一段时间后再缓慢降低舱内模拟海拔高度至实验舱所在地海拔，同时维持舱内氧含量与维持高海拔阶段的一致；

还包括模拟舱内模拟海拔高度变化速率控制方法：

处于升海拔阶段时，调节系统根据肺组织内外压力速率变化模型控制舱内压力变化速率

结合压力-海拔换算公式

可确定以避免实验动物受肺减压伤影响时的舱内模拟海拔变化速率h’的取值范围,h′＜0.5m/s；

P₀：海拔高度为h₁时的肺外气压，单位pa；

p’：舱内压力在时间t内的平均变化速率，单位pa/s；

t:时间,单位s；

R：摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；

T：温度，K；

n：肺内的气体的物质的量，单位mol；

n’：肺内气体分子数量在时间t内的平均变化速度，单位mol·s^-1；

V₀：海拔高度为h₁时的肺体积，单位m³；

v′：肺内体积在时间t内的平均变化速度，单位m³/s；

r：肺组织的半径,单位m；

b：肺泡壁的厚度,单位m；

肺组织所受应变；

∈：肺组织的杨氏模量，单位Pa；

P:压力，单位Pa；

h：海拔高度，单位m。

2.根据权利要求1所述的一种低压低氧动物实验舱控制系统，其特征在于：调节系统接收各类传感器的输入信号，通过调节真空泵抽真空速率、进气路上电磁阀开闭和电磁比例阀的开度来控制海拔变化速率和实时补充氧气、氮气相结合的控制方法达到控制模拟压力在101.3Kpa-26.4Kpa之间变化，氧含量在20.95％-5.44％之间变化，用于模拟从海平面到10000米海拔高度的低压低氧环境，同时可控制舱内海拔变化速率在0-10米/秒。

3.根据权利要求1所述的一种低压低氧动物实验舱控制系统，其特征在于：处于维持高海拔阶段时，调节系统实时调节补氧，调节系统接收舱内氧传感器反馈的当前舱内氧含量实测值并与预设氧含量值相比较，在预设氧含量值上下偏差的范围内反馈调节，也就是说当舱内氧含量低于预设氧含量值时，调节系统控制氧气电磁阀开启，向舱内补充氧气，直至舱内氧含量上升至预设氧含量值，用来维持高海拔阶段氧含量稳定。

4.根据权利要求1所述的一种低压低氧动物实验舱控制系统，其特征在于：处于降海拔阶段时，调节系统通过氮气补充量模型

和海拔高度及海拔降低至0米所需时间，控制舱内氮气补充使舱内压力缓慢上升，即缓慢降低舱内模拟海拔高度，直至恢复压力至常压，使舱内氧含量水平在该阶段始终维持在预设氧含量值上下偏差的范围内，其中：

V表示低压低氧动物实验舱的容积，单位m³；

R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；

T为温度，单位K；

表示舱内气体物质的量的补充速率的微分计算；

τ表示补充气体降低模拟海拔至0米所需时间；

P₀表示海拔为海平面的气压，单位Pa；

Ph表示海拔为h米的气压，单位Pa。

5.根据权利要求1所述的一种低压低氧动物实验舱控制系统，其特征在于：处于降海拔阶段时，通过补充氮气替代空气使压力上升直至常压，能保证动物血生化检测维持在高海拔生物缺氧状态；一种低压低氧动物实验舱控制系统补充氮气遵循氮气补充量模型，根据理想气体状态方程；

PV＝nRT

其中，P表示压强，单位Pa；V表示容积，单位m³；n表示气体物质的量，单位mol；R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；T为温度，单位K；

当温度不变和低压低氧动物实验舱容积固定的情况下，从模拟海拔高度为h米的低压低氧通过补充氮气升高到模拟海拔高度为0米时的大气压，则舱内需要补充氮气的物质的量为：

对舱内压力变化和和物质的量变化进行微分运算，可有：

和

组合公式可得氮气补充量模型为：

其中，

δ_n表示需要补充氮气的总的物质的量，单位mol；

n₀表示模拟海拔高度为0米时舱内气体的物质的量，单位mol；

n_h表示模拟海拔高度为h米时舱内气体的物质的量，单位mol；

V表示低压低氧动物实验舱的容积，单位m³；

R为摩尔气体常数，单位J·mol^-1·K^-1；

T为温度，单位K；

表示舱内气体物质的量的补充速率的微分计算；

τ表示补充气体降低模拟海拔至0米所需时间；

表示舱内压力变化速率的微分计算；

P₀表示海拔为海平面的气压，单位Pa；

P_h表示海拔为h米的气压。

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