全自动常压低氧生物医学实验舱的研制

李英俊，王德文，徐新萍，彭瑞云，王瑞娟，文湘阳

（1.军事医学科学院 放射与辐射医学研究所, 北京 100850；2.贵州风雷航空军械有限责任公司，贵州 安顺 561017）

全自动常压低氧生物医学实验舱的研制

李英俊1，王德文1，徐新萍1，彭瑞云1，王瑞娟1，文湘阳2

（1.军事医学科学院 放射与辐射医学研究所, 北京 100850；2.贵州风雷航空军械有限责任公司，贵州 安顺 561017）

为研究常压状态不同程度的低氧环境下人类的生命体征及生命耐受力，建立动物低氧模型，研制了全自动常压低氧生物医学实验舱。该舱主要由制氮系统、气体管道系统、电子控制系统、舱体和监视系统组成。由电子控制系统实现对低氧舱内所设定的不同氧分压的自动控制。

生物医学实验舱；低氧实验；常压

常压低氧生物医学实验舱用于在常压状态下建立低氧动物模型，研究机体在不同氧分压环境内的生理、生化特征变化规律。设备用氮气将舱内自然成份的空气排出，采用电子控制设备人为地降低舱内O2的百分含量，造成低氧环境。本台设备可满足毕格犬、恒河猴和大鼠等中、小型实验动物的乏氧性低氧实验。实验舱内O2的可调范围为2.00%～20.90%，精度为±0.10%，系统可连续稳定工作168h。舱内气体洁净，紫外线灯消毒可靠。

1 系统构成

常压低氧生物医学实验舱结构系统由实验舱、缓冲室、监视器、控制箱、顶部箱体、空气压缩机、制氮机、配气罐等组成。其中控制箱及顶部箱体作为电气系统控制和气体管道安装的箱体。

1.1 组件

1.1.1 实验舱和缓冲室。框架由不锈钢材料制成，侧壁板由钢化玻璃制成。内设实验动物架、器械台和2组球型监视器摄像头（韩国三星电子公司），装有4套热光源照明灯和1套紫外线灯。缓冲舱的主要作用是实验人员进出实验舱不至于大幅度改变实验舱内O2百分含量的变化而影响实验的可靠性。

1.1.2 控制箱和顶部箱体。外壳为白色亚光喷塑，内置系统电子控制设备，侧壁安装嵌入式一体化工控机。顶部箱体内设有气体混合罐，布有供气管道、电源线和监视器信号线，顶部设置防尘盖板。

1.1.3 空气压缩机。制备无水、无尘、无油的洁净空气，供给制氮机和混合气罐。

1.1.4 制氮机。制备纯度最高可达99.94%的氮气。

1.1.5 贮气罐。用于贮存洁净的压缩空气。

1.2 气体管道系统

气体管道系统由空气压缩机（GA11-8·5，比利时Atlas Copco公司）、制氮机（CA-P-30，北京中成航宇空分设备有限公司）、储气罐（YZ-RC，扬州巨人机械有限公司）、气体质量流量计控制器（D07-60F，北京七星华创电子股份有限公司）、嵌入式风机、减压器、气体混合罐、软管和管道接头等组成。

1.3 控制系统

控制系统由可编程控制器[1]（CPMIA-AD041，日本OMRON 公司），嵌入式一体化工控机（TPC1063E，北京昆仑通态自动化软件科技有限公司），O2智能气体传感变送器（MIC-02，英国Bluemoon公司），CO2智能气体传感变送器（VC1008T，英国Bluemoon公司）和温、湿度传感变送器（NKHT-3S-B-A1-TT，英国Bluemoon公司）5大部件组成。

其中嵌入式一体化工控机是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能工控机。具有容量小、速度快、成本低、稳定性高、功能强大、通讯方便、操作简便、开放接口和数据存贮等功能[2]。控制系统原理如图1所示。

图1 控制系统原理图

2 工作流程和主要技术指标

2.1 系统工作流程

首先，由空气压缩机制出洁净的空气，经储气罐一部分进入制氮机，从制氮机出来的氮气再流到气体质量流量计控制器，另一部洁净的空气直接流到另一气体质量流量计控制器，两路气体通过气体控制流量计的开度来调节空气和氮气的比例，在混合罐中混合后，流入实验舱和缓冲室。为确保舱内气体的均匀，尽可能达到实验要求，分别在实验舱和缓冲室顶部正中位置各安装一台嵌入式风机，使舱内气体成份充分混匀[3]。

实验舱内O2的百分含量通过工控机设定，舱内O2的精度由O2智能气体传感变送器感应，感应信号传入电子控制系统实现反馈控制。

2.2 主要技术指标

主要技术指标体现系统工作性能、实验动物容量、舱内环境O2、CO2、温湿度的显示值、调节速度、连续工作时间等见表1。

3 操控界面

本设备采用嵌入式工控机作为操控界面与可编程控制器为控制核心的自动化控制系统，可监控实验舱内O2浓度、CO2浓度、温度、湿度与缓冲室O2浓度、CO2浓度，可观察实验舱O2浓度、温度及缓冲室的O2浓度变化的实时曲线与历史曲线。操作界面形象直观，操作简单，维护方便。

操控界面由系统工作界面、控制系统操控界面、实验人员权限管理界面、氧浓度设定界面、实验舱O2浓度和温度历史与实时变化曲线界面和退出操作系统界面组成。

4 系统工作性能检验

表2 系统工作性能检验结果

(1)全自动常压低氧生物医学实验舱建成后，为验证各种技术指标是否能够达到原设计要求，在环境温度为25～28℃的条件下启动系统，设定不同氧浓度，检测达到所设定浓度的时间，测定3次，计算平均值。每2h记录一次O2浓度显示值，并计算平均值、标准差及系统稳定工作时间，具体数值见表2。氧气浓度的设定值与达到设定值的时间关系见图2。

表1 系统主要技术指标

图2 氧气浓度的设定值与达到设定值的时间关系

(2)为检验全自动常压低氧生物医学实验舱能否满足建立实验动物模型的目的，用wiatar大鼠70只，雌雄各半。随机分为7组，其中1组为对照组，在舱外相同环境中饲养，其余6组在舱内不同O2百分比浓度条件下接受实验。在舱内O2浓度达到设定值后30min，舱内采集动脉血，进行血氧分析[4]。动脉血测定指标为pH2、pO和pCO2[5]。

实验组和对照组的数据进行一维方差比较，以P＜0.05具有统计学意义。分析结果见表3。

表3 常压低氧大鼠在环境不同氧分压条件下动脉血血气分析结果

5 结果

(1)经验证，系统在环境温度低于28℃时，可连续稳定工作168h，在环境温度超过30℃时，空压机散热受阻，若机内温度达到120℃时，空压机自动停止工作。随着所设定O2浓度的降低，达到该设定值所用的时间也随之延长。舱内O2浓度显示值较设定值略小，各设定值浓度的标准差较小。

(2)血气分析结果表明，与对照组相比，pH、pO2、pCO2和HCO3的测定值如表3。

6 讨论

常压低氧生物医学实验舱是为建立动物缺氧模型，研究自然灾害或其它人为原因造成的对建筑物、城市人防工程、坑道、矿井等坍塌后所造成的缺氧条件下被掩埋人员的生命指征及对缺氧的耐受力而设计的。

该舱采用氮气填充的方法将舱内的空气排出，达到低氧的目的。

表2显示，设定的氧浓度与舱内实测O2浓度有误差，且测定值均小于设定值。其主要原因可能是由于制氮机所制氮气浓度较高（99.89%），压力较大（0.79kp），入舱混合后，经质量流量控制器测定，才由电子控制系统控制，二者存在不完全同步的问题。但是从统计的结果分析，各组氧气浓度的设定值与显示的实际值最大误差为±0.2688，最小误差为±0.0423。误差对动物实验基本无影响。

从图1可以看出，舱内氧气浓度达到设定值的时间逐渐延长，达到16%时为5′30″，达到2%时为67′58″，这与舱内氮气的填充时间有关，舱内氧气浓度设定得越低，需要的氮气越多，填充的时间也越长。

表3显示血气分析仪测定值，与对照组相比，随着舱内氧气浓度的降低，动脉血的氧分压也逐渐下降，且有显著差异（P＜0.01），证明该全自动常压低氧生物医学实验舱完全能够满足临床和科研上建立不同程度常压缺氧实验动物模型的需要。

此外，高性能嵌入式一体化工控机是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的，采用了10.4英寸高亮度宽温TFT液晶显示屏（分辨率640×480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×1024），外壳是美观坚固的铝合金结构，具有良好的电磁屏蔽性，同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统和嵌入式组态软件。

本舱操作程序简便，控制精度高，性能稳定，结构美观，可满足犬、猴、大鼠、小鼠及细胞缺氧实验，是目前国内唯一一台大型全自动常压低氧生物医学实验舱。

[1] 张建军.可编程控制器实验台的设计[J].科技情报开发与经济,2005,15(8):230.

[2] 赵永瑞,李刚.嵌入式控制系统[J].制造业自动化, 2003, 25(2):63-64.

[3] 顾斌,陈平.全自动简易型低氧饲养舱的研制[J].医疗卫生装备,2005,26(7):68.

[4] Porcelli RJ,Bergman MJ. Effects of chronic hypoxia on pulmonary vascular responses to biogenic amones[J].Appl Physiol,1983,55(2):534-540.

[5] Kuixu,Joseph C,Lamanna.Chronic hypoxia and the cerebral

circulation[J].Appl Physiol,2006,55(10):725-730.

Development of Automatic Atmospheric Hypoxia Biomedical Experiment Chamber

LI Ying-jun1, WANG De-wen1,XU Xin
ping1, PENG Rui-yun1, WANG Rui-juan1,WEN Xiang-yang2
(1.Institute of Radiation Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850, China; 2.Guizhou Fenglei Aeronautics Ordnance Company Limited,Anshun Guizhou 561017, China)

To research the vital sign and life tolerance of human in environment of normal pressure hypoxic in different density of O2and to construct the animal hypoxic model,we developed the automatic atmospheric hypoxic biomedicine experiment chamber. The chamber is the components of producing nitrogen system, gas passageway system, electronic control system, experiment box and supervising system. Automatic control of different partial pressure O2are implemented by the electronic control system.

biomedical experiment chamber; hypoxic experiment; normal atmosphere

TH79

A

1674-1633(2010)01-0030-03

2009-09-07

2009-11-26

本文作者：李英俊，助理研究员，博士。

作者邮箱：lhzh8526@sina.com