实验动物用机械测痛仪的研制

吴 右，王 妍，沙 洪

(中国医学科学院、北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192)

设施·设备

实验动物用机械测痛仪的研制

吴 右，王 妍，沙 洪

(中国医学科学院、北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192)

目的研制一种疼痛研究中实验动物用的电子式机械测痛仪器。方法通过分析传统机械测痛仪在疼痛神经胜利测量实验中存在的缺陷和不足，本设计选用高精度触力传感器，设计信号采集与处理电路，并配备自行研发编制的基于VC的应用软件，最终完成对疼痛阈值的测量、存储和显示。结果研制出适用于机械痛测量的电子测痛仪，可方便快速实现测量疼痛阈值。结论实验测试表明，本文研制研制的测痛仪稳定性好、测量准确性高;测量结果不受测量环境湿度、温度的影响，从而克服了传统测痛方法的缺陷，为研究分析神经性疼痛的发病机理、评估镇痛药物的治疗效果提供可靠的技术支持。

Von Frey;疼痛阈值;神经生理测量;环境因素

疼痛是伴随现有的或潜在的组织损伤而产生的主观感受，是机体对有害刺激的一种保护性防御反应，是一种复杂的生理心理活动，常伴随有强烈的主观情绪色彩［1］，是临床上最常见的症状之一。现今依然没有客观的生物学仪器检测疼痛、描述疼痛的程度。这种窘境的存在是因为疼痛是一种太过个人化和主观化的体验，疼痛程度常常随着病患年龄、性别、健康状况而变化，很难有客观的工具衡量疼痛［2］。单纯记录疼痛患者的主观痛觉无法客观研究疼痛，这就需要研究由疼痛引起的行为特征。尤其是针对丧失语言能力的疼痛患者，研究疼痛行为尤为重要［3］。许多学者分别通过相似性研究、神经解剖学、神经生理学和行为学的研究发现动物可能体验到的疼痛在性质上与人类相似，因此，实验动物模型的研究应运而生。在现代疼痛研究中，主要是通过研究实验动物模型、采用行为学方法来进行疼痛的量化研究。

实验动物模型多种多样，一般包括化学刺激性模型、物理刺激性模型、神经源性损伤模型、内脏牵拉疼痛模型和其他模型。本文研制的机械测痛仪是依据机械性痛觉过敏模型而设计，该模型属于物理刺激性模型。机械测痛，即 VonFrey单丝测量机械性疼痛阈值。较常用的方法是应用一系列VonFrey丝压迫皮肤从而产生不同程度的压力。1922年，Von Frey首次利用粘在腊杆上的马毛做标准刺激物去测定皮肤某一点的压觉和触觉。到1962年，Semmes和 Weinetein在前人基础上［4，5］发明了触觉测量器。这种压觉测量器有20根带手柄的单丝，最细是1.65，最粗是6.65，标示的数值代表弯曲这些尼龙单丝所需最小力(mg)的对数值［6］。VonFrey丝按照从小到大的顺序刺激动物足底并记录缩足之痛阈值或一定压力的VonFrey丝反复刺激动物从而测试其后退收缩频率［7］。动物的反应除缩足之外，有时可包括嘶叫、逃跑和攻击行为。

现有的许多基于 Von Frey的测痛仪由于下述缺点限制了其使用场合和测痛效果:测量受限于环境条件，如温度、湿度等;无法单次测量获得疼痛阈值;无法对测量结果进行分析评价以及不便携带等。针对现有机械测痛仪的上述不足，笔者研制了一套便携式电子测痛仪用于测试疼痛阈值、痛觉超敏和异常疼痛，为分析疼痛机制和筛选镇痛药物等研究提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 材料

传统Von Frey测量是基于Von Frey单丝的，不同粗细的单丝代表了使其弯曲所需的最小外力阈值。Von Frey测试的不足在于需多次测量才能获取一次有效数据，且测试容易受到环境温度和湿度的影响。针对上述缺点，本设计中采用钢阵传导，将测试力传递到触力传感器，从而获取受压区域承受的力值实现痛阈测量。

1.2 方法

1.2.1 硬件电路:整套测痛仪包括网板测试架、测痛探头和计算机应用软件三个部分组成。其中测痛探头包括前端传感器和信号处理电路。

传感器选用 Honeywell公司的触力传感器 FSL 05N2C，这是一款适用于高精度要求场合的触力传感器，其工作原理是基于压阻效应。外力作用时，不锈钢球形探头将力直接作用于硅元件上，硅元件在外力作用下发生弯曲形变，其电阻发生变化，变化值随外力大小成线性关系，最后在输出端可以得到稳定的电压信号。其中，硅结构压阻式微机械敏感元件保证了精确可靠的压力传感性能。内置的惠斯顿电桥具有低功耗、非增益的特点，能有效保证稳定的mV输出。此外，该传感器采用最新的弹性体技术和塑料压模技术，能确保负载激励可以承受4.5～5.5 kg的超压测量。另外，不锈钢球型探头还提供了良好的机械稳定性能，能适用于不同的应用场合。其管脚分布如图1所示。

图1 FSL 05N2C的管脚分布Fig.1 The Pin Distribution of FSL 05N2C

考虑传感器有单独的工作温度范围要求，电路设计中将传感器与信号采集电路集成到一起，整个硬件电路有保护外壳，所以测痛仪测量性能几乎不受工作环境温度、湿度的影响。

信号采集部分选择具有在系统编程特性(In System Programming，ISP)的 ADuC814芯片作为主控。ADuC814采用先进的混合信号处理的 IC工艺，片内集成有一个12位6通道 ADC、两个12位DAC和一个8052芯片内核。本设计研制的测痛仪硬件电路全部集成于一块电路板上，极大缩小了仪器体积。

1.2.2 应用软件:应用软件采用 VC编写应用程序，用于记录实验测得的疼痛阈值，并对数据进行存储、分析和显示。操作界面如图2所示。其中，Port端口用于选择实验所需的通讯端口数目; Average用于计算和显示多次测量结果的算数平均值。由图2可知，应用软件可连续记录在1 min内的实验测试数据。本测试仪采用固定直径的测试针，故测试数据与传统多支式Von Frey的测量结果有一定差别。由于测针本身具有质量，因而若改变测针朝向进行测量时候，需重新校准基线。并且在施力过程中应保持测针沿被测表面的法线方向，以保证测量数据的准确性。

图2 机械侧痛仪的测试界面Fig.2 The measurement interface of the mechanical analgesia tester

2 结果

该测痛仪的主要应用对象为啮齿类实验动物，如大鼠等。实验统计学研究表明，大鼠等啮齿类动物的足底痛阈一般不超过15 g［8］，故测试中主要在0～18 g范围内测试测痛仪与天平数值的相关性。

选用e=10 d，d=0.01 g的电子天平验证测痛仪的测量精度。将电子天平示数值和测痛仪示数值分别作为横纵坐标描点，并依据最小二乘原理拟合曲线如图3所示。图4是测痛仪示数与天平读数的差值。由图3中可知，各点分布在拟合直线的附近，无明显畸点;拟合曲线具有较好的线性度，这说明测痛仪的示数与天平读数有较好的相关性，故使用该测痛仪测得结果能准确反应实验动物受力区承受的压力。图4中，测痛仪示数与天平读数的绝对误差在±0.1 g内，即相对误差不超过2%。这表明在疼痛试验中测痛仪的示数能准确反映施于动物足底的外力值，进而实现测量足底痛阈。测试结果表明，测痛仪的测量精度满足啮齿类动物疼痛阈值的测量要求，能为疼痛测量提供技术支持。

图3 坐标点的分布及其拟合曲线Fig.3 The points and the fitted curve

图4 测痛仪示数与天平读数值的误差值Fig.4 Error between the analgesia tester display and the balance

3 讨论与结论

设计中采用触力传感器代替 Von Frey单丝进行机械侧痛仪研制。测痛仪在测量精度、稳定程度以及操作等方面具有明显的技术优势，这主要源于以下技术路线:

(1)高精度测力传感器中能在较大的范围内提供良好的测量线性度;不锈钢球型探头具有优良的机械稳定性能，从而扩大了测痛仪的使用场合

(2)测量阈值记录实验动物的缩爪阈，在动物撤掉足底皮肤的瞬间，电脑自动记录下数值结果，并以峰值的形式显示出来。较传统 Von Frey法多次测量才能获得一次有效数据，本设计的测痛仪单次测量便可获取有效准确的痛阈数据，测量快捷方便。

(3)硅敏感元器件处于封装严密的保护外壳中，故测试结果几乎不受测试环境温度和湿度的影响，结果稳定可靠。

(4)仪器采用一体化设计，所有的电路均密封在测量手柄内，通过USB电缆与计算机相连接。配合应用程序，可方便地进行机械痛阈的测量实验。同时程序中提供了初步的分析与统计功能，使初次使用测量仪的操作人员也可以轻松完成测量任务。

测试实验结果表明，研制的电子式机械测痛仪操作简便、稳定性好，有较高的测量精度，单次测量可获取疼痛阈值。一体化设计使得仪器不受测量环境温度和湿度的影响，结果稳定可靠，且可方便实现测量数据的存储、显示和分析。后续研究利用模型动物和实验动物进行实验测试，并与传统VonFrey实验结果进行对照验证。

［1］ Gagliese L，Melzack R.Chronic pain in elderly people［J］. Pain，1997，70(1):3－14.

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［3］ 赵英.疼痛的测量和评估方法［J］.中国临床康复，2002，6 (16):2347－2349.

［4］ Möller KA，Johansson B，Berge OG.Assessing mechanical allodynia in the rat paw with a new electronic analgesia tester［J］.J Neurosci Methods，1998，84:41－47.

［5］ 郑慧敏，吴凡，于天源.周围神经损伤的行为学研究概论［J］.现代医学，2009，2(37):167－169.

［6］ Romanzi LJ，Groutz A，Feroz F，et al.Evaluation of female external genitalia sensitivity to pressure/touch:a prelimunary prospective study using Semmes－Weinstein monofilaments［J］. Urology，2001，57(6):1145.

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［8］ Kim KJ，Yoon YW，Chung JM.Comparison of three rodent neuropathic pain models［J］.Exp Brain Res，1997，113:200－206.

Mechanical Analgesia Tester for Experiment Animal

WU You，WANG Yan，SHA Hong
(Institute of Bio－medical Engineering，Chinese Academy of Medical Science＆Peking Union Medical College，Tianjin 300192，China)

ObjectiveTo develop an electrical mechanical analgesia tester to measure pain threshold measurement in neuro－physiological research.Method Based on analysis of flaws of conventional mechanical analgesia tester，a highaccuracy force sensor was selected and hardware circuit for signal acquisition and processing was developed.Combined with software programmed in VC，pain threshold measurement and data storage and display were realized。ResultsAn electrical mechanical analgesia tester was developed and it could measure pain threshold conveniently and quickly。ConclusionExperiments results show that the analgesia tester has high accuracy，and is good in stability and accuracy. The measure results are invulnerable to environmental factors as temperature and moistness.The newly developed analgesia tester overcomes the flaw of conventional analgesia tester and can provide technical support for researching and analyzing etiopathogenesis of neuropathic pain，also for evaluating effectiveness of pain analgesics.

Von Frey;Pain threshold;Neurophysiologic measurements;Environment factors

TP274+.2

A

1671－7856(2010)05－0079－04

2009－12－14

吴右(1986－)女，硕士生，从事医学信息检测与处理。

沙洪(1964－)，男，研究员，生物信息检测与处理实验室主任。E－mail:sha_hong_2000@yahoo.com