吳 右，王 妍，沙 洪

(中國醫(yī)學科學院、北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津 300192)

設施·設備

實驗動物用機械測痛儀的研制

吳 右，王 妍，沙 洪

(中國醫(yī)學科學院、北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津 300192)

目的研制一種疼痛研究中實驗動物用的電子式機械測痛儀器。方法通過分析傳統(tǒng)機械測痛儀在疼痛神經勝利測量實驗中存在的缺陷和不足，本設計選用高精度觸力傳感器，設計信號采集與處理電路，并配備自行研發(fā)編制的基于VC的應用軟件，最終完成對疼痛閾值的測量、存儲和顯示。結果研制出適用于機械痛測量的電子測痛儀，可方便快速實現(xiàn)測量疼痛閾值。結論實驗測試表明，本文研制研制的測痛儀穩(wěn)定性好、測量準確性高;測量結果不受測量環(huán)境濕度、溫度的影響，從而克服了傳統(tǒng)測痛方法的缺陷，為研究分析神經性疼痛的發(fā)病機理、評估鎮(zhèn)痛藥物的治療效果提供可靠的技術支持。

Von Frey;疼痛閾值;神經生理測量;環(huán)境因素

疼痛是伴隨現(xiàn)有的或潛在的組織損傷而產生的主觀感受，是機體對有害刺激的一種保護性防御反應，是一種復雜的生理心理活動，常伴隨有強烈的主觀情緒色彩［1］，是臨床上最常見的癥狀之一?，F(xiàn)今依然沒有客觀的生物學儀器檢測疼痛、描述疼痛的程度。這種窘境的存在是因為疼痛是一種太過個人化和主觀化的體驗，疼痛程度常常隨著病患年齡、性別、健康狀況而變化，很難有客觀的工具衡量疼痛［2］。單純記錄疼痛患者的主觀痛覺無法客觀研究疼痛，這就需要研究由疼痛引起的行為特征。尤其是針對喪失語言能力的疼痛患者，研究疼痛行為尤為重要［3］。許多學者分別通過相似性研究、神經解剖學、神經生理學和行為學的研究發(fā)現(xiàn)動物可能體驗到的疼痛在性質上與人類相似，因此，實驗動物模型的研究應運而生。在現(xiàn)代疼痛研究中，主要是通過研究實驗動物模型、采用行為學方法來進行疼痛的量化研究。

實驗動物模型多種多樣，一般包括化學刺激性模型、物理刺激性模型、神經源性損傷模型、內臟牽拉疼痛模型和其他模型。本文研制的機械測痛儀是依據機械性痛覺過敏模型而設計，該模型屬于物理刺激性模型。機械測痛，即 VonFrey單絲測量機械性疼痛閾值。較常用的方法是應用一系列VonFrey絲壓迫皮膚從而產生不同程度的壓力。1922年，Von Frey首次利用粘在臘桿上的馬毛做標準刺激物去測定皮膚某一點的壓覺和觸覺。到1962年，Semmes和 Weinetein在前人基礎上［4，5］發(fā)明了觸覺測量器。這種壓覺測量器有20根帶手柄的單絲，最細是1.65，最粗是6.65，標示的數(shù)值代表彎曲這些尼龍單絲所需最小力(mg)的對數(shù)值［6］。VonFrey絲按照從小到大的順序刺激動物足底并記錄縮足之痛閾值或一定壓力的VonFrey絲反復刺激動物從而測試其后退收縮頻率［7］。動物的反應除縮足之外，有時可包括嘶叫、逃跑和攻擊行為。

現(xiàn)有的許多基于 Von Frey的測痛儀由于下述缺點限制了其使用場合和測痛效果:測量受限于環(huán)境條件，如溫度、濕度等;無法單次測量獲得疼痛閾值;無法對測量結果進行分析評價以及不便攜帶等。針對現(xiàn)有機械測痛儀的上述不足，筆者研制了一套便攜式電子測痛儀用于測試疼痛閾值、痛覺超敏和異常疼痛，為分析疼痛機制和篩選鎮(zhèn)痛藥物等研究提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 材料

傳統(tǒng)Von Frey測量是基于Von Frey單絲的，不同粗細的單絲代表了使其彎曲所需的最小外力閾值。Von Frey測試的不足在于需多次測量才能獲取一次有效數(shù)據，且測試容易受到環(huán)境溫度和濕度的影響。針對上述缺點，本設計中采用鋼陣傳導，將測試力傳遞到觸力傳感器，從而獲取受壓區(qū)域承受的力值實現(xiàn)痛閾測量。

1.2 方法

1.2.1 硬件電路:整套測痛儀包括網板測試架、測痛探頭和計算機應用軟件三個部分組成。其中測痛探頭包括前端傳感器和信號處理電路。

傳感器選用 Honeywell公司的觸力傳感器 FSL 05N2C，這是一款適用于高精度要求場合的觸力傳感器，其工作原理是基于壓阻效應。外力作用時，不銹鋼球形探頭將力直接作用于硅元件上，硅元件在外力作用下發(fā)生彎曲形變，其電阻發(fā)生變化，變化值隨外力大小成線性關系，最后在輸出端可以得到穩(wěn)定的電壓信號。其中，硅結構壓阻式微機械敏感元件保證了精確可靠的壓力傳感性能。內置的惠斯頓電橋具有低功耗、非增益的特點，能有效保證穩(wěn)定的mV輸出。此外，該傳感器采用最新的彈性體技術和塑料壓模技術，能確保負載激勵可以承受4.5～5.5 kg的超壓測量。另外，不銹鋼球型探頭還提供了良好的機械穩(wěn)定性能，能適用于不同的應用場合。其管腳分布如圖1所示。

圖1 FSL 05N2C的管腳分布Fig.1 The Pin Distribution of FSL 05N2C

考慮傳感器有單獨的工作溫度范圍要求，電路設計中將傳感器與信號采集電路集成到一起，整個硬件電路有保護外殼，所以測痛儀測量性能幾乎不受工作環(huán)境溫度、濕度的影響。

信號采集部分選擇具有在系統(tǒng)編程特性(In System Programming，ISP)的 ADuC814芯片作為主控。ADuC814采用先進的混合信號處理的 IC工藝，片內集成有一個12位6通道 ADC、兩個12位DAC和一個8052芯片內核。本設計研制的測痛儀硬件電路全部集成于一塊電路板上，極大縮小了儀器體積。

1.2.2 應用軟件:應用軟件采用 VC編寫應用程序，用于記錄實驗測得的疼痛閾值，并對數(shù)據進行存儲、分析和顯示。操作界面如圖2所示。其中，Port端口用于選擇實驗所需的通訊端口數(shù)目; Average用于計算和顯示多次測量結果的算數(shù)平均值。由圖2可知，應用軟件可連續(xù)記錄在1 min內的實驗測試數(shù)據。本測試儀采用固定直徑的測試針，故測試數(shù)據與傳統(tǒng)多支式Von Frey的測量結果有一定差別。由于測針本身具有質量，因而若改變測針朝向進行測量時候，需重新校準基線。并且在施力過程中應保持測針沿被測表面的法線方向，以保證測量數(shù)據的準確性。

圖2 機械側痛儀的測試界面Fig.2 The measurement interface of the mechanical analgesia tester

2 結果

該測痛儀的主要應用對象為嚙齒類實驗動物，如大鼠等。實驗統(tǒng)計學研究表明，大鼠等嚙齒類動物的足底痛閾一般不超過15 g［8］，故測試中主要在0～18 g范圍內測試測痛儀與天平數(shù)值的相關性。

選用e=10 d，d=0.01 g的電子天平驗證測痛儀的測量精度。將電子天平示數(shù)值和測痛儀示數(shù)值分別作為橫縱坐標描點，并依據最小二乘原理擬合曲線如圖3所示。圖4是測痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)的差值。由圖3中可知，各點分布在擬合直線的附近，無明顯畸點;擬合曲線具有較好的線性度，這說明測痛儀的示數(shù)與天平讀數(shù)有較好的相關性，故使用該測痛儀測得結果能準確反應實驗動物受力區(qū)承受的壓力。圖4中，測痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)的絕對誤差在±0.1 g內，即相對誤差不超過2%。這表明在疼痛試驗中測痛儀的示數(shù)能準確反映施于動物足底的外力值，進而實現(xiàn)測量足底痛閾。測試結果表明，測痛儀的測量精度滿足嚙齒類動物疼痛閾值的測量要求，能為疼痛測量提供技術支持。

圖3 坐標點的分布及其擬合曲線Fig.3 The points and the fitted curve

圖4 測痛儀示數(shù)與天平讀數(shù)值的誤差值Fig.4 Error between the analgesia tester display and the balance

3 討論與結論

設計中采用觸力傳感器代替 Von Frey單絲進行機械側痛儀研制。測痛儀在測量精度、穩(wěn)定程度以及操作等方面具有明顯的技術優(yōu)勢，這主要源于以下技術路線:

(1)高精度測力傳感器中能在較大的范圍內提供良好的測量線性度;不銹鋼球型探頭具有優(yōu)良的機械穩(wěn)定性能，從而擴大了測痛儀的使用場合

(2)測量閾值記錄實驗動物的縮爪閾，在動物撤掉足底皮膚的瞬間，電腦自動記錄下數(shù)值結果，并以峰值的形式顯示出來。較傳統(tǒng) Von Frey法多次測量才能獲得一次有效數(shù)據，本設計的測痛儀單次測量便可獲取有效準確的痛閾數(shù)據，測量快捷方便。

(3)硅敏感元器件處于封裝嚴密的保護外殼中，故測試結果幾乎不受測試環(huán)境溫度和濕度的影響，結果穩(wěn)定可靠。

(4)儀器采用一體化設計，所有的電路均密封在測量手柄內，通過USB電纜與計算機相連接。配合應用程序，可方便地進行機械痛閾的測量實驗。同時程序中提供了初步的分析與統(tǒng)計功能，使初次使用測量儀的操作人員也可以輕松完成測量任務。

測試實驗結果表明，研制的電子式機械測痛儀操作簡便、穩(wěn)定性好，有較高的測量精度，單次測量可獲取疼痛閾值。一體化設計使得儀器不受測量環(huán)境溫度和濕度的影響，結果穩(wěn)定可靠，且可方便實現(xiàn)測量數(shù)據的存儲、顯示和分析。后續(xù)研究利用模型動物和實驗動物進行實驗測試，并與傳統(tǒng)VonFrey實驗結果進行對照驗證。

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

［2］ Giesbrecht RJ，Battie MC.A comparison of pressure pain detection thresholds in people with chronic low back pain and volunteers without pain［J］.Phys Ther，2005，85(10):1085－1092.

［3］ 趙英.疼痛的測量和評估方法［J］.中國臨床康復，2002，6 (16):2347－2349.

［4］ M?ller 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］ 鄭慧敏，吳凡，于天源.周圍神經損傷的行為學研究概論［J］.現(xiàn)代醫(yī)學，2009，2(37):167－169.

［6］ Romanzi LJ，Groutz A，F(xiàn)eroz 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.

［7］ Kauppila T，Kontinen VK，Pertovaar A.Weight bearing of the limb asa confounding factorin assessmentofmechanicall allodynia in the rat［J］.Pain，1998，74:55－59.

［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

吳右(1986－)女，碩士生，從事醫(yī)學信息檢測與處理。

沙洪(1964－)，男，研究員，生物信息檢測與處理實驗室主任。E－mail:sha_hong_2000@yahoo.com