独立通风笼具(IVC)技术指标检测及参数稳定性评价

闵凡贵，王 静，潘金春，黄树武，龚宝勇，张 钰

(广东省实验动物监测所，广东省实验动物重点实验室，广州 510663)

独立通风笼具(individually ventilate cages，IVCs)是指在密闭独立单元(笼盒或笼具)内，洁净气流高换气率独立通气，废气集中外排，在超净工作台内操作和实验的微型SPF级实验动物饲育与动物实验设备[1-2]。IVC的使用，有效提高了实验室的空间利用率，实现了节能减排的目标，并且有效降低了动物实验间的交叉污染[3]。

尽管IVC的普及率越来越高，应用研究也越来越多[4]，但是对于IVC技术参数的测定、IVC参数稳定性评估以及IVC泄漏情况的检测缺乏相应的标准或技术规范。本研究将探讨IVC技术指标的检测及其参数稳定性评价的方法。

1 材料和方法

1.1 IVC

各类IVC共20台，包括17台国产IVC和3台进口IVC，均为正压运行模式，其中15台摆放在屏障环境中，5台摆放在普通环境中，外环境温度湿度均可调控，运行48 h后进行技术指标检测。

1.2 仪器设备

TESTO 425数字风速仪、TESTO 815噪声计、TESTO 510压差计、TESTO 545照度计、TESTO 625温湿度计、TSI 9306尘埃粒子计数器、流量计(MF5706-N-10)等，均在检定或校准有效期内。

1.3 技术指标及检测方法

1.3.1 笼盒内洁净度

尘埃粒子计数器自净后，将采样管接入笼盒的检测孔或饮水瓶孔，2.83 L/min速度测定洁净度，每个笼盒测定15 min。

1.3.2 笼盒内温度、湿度、噪声、照度

分别将温湿度计、噪声计和照度计放入笼盒内，采用垫料或纸张垫高至50 cm高度，测定50 cm高度的温度、湿度、噪声和照度[5-6]。

1.3.3 笼盒内外静压差

将压差计测量管接入笼盒的检测孔或饮水瓶插孔，测定笼盒内与外环境间的静压差。

1.3.4 笼盒内换气次数

(1)风速仪法:测定进风速度，进风口直径，测量并计算笼盒体积，参照GB14925所提供的计算公式计算IVC笼盒的换气次数[7]。

(2)流量计法:通过流量计直接测定进风口的气体流量，测量并计算笼盒体积，二者相除获得IVC笼盒内的换气次数。

1.3.5 笼盒泄漏检测

分别检测笼盒进气端和排气端的气流速度和气体流量，计算笼盒内风量的损失[4]。正压IVC:笼盒泄漏率＝(进风量-排风量)/进风量。检测示意图见图1。

1.4 统计学方法

测定组内偏差以变异系数(CV)表示，组间差异采用t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 外环境指标与笼盒内温度、湿度、照度、洁净度的关联

相关指标检测结果见表1。外环境温湿度与IVC笼盒内环境温湿度间无显著性差异(t-检验，P＞0.05)，且外环境与内环境温度、湿度的相关系数(r)分别为0.9986和0.9969，表明IVC笼盒内环境温湿度与外环境温湿度间存在极强的正相关。IVC笼盒内环境照度除受外环境照度影响，还与摆放位置相关。笼盒内洁净度与外环境相关性不强，IVC运转周期满足48 h以上，摆放在屏障环境下的IVC洁净度均能达到6或5级水平；摆放在普通环境下的IVC洁净度最高也能达到5级，其中1台套IVC因为高效过滤器选型错误导致内环境8级。

2.2 换气次数不同检测方法比较

将IVC主机换气次数设定为每小时60次，通过测定笼盒送风口风速，计算换气次数，结果显示(表2)，换气次数为设定值的2倍，通过流量计测定送风口的流量，换气次数约为设定值的1/2，两种测定方法获得的结果存在显著性差异(配对t-test，P＝0.0001)。

2.3 IVC系统参数均匀性评估

图1 笼盒泄漏检测模式图Figure 1 The leakage detection system

抽取每个笼架(对角线)左上、左下、中间、右上、右下区域的笼位，分别检测换气次数、噪声、风速及与外环境的静压差，计算各项指标的相对偏差(变异系数，CV)，结果显示(表3)，换气次数、噪声、风速的相对偏差较小，但是静压差的相对偏差很大。

2.4 笼盒泄漏率

IVC参数稳定性分析结果显示，静压差的相对偏差很大，表明不同笼位的笼盒密封性存在很大差异。笼盒的密封性可用送、排风端风量损失，即泄漏率来表述，依据风速仪法和流量计法计算获得笼盒泄漏率见表4，两种方法获得的泄漏率基本一致(配对t-test，P＝0.7481)，泄漏率高达75%，表明IVC笼盒密封性很差。

3 讨论

IVC作为当前最受欢迎的实验动物笼具之一，应用范围越来越广，相关研究报告显示，使用IVC会提高动物福利，减少环境应激，从而改善动物生理生化指标[8-9]。相比开放饲养笼盒，IVC具有独特的优势:(1)IVC通过独立的送排风系统提供相对均一的环境条件，从而实现生存环境的统一化、标准化；(2)通过笼盒的密封性及颜色不同降低外环境对动物的影响，如屏蔽外环境噪音、降低照度和减少人员的干扰。由此可见，IVC的质量控制至关重要，由于国家标准的相对滞后，导致目前缺乏用于IVC技术参数测定和IVC参数稳定性评价的有效技术规范。

环境温度和湿度是影响动物福利和健康的重要因素[10]，其中，温度是实验动物体热平衡和调节的决定因素，湿度与动物体热调节相关，因此，合理控制IVC内环境温度、湿度至关重要。本研究测试结果显示，无论IVC摆放在屏障环境还是普通环境内，在外环境温度、湿度满足标准要求条件下，通过规范的使用操作，IVC内环境的技术指标可以满足GB14925规定的技术指标要求，组间比较结果显示，静态条件下，IVC内环境温湿度高度依赖外环境指标，但是，研究结果不能证明IVC可以在普通环境下使用的模式可以替代屏障环境，研究结果与柯贤福等[11]人结果一致。

表1 外环境与笼盒内微环境温度、湿度、照度、洁净度对比分析Table 1 Comparison of temperature，humidity，illumination and air cleanliness between macro-and micro-environment

表2 两种方法测定换气次数比较(n＝20)Table 2 Comparison of air changes per hour(ACH)between two methods

表3 IVC系统参数稳定性评价指标(n＝20)Table 3 Stability evaluation of technical parameters of IVC

表4 两种方法测定笼盒泄漏率比较(n＝20)Table 4 Comparison of cage leakage rates between two methods

通风与换气也是影响动物体热平衡和调节的重要因素，合理的气流速度和换气次数会带给动物更加舒适的感觉，满足动物福利需求[10]。关于换气次数的测定，不同研究人员和标准中规定的方法也不一致，既可以测定主机总送风量，也可以测试单个笼盒的送风量，通过送风量与笼盒体积比值获得换气次数。本研究中，IVC换气次数为进风端的换气次数，不同于江苏省地方标准[5]，与李彬等[12]人方法一致。对于送风量的测定，本研究分析了风速仪法和流量计法检测的差异，结果显示，风速仪法测定结果偏高，测定结果远大于主机设定值，表明，通过风速仪法测定换气次数不能准确反映笼盒内实际换气次数，造成测量偏差的主要原因在于进风口的直径测量和有效的检测点的选择上；流量计法测定结果远小于风速仪法结果，并且小于设定值，该结果存在较高的合理性，在设定值为60次的理论水平下，实际运行中由于风管、末端笼盒的阻力导致实际送风量损失，存在实际换气次数降低的可能。因此，本研究推荐流量计法作为换气次数的测定方法。

对于IVC质量的评价，目前多数停留在笼盒内环境参数是否满足GB 14925对屏障环境的技术指标要求上，而忽视了IVC整体参数的稳定性。IVC通常有多个笼位，由于距离送、排风总风管的距离不一样，各笼位存在技术参数的差异。如果各个笼盒内环境差异较大，则可能会影响动物的福利与健康，影响实验结果的可重复性。本研究对同一笼架对角线上5个笼位的换气次数、噪声、风速、静压差的均匀性进行分析，结果显示，换气次数的相对偏差最小，其次是噪声和风速，而静压差的相对偏差很大，结果与江其辉等[13]人研究结果一致，造成静压差偏大的原因除了换气次数外，最主要的因素是笼盒的密封性。

笼盒的密封性可以通过测定笼盒的泄漏率来验证，表现为送风量与排风量的差值[6]。笼盒的密封性除了影响压差外，还会导致笼盒内气体泄漏至外环境，增加笼盒间交叉污染的机会，并且不能很好地保护从业人员，降低了IVC的使用效能[14]。本研究结果显示，所有测试的正压IVC笼盒密封性均较差，笼盒平均泄漏率高达75%，凸显在密封性方面质量控制的不足，未能很好地实现IVC既保护笼盒内的动物，又保障从业人员的职业健康与安全的优势。本研究中，影响测试IVC笼盒泄漏率的因素主要有两个:其一，笼盖与箱体间缺乏密封条，导致笼盒泄压；其二，笼盖上的生命窗偏大，面积超过笼盒盖的1/3，并且均无生命窗盖，在正常使用时成为最大的泄压来源。由于笼盖与箱体间缺乏密封条可以导致直接泄漏，增加交叉污染的风险，应该引起IVC生产和使用机构的高度重视，提高笼盒密封性；而生命窗都配有滤膜，虽然不能保障静压差，但会防止交叉污染的发生，利于气体扩散，这也对标准值的合理性提出了疑问。

综上，本研究探讨了IVC系统技术指标的检测方法，证实通过流量计测定笼盒换气次数具有较高的可行性；IVC在静压差的均一性方面差异较大，笼盒密封性不高。研究结果可为IVC系统检测及生产技术改进提供参考，同时为国家和行业标准的制/修订提供参考。