几种传感器检测技术在动物活动研究中的应用对比与展望

【摘 要】利用不同类型的传感器对动物进行检测作为一项日趋成熟的技术，可以在几乎接近无干扰的状态下对动物自主活动进行一些综合指标的观察。近些年，利用传感器检测技术为主要观测手段的部分药理研究发展迅速。本文根据已有的文献报导，对动物自主活动实验中所采用的一些传感器检测技术进行论述、对比、分析，为更好地探讨传感器技术的特点及利用价值提供帮助。

【关键词】传感器检测技术；自主活动；药理研究

【中图分类号】R-318 【文献标识码】A 【文章编号】1004-7484（2013）04-0160-02

按照国标GB7665-87定义，传感器（sensors）即感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。该装置通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受（或响应）的信息按一定规律转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量而转换后的信息，也有其它各种形式，一般情况下，大多数的传感器是将非电量转换为电学量[1]。

随着现代科学技术和检测手段的发展，先进的传感器技术不断更新，现代药理实验中采用的传感器检测技术愈来愈多，诸如CCD图像传感器检测技术、换能器传感法、光电管传感法、红外探测传感法、热释电传感技术等高性能高精度的传感器已经融入到现代医药研究之中，这些新技术的应用基本解决了传统的动物镇静实验中人为干扰因素和外界环境给实验结果带来的误差，为观测药物对动物自主活动的影响提供了更为方便准确的新方法、新手段，对药物功效的最终筛选起到积极地作用[2]。目前，在动物自主活动实验中所采用的一些传感器技术可分为以下几类：

1.基于基本换能器原理的检测技术

换能器技术是传感器的一个分支，它主要是感知生物体内的各种非电量的信息（生理的、生化的和病理的信息），把它们传递出来并转换为易处理的电信号装置。针对小动物的自主活动实验的特殊性，在铁架台上通过橡皮筋（或小弹簧）吊一抖笼，该笼底部圆心处用一带线的挂钩和拉力换能器相连。笼中小动物的活动通过换能器由动能转换为电能之后输入生理记录仪或生物信号采集处理系统进行放大记录，便能获得动物的活动曲线和单位时间内振动波的次数。近几年的研究中采用的有抖笼滴水法、抖笼气鼓法、光电抖笼法和浮动法。抖笼换能器法的特点是能够把小动物的细小活动（如修饰、搔抓等）描记下来，仪器简单，操作容易。但此类方法不能达到精确的定量分析，只适用于镇静药的粗略筛选[3-4]。

刘静等采用Actiwatch腕表式睡眠监测分析仪（活动记录仪）和传统的抖笼法观测对小鼠自由活动进行了观测，对比研究发现二者的吻合度很高，两种方法检测的活动次数无显著性差异。此种活动记录仪基于传统的抖笼法，又优于前者。它能对多种参数，如睡眠效率、睡眠潜伏期、睡眠次数、觉醒次数、平均活动分数及比较用药后活动曲线的变化等进行检测[5]。

高雅玲等采用二道生理记录仪（LMS-2A，成都仪器厂）和50g拉力换能器对50只小鼠自主活动的测定，通过分析小鼠的活动曲线得出养血清脑颗粒（当归、川芎、白芍、熟地、珍珠母、元胡）的大剂量（8.0g/kg）组，中剂量（4.0g/kg）组对头部血管舒缩功能障碍及大脑皮层功能失调，或某些体液物质暂时性改变所引起的血管性头痛有明显的镇静作用，为临床治疗血管性头痛提供了实验依据[6]。

2.基于光电传感的检测技术

该种方法主要是在活动箱内将一束或者几束光线照射到对侧的光电感应器上（如光电管、光导管、光敏管）上，动物在箱内活动时遮断光线一次，则电流改变一次，经过放大装置使电脉冲驱使继电器启动，通过计数器记录数值。

双光道和三光道小鼠活动计数仪是目前基于光电传感检测技术的主要仪器之一，王志旺、隋宏等分别采用GJ-I型、GJ-7902型三光道小鼠活动计数仪（天津医疗汽配器厂）对酸枣仁合剂和灌胃延经丸（混悬液）对小鼠的自主活动次数进行了测定，实验结果均表明上述两种药物均具有一定的镇静作用，为中枢抑制和推迟围绝经期、缓解绝经期和绝经后期综合征的治疗提供了一定的实验依据[7-8]。

光电法从最初的单光道发展到的多光道，但是依然无法解决小鼠细微动作的干扰，如修饰、抖动、呼吸、甩尾等动作所造成的错误。

3.基于红外传感的探测技术

自然界中的任何物体，只要其本身温度高于绝对零度（—273.15k），就会不断地辐射红外线。红外探测技术测试动物的自主活动就是基于动物的这种特性。红外探测器是能够把红外辐射量的变化转换为电量变化的器件，它是红外传感器的关键器件—传感元件，根据其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型，其中光敏红外探测使用得最为普遍。

XZ型动物自由活动计数器是基于红外探测传感技术制成的主要仪器之一。嵇扬、赵文静分别采用采用XZ-4、XZC-1型小动物自主活动测定仪（中国医学科学院药物研究所供应）对腹腔注射枳椇正丁醇提取物水溶液和虎斑游蛇水提液、醇提液对小鼠活动影响进行了测试，结果表明小鼠活动次数给药后明显减少，枳椇皂甙类物质具有镇静作用，同时还发现虎斑游蛇水醇两种制剂均有抑制小鼠自发活动的作用，为虎斑游蛇民间的“止惊”作用提供了科学的解释[9-10]。

4.基于热释电的传感技术

热释电传感器是基于热释电效应的红外热探测器。热探测器吸收红外辐射能量后温度升高，且随着辐射功率的变化其元件（热释电晶体）温度也发生相应的变化，利用此种热释电晶体元件的温度敏感特性，将辐射能量转换为相应电信号。

魏凤环、崔桂梅均采用同一型号的YLS-IA多功能小鼠自主活动记录仪（山东省医学科学院设备供应维修站生产）对加味酸枣仁颗粒剂对小鼠的镇静催眠作用进行了研究，结果表明该检测方法能很好的区分不同剂量组（4.42 g/kg、高8.84 g/kg）药物对小鼠活动次数的影响[11-12]。

YLS-IA检测系统用传感器探测动物身体辐射热来测量活动行为，传感器置于透明两烯酸鼠笼上方，两侧有一对红外热电探测器即站起传感器以测量动物站起的辐射热。热释电传感器具有较高的灵敏度，且能在室温下工作，虽然其响应时间较光电探测器稍弱，但比光电探测器有更宽的光谱范围（对所有的波长都响应），能准确的记录动物的位移，如双爪抬起、身体上举等，因此适应范围更加广泛，尤其是对小动物的行为探测有广泛的应用前景。

5.基于CCD图像传感器的检测技术

CCD图像传感器即电荷耦合器件，它主要是将图像资料由光信号转换为电信号。CCD由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷，再经转换电路传送和输出。CCD测量技术作为一种非常有效的非接触检测方法，相比于前几种方法，在动物自主活动实验中误差更小，灵敏度高，噪声低，动态范围大，响应速度快，刷新时无残留痕迹，摄像启动快。在自主活动实验中大都采用CCD图像传感器结合其它方法进行测量[13]。

6.其它技术及展望

动物行为方法学研究的新进展表明，自主活动试验已经发展成一类可对多种动物观察多项自发活动分类行为指标，并为包括中枢神经系统安全药理学研究在内的多种药理学研究提供参数的重要方法。以传感器技术为基础的多种多样的新实验仪器设备与精确定量的测量指标已取代肉眼目测、手工记录、装置简易、受干扰性强等诸多劣势的传统方法，比如活动图像自动识别装置（ the rodent activity pattern identify cation device，RAPID）、迷宫实验中采用的新型红外检测器、开放场地实验中采用的红外遥感技术、野外探测中动物身份识别技术等[14-17]都是目前在传统的观测手法基础上经过改进的技术手段。

上述新近发展的自发活动试验方法给我们带来许多值得重视的启示：传感器技术虽然克服了动物自主活动受人为因素的影响，但测定时间、测定次数、性别、声音、光线及药物对实验研究的影响依然存在。并且，药理学实验一直依靠对动物的整体分析而缺乏局部评价，传感器检测技术也只是适应于药物的部分功效筛选工作之中，而在具有相似功效的药物精确筛选中还显得力不从心。

目前，传感器正朝着以下几个方面发展： 向高性能、微型化、多功能化、智能化、网络化方向发展。将传感器技术与生物技术、微电子技术、光电子技术、电子计算机的发展以及图像采集与分析处理等实际应用领域的技术结合，新型传感器的研制与应用将不断向前迈进。相信从本文简述的几种传感器检测手段在自主活动中的对比、分析下手，可以对此类实验的方法和技术进行有针对性的改良，真正对动物自主活动实现“无接触”、“零干扰”观测。

参考文献：

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[11] 崔桂梅，陈宝田.加味酸枣仁颗粒镇静催眠作用实验研究[J].临床心身疾病杂志，2007，13（4）：295-296.

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[15] 杜松怀，刘志存，王忠义等.基于红外通信的动物身份智能识别装置[J].中国农业大学学报，2006，11（1）：81-83.

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[17] 史红，吕燕萍，钱伯初.鼠、猪与猴自发活动试验方法学研究进展[J]. 中国临床药理学与治疗学，2006，11（3）：246-250.

作者简介：

李伟（1982-），男，汉族，现任山东医学高等专科学校教师，硕士学位，主要从事生物医学工程技术、电子仪器与图像技术的教学和科研工作。

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