全 勇，郝玉徽，李 勇，陳 芳，劉 源，謝鵬飛，龐家偉，王 崧*，王軍平*

（1.陸軍軍醫(yī)大學軍事預防醫(yī)學系全軍復合傷研究所，創(chuàng)傷、燒傷與復合傷國家重點實驗室，重慶 400038；2.重慶國科誠遠環(huán)境科技有限公司，重慶 400722）

0 引言

近年來，低氧對造血干細胞的作用越來越受到國內外學者的關注[1-3]，但由于大多數(shù)動物實驗在非高原地區(qū)進行，低氧動物飼養(yǎng)艙成為開展低氧相關研究的必要條件[4]。低氧動物飼養(yǎng)艙主要分為低壓低氧和常壓低氧兩大類[5]，前者是傳統(tǒng)的高原低氧裝備，通過真空泵抽出部分艙內氣體以維持低壓低氧環(huán)境，材料要求和制造成本較高，且操作不方便[6]；后者通過改變氮氣和氧氣的相對比例、降低氧分壓來模擬低氧環(huán)境，更易制造和操作。目前，常壓低氧動物飼養(yǎng)艙以高壓低氧氣體鋼瓶供氣居多，但高壓氣體鋼瓶須頻繁更換以持續(xù)通氣，且脈沖式供氣易造成二氧化碳、氨氣等氣體的積聚，可能對實驗動物造成不良影響[7-8]。

針對現(xiàn)有低氧動物飼養(yǎng)艙的不足，本研究設計一種自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙，運用模塊化設計方法，通過比例-積分-微分（proportional-integral-derivative，PID）算法和反饋閉環(huán)自動調節(jié)控制氧氣體積分數(shù)，采用雙重氣源及電源供應模式以確保裝置的持續(xù)穩(wěn)定運行，通過物聯(lián)網(wǎng)技術將裝置異常狀態(tài)信息實時發(fā)送給實驗人員，實現(xiàn)無人值守。

1 總體結構設計

本裝置的總體結構設計如圖1 所示?？諝鈮嚎s機將壓縮空氣輸送至低氧調節(jié)控制單元中的膜分離器，被膜分離器分離的氧氣、氮氣經(jīng)質量流量控制器和電磁閥進入動物飼養(yǎng)艙，艙內氧傳感器將氧氣體積分數(shù)信號反饋給可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC），PLC 采用PID 算法作為系統(tǒng)控制算法將控制參數(shù)傳輸至質量流量控制器以實時調節(jié)氣體流量，構成自動控制調節(jié)氧氣體積分數(shù)的反饋閉環(huán)；不間斷電源（uninterrupted power supply，UPS）在市電中斷時為低氧調節(jié)控制單元供電，自動切換電磁閥通路，使標準氣瓶中的低體積分數(shù)氧氣進入動物飼養(yǎng)艙。整個裝置通過上述的雙重氣源及電源供應以確保持續(xù)運行和艙內氧氣體積分數(shù)的穩(wěn)定。

圖1 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙總體結構設計示意圖

2 主要部件組成

本裝置的主要部件包括空氣壓縮機、低氧調節(jié)控制單元、動物飼養(yǎng)艙、高壓低氧鋼瓶、UPS 以及數(shù)據(jù)傳輸單元（data transfer unit，DTU）模塊等，如圖2所示，實物圖如圖3 所示。裝置后側的氣體管路主要包括動物飼養(yǎng)艙主艙供氣管、旁路氣源連接管和空氣壓縮機氣源連接管，如圖4 所示。

圖2 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙組成部件示意圖

圖3 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙實物圖

圖4 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙后側氣體管路連接示意圖

2.1 空氣壓縮機

本裝置選用QWWJ-150 全無油靜音空氣壓縮機。在空氣壓縮機出氣端和膜分離器進氣端之間有壓縮空氣過濾器和壓力調節(jié)閥，其中壓縮空氣過濾器可過濾掉壓縮空氣中的有害物質，壓力調節(jié)閥可通過調節(jié)氣壓實現(xiàn)對氣體流速、流量的控制，為低氧調節(jié)控制單元提供穩(wěn)定、可持續(xù)的壓縮空氣。

2.2 低氧調節(jié)控制單元

低氧調節(jié)控制單元主要由Airrane MNH-2022A高分子膜分離器、D07-23F 質量流量控制器、Smart200 ST30 型PLC、LZB-WB 玻璃轉子流量計、JXM 氧傳感器和DOP-107CV 人機接口組成。壓縮空氣在膜分離器進行氮氧分離后進入質量流量控制器，該控制器實時調節(jié)進入動物飼養(yǎng)艙的氣體流量，PLC 接收氧傳感器反饋信號，經(jīng)PID 計算后再將控制參數(shù)傳輸給質量流量控制器，形成反饋閉環(huán)，實現(xiàn)對氧氣體積分數(shù)的高精度控制；人機接口與PLC 相連，可通過手工輸入設定動物飼養(yǎng)艙氧氣體積分數(shù)和顯示動物飼養(yǎng)艙實時參數(shù)。

2.3 動物飼養(yǎng)艙

動物飼養(yǎng)艙選用高透明度、低價格、具有良好力學性能的聚甲基丙烯酸甲酯（俗稱亞克力或有機玻璃）作為艙體材料，分為主艙和過渡艙，主艙內有氧濃度測定儀及JXM 系列溫濕度、二氧化碳和氨氣檢測儀。主艙前方斜面門可開啟并設有可進入艙內操作的手套孔；主艙后側設有多個進氣孔，每個進氣孔對應一個動物飼養(yǎng)盒，利用進氣渦旋將動物飼養(yǎng)盒中積聚的污染氣體排出，保持新鮮低氧空氣的持續(xù)輸入。主艙通過過渡艙與外界連通，主艙與過渡艙之間的隔離門及過渡艙設有多個排氣孔，通過維持主艙內正壓，驅動主艙內氣體由隔離門排氣孔進入過渡艙，再排放到外界，確保主艙內低氧環(huán)境的穩(wěn)定與循環(huán)更新。

2.4 UPS 與高壓低氧鋼瓶

選用2000-A-2KTTS UPS 與低氧調節(jié)控制單元連接，當出現(xiàn)市電中斷時，自動切換至UPS 供電，同時切換電磁閥通路，使高壓低氧鋼瓶中的低體積分數(shù)氧氣經(jīng)第二氣路進入動物飼養(yǎng)艙，維持動物飼養(yǎng)艙內的低氧環(huán)境。

2.5 DTU 模塊

DTU 模塊選用型號為AF-GSM500-4G 的DTU。DTU 是專門用于將設備串口數(shù)據(jù)轉換為IP 數(shù)據(jù)并通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備。具體做法是在DTU 中插入已開通短信功能的SIM 卡，DTU 上電后先將SIM 卡注冊到移動通信網(wǎng)絡，使飼養(yǎng)艙系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心具備短信發(fā)送功能。當發(fā)生市電斷開、氣體體積分數(shù)超標或其他需要告警情形時，DTU 即時發(fā)送告警短信到手機上，通知操作者及時到現(xiàn)場處理，避免實驗受到影響。

3 運行效果評估

3.1 實驗動物

選用20 只無特定病原體（specific pathogen free，SPF）級6～7 周齡雄性C57BL/6J 小鼠，體質量（20±2）g，購自湖南斯萊克景達實驗動物有限公司，生產(chǎn)許可證編號：SCXK（湘）2019-0004。本實驗經(jīng)過陸軍軍醫(yī)大學實驗動物福利倫理審查委員會審核。

3.2 實驗方法

采用隨機數(shù)字表法將實驗小鼠分為常氧對照組和低氧習服組，每組10 只，分別于常氧環(huán)境和常壓低氧動物飼養(yǎng)艙中飼喂。低氧習服組小鼠入艙后，在人機界面輸入氧氣體積分數(shù)預設值12%，啟動裝置保持其連續(xù)運行，觀察艙內的環(huán)境狀況，并對裝置的抗干擾能力進行模擬測試；在小鼠入艙前、入艙后第1、3、7、9、11、14、18、22、26、30 天分別采集小鼠尾靜脈血，然后使用全自動血液分析儀Sysmex XT-2000i進行血常規(guī)檢測分析。

3.3 實驗結果

3.3.1 艙內溫濕度變化

動物飼養(yǎng)艙內溫度由外環(huán)境溫度控制，而外環(huán)境溫度通過空調維持。艙內溫度維持在（22±2）℃，隨著晝夜更替溫差變化不大，溫度保持穩(wěn)定，如圖5 所示。艙內溫度滿足GB 14925—2010[9]中的要求（20～26 ℃），且艙內日溫差變化也在規(guī)定的4 ℃以內。

圖5 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內溫度變化圖

本裝置啟動時，由于輸入氣體的濕度較低，艙內相對濕度處于20%～30%的較低水平。放入小鼠后，由于動物的呼吸作用艙內相對濕度快速提升，最高升至50%以上，隨后緩慢下降并維持在38%～50%之間，略低于GB 14925—2010 中關于環(huán)境濕度的要求（40%～70%），如圖6 所示，可能與艙內飼養(yǎng)小鼠數(shù)量較少（10 只）有關。

圖6 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內相對濕度變化圖

3.3.2 艙內氧氣體積分數(shù)變化

本裝置啟動前，艙內氧氣體積分數(shù)與外界保持一致，隨后根據(jù)氧氣體積分數(shù)設定值迅速下降并穩(wěn)定在趨于設定值的區(qū)間范圍，穩(wěn)定后艙內氧氣體積分數(shù)變化小于0.2%，如圖7 所示。但由于小鼠的呼吸作用，艙內氧氣體積分數(shù)與設定值偏差約穩(wěn)定在0.5%，與文獻[10]一致。

圖7 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內氧氣體積分數(shù)變化圖

3.3.3 艙內二氧化碳體積分數(shù)變化

艙內未放入小鼠時，二氧化碳體積分數(shù)約為800 ppm（1 ppm=1×10-6），放入小鼠后，艙內二氧化碳體積分數(shù)迅速上升至1 800～2 000 ppm并基本保持穩(wěn)定。每天17 時左右二氧化碳體積分數(shù)開始進一步升高，21—23 時達到峰值3 300 ppm，隨后逐漸下降至2 000 ppm，如圖8 所示。推測二氧化碳體積分數(shù)呈脈沖式波動變化與小鼠的活動周期有關，即小鼠在夜間活動更頻繁，由于呼吸作用所產(chǎn)生的二氧化碳明顯增加，導致艙內二氧化碳體積分數(shù)升高。通過加強艙內通氣或放置及更換鈉石灰等措施可較好地控制二氧化碳體積分數(shù)[11]。

圖8 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內二氧化碳體積分數(shù)變化圖

3.3.4 艙內氨氣質量濃度變化

艙內氨氣質量濃度在前3 d 一直保持在0 水平線，但在第四天儀器自動發(fā)出氨氣質量濃度報警短信，而更換清潔墊料后氨氣質量濃度迅速降為0，說明艙內通氣可以維持3 d 內氨氣不超標。但隨著小鼠排泄物的堆積，艙內的氨氣質量濃度持續(xù)升高，但仍低于GB 14925—2010 中氨氣質量濃度不超過14 mg/m3的要求，如圖9 所示，及時更換墊料能完全杜絕氨氣積聚問題。

圖9 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內氨氣質量濃度變化圖

3.3.5 干擾測試及無人值守測試情況

打開過渡艙更換墊料、飼料和飲水后，艙內溫濕度數(shù)值迅速發(fā)生變化，氧氣體積分數(shù)上升至13%，但在10 min 左右，艙內氧氣體積分數(shù)恢復到12%左右。進行斷電測試時，空氣壓縮機停止工作，旁路供氣模式啟動，高壓低氧鋼瓶內的低氧氣體進入到動物飼養(yǎng)艙內，艙內氧氣體積分數(shù)無明顯變化，仍保持正常運行。在斷電、二氧化碳和氨氣超標時，實驗人員的手機均在第一時間接收到告警短信通知，如圖10 所示，實現(xiàn)了“全時監(jiān)測，無人值守”。

圖10 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙報警短信界面截屏

3.3.6 艙內換氣率檢測

實際運行測試結果表明，常壓低氧動物飼養(yǎng)艙在設定氧氣體積分數(shù)為12%時，換氣率約為12.1，符合GB 14925—2010 通氣次數(shù)不少于10 次/h 的要求。

3.3.7 艙內及艙外噪聲檢測

在艙內、艙外正前方1 m，艙外左前方1 m，艙外右前方1 m 處用噪聲儀（BSWA309，中科新悅）檢測噪聲，結果分別為49.8、55.6、54.1 dB，低于GB 14925—2010 中關于噪聲的要求。

3.3.8 低氧習服小鼠外周血紅細胞參數(shù)變化情況

由于紅細胞對低氧反應最為敏感，因此主要比較常氧對照組和低氧習服組2 組小鼠的紅細胞（RBC）、血紅蛋白濃度（HGB）和紅細胞壓積（HCT）。低氧習服組小鼠進入動物飼養(yǎng)艙后，RBC、HGB 和HCT 即開始升高，3 d 時2 組差異有統(tǒng)計學意義（P<0.05），到14 d 左右差異達到最大（P<0.01）后緩慢下降，至30 d 仍高于常氧對照組（P<0.05），如圖11 所示。該結果與使用低壓低氧動物實驗艙的研究報道基本一致[12]，說明本常壓低氧動物飼養(yǎng)艙建立低氧動物模型可靠，可達到與其他低壓低氧動物飼養(yǎng)艙相同的效果。

圖11 自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙內小鼠外周血血常規(guī)變化圖

4 結語

為彌補現(xiàn)有低氧動物飼養(yǎng)艙的不足，本研究設計的自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙從艙體材料、氣源供應、電力保障、系統(tǒng)算法和遠程告警等方面進行了改進：全透明艙體既可滿足實驗動物的光照需求，又方便對艙內實驗動物進行實時觀測和操作；雙氣源和雙電源供應模式保證了飼養(yǎng)艙低氧環(huán)境的穩(wěn)定維持和不間斷工作；綜合多參數(shù)實時監(jiān)測、反饋閉環(huán)控制與PID 控制算法，做到自動調節(jié)和精確控制氧氣體積分數(shù)；通過DTU 模塊實現(xiàn)對飼養(yǎng)艙狀態(tài)的全時監(jiān)控。

綜上，自動常壓低氧動物飼養(yǎng)艙是一種可以在實驗室中模擬常壓低氧環(huán)境的設備，為開展低氧環(huán)境相關研究提供了基礎條件。由于真實的高原環(huán)境還包括干燥、低溫、高紫外線等氣候條件，因此，在艙內增加紫外燈管以模擬紫外線環(huán)境，增加低溫干燥裝置，加大換氣頻率，對空氣壓縮機進行降噪吸音處理或通過將空氣壓縮機與飼養(yǎng)艙分開放置，最終設計制造出集低壓、低氧、高紫外線、低溫、低濕度、低噪聲于一體的高度仿真高原低氧實驗動物艙，將是今后的改進方向。