張志陽，王宇辰，車暮雪，戴江平，曹文馨

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

引言

神經(jīng)病理性疼痛（NPP）一直是臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的熱點。條件性位置偏好（CPP）實驗可以有效驗證治療NPP的藥物是否具有較強(qiáng)的精神依賴性，而目前的CPP實驗裝置收集和分析數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。本課題以條件性偏好實驗為切入點，將傳感器科學(xué)和動物行為學(xué)相結(jié)合，利用STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)的E18-D80NK紅外傳感器改良CPP實驗裝置，方便醫(yī)學(xué)科研人員更精確地評價藥物的精神依賴性。

本課題的成果也將在后續(xù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用與拓展，作為一項重要的技術(shù)儲備，具有很強(qiáng)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景和價值。

1 條件性偏好實驗研究現(xiàn)狀分析

神經(jīng)病理性疼痛（Neuropathic Pain，NPP）是指周圍或中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)或繼發(fā)性損害或功能障礙引起的疼痛[1]。NPP發(fā)病率高、危害性大，對患者身心健康造成巨大傷害，一直是醫(yī)學(xué)研究的熱點[2]。阿片受體在大腦中廣泛表達(dá)，通過結(jié)合內(nèi)源性阿片肽傳導(dǎo)疼痛[3]。NPP目前尚無特效藥，臨床治療的一線藥物為阿片類鎮(zhèn)痛藥。但是長期使用阿片類藥物，尤其是嗎啡和芬太尼等κ-阿片受體激動劑類藥物有廣泛的副作用。其中，阿片類藥物的藥物獎賞效應(yīng)即成癮性會導(dǎo)致濫用傾向，并且這種精神依賴性很難戒斷。

條件性位置偏好（Conditioned Place Preference，CPP）實驗是一種廣泛應(yīng)用于藥物獎賞以及藥物渴求研究的動物模型評價的實驗方法。NPP在動物身上很難表現(xiàn)出來，CPP為研究動物的疼痛的程度及緩解和評價藥物的鎮(zhèn)痛作用提供有效的方式。該模型訓(xùn)練周期短，簡單易行，無藥狀態(tài)的測驗?zāi)芘懦幬飳y驗成績的干擾。該實驗利用環(huán)境位置偏愛箱進(jìn)行檢測，通過對比訓(xùn)練前后實驗動物在箱中停留時間的變化，來評價藥物的精神依賴性。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測系統(tǒng)下的CPP實驗裝置較為被動，存在脫標(biāo)、時間延遲問題以及數(shù)據(jù)分析的二分法對于光線的高度要求等問題。

因此，基于STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)的E18-D80NK紅外監(jiān)測系統(tǒng)在小鼠條件性位置實驗裝置的應(yīng)用，可以有效提高CPP實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，從而更好地評價藥物的精神依賴性。

2 基于STC89C52單片機(jī)的E18-D80NK紅外監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)建

本項目設(shè)計的實驗體流量計數(shù)器安裝在實驗箱的出入口處。當(dāng)傳感器探測到實驗體進(jìn)出時，產(chǎn)生的低電平會在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行脈沖計數(shù)。在單片機(jī)的驅(qū)動下，LCD顯示進(jìn)出的實驗體數(shù)目和實驗箱內(nèi)實時的實驗體數(shù)目。實驗結(jié)束后可使用復(fù)位按鍵對LCD進(jìn)行清零。系統(tǒng)主要由單片機(jī)、報警電路、紅外光電傳感器、顯示電路和按鍵電路等模塊組成，如圖1所示。

圖1 紅外監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3 數(shù)據(jù)交互的設(shè)計方案

當(dāng)傳感器探測到有實驗體進(jìn)出時，低電平會在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行脈沖計數(shù)。E18-D50NK反射式紅外傳感器的發(fā)射器與接收器集成。當(dāng)有實驗體從實驗箱出入口通過時，發(fā)射器發(fā)出的紅外光束會被實驗體反射，然后被接收器接收。隨著光信號的變化，光電元件的電信號也會隨之改變，形成脈沖信號。該信號送到單片機(jī)STC89C52內(nèi)計數(shù)。

4 LCD與STC89C52單片機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的設(shè)計方案

LCD1602在單片機(jī)的驅(qū)動下顯示人數(shù)信息，實現(xiàn)了實驗體進(jìn)出次數(shù)的實時統(tǒng)計。如圖2所示。工作前，通過復(fù)位電路使系統(tǒng)進(jìn)行初始化。與自動復(fù)位電路相比，手動復(fù)位不需要編寫程序。當(dāng)系統(tǒng)電路在工作電壓下進(jìn)行正常工作時，通過手動方式使單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。

圖2 單片機(jī)驅(qū)動LCD1602液晶的電路圖

5 實驗驗證及分析

5.1 測試實驗

這部分實驗是在設(shè)計的過程中進(jìn)行，驗證每一部分的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。

1）驗證LCD顯示：在開發(fā)板中進(jìn)行測試，觀察能否輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2）驗證傳感器：模擬實驗體進(jìn)出環(huán)境，使用示波器觀察傳感器是否正常輸出相應(yīng)高低電平數(shù)據(jù)。

3）驗證系統(tǒng)是否能夠正常啟動。

5.2 綜合實驗

主要在設(shè)計的系統(tǒng)上做補(bǔ)充性實驗，對系統(tǒng)的整體功能實現(xiàn)上進(jìn)行綜合實驗，同時考慮對設(shè)計性能進(jìn)行必要的測試，利用原實驗裝置和基于STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)的E18-D80NK紅外監(jiān)測系統(tǒng)的進(jìn)行條件性位置偏好實驗，收集數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。從而對課題給予有力的證明，驗證方案的可行性。

5.3 應(yīng)用實驗

針對傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)實驗裝置脫標(biāo)、時間延遲問題以及數(shù)據(jù)分析的二分法對于光線的高度要求等問題，在搭建的基于STC89C52單片機(jī)的E18-D80NK紅外監(jiān)測系統(tǒng)上，復(fù)現(xiàn)項目中實現(xiàn)功能的關(guān)鍵部分，然后在新系統(tǒng)上測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，并與之前測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，得出結(jié)論，從而驗證方案的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

經(jīng)實驗分析，本文設(shè)計的紅外監(jiān)測系統(tǒng)可以對實驗體進(jìn)行精準(zhǔn)度較高的監(jiān)測，并且有著良好的抗干擾性能。并且可以準(zhǔn)確直觀地觀察實驗數(shù)據(jù)，降低人為計數(shù)的誤差?？赏ㄟ^進(jìn)一步設(shè)計完善，并在醫(yī)學(xué)實驗領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。