一种新型自动常压低氧动物饲养舱的设计

全 勇，郝玉徽，李 勇，陈 芳，刘 源，谢鹏飞，庞家伟，王 崧*，王军平*

（1.陆军军医大学军事预防医学系全军复合伤研究所，创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室，重庆 400038；2.重庆国科诚远环境科技有限公司，重庆 400722）

0 引言

近年来，低氧对造血干细胞的作用越来越受到国内外学者的关注[1-3]，但由于大多数动物实验在非高原地区进行，低氧动物饲养舱成为开展低氧相关研究的必要条件[4]。低氧动物饲养舱主要分为低压低氧和常压低氧两大类[5]，前者是传统的高原低氧装备，通过真空泵抽出部分舱内气体以维持低压低氧环境，材料要求和制造成本较高，且操作不方便[6]；后者通过改变氮气和氧气的相对比例、降低氧分压来模拟低氧环境，更易制造和操作。目前，常压低氧动物饲养舱以高压低氧气体钢瓶供气居多，但高压气体钢瓶须频繁更换以持续通气，且脉冲式供气易造成二氧化碳、氨气等气体的积聚，可能对实验动物造成不良影响[7-8]。

针对现有低氧动物饲养舱的不足，本研究设计一种自动常压低氧动物饲养舱，运用模块化设计方法，通过比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）算法和反馈闭环自动调节控制氧气体积分数，采用双重气源及电源供应模式以确保装置的持续稳定运行，通过物联网技术将装置异常状态信息实时发送给实验人员，实现无人值守。

1 总体结构设计

本装置的总体结构设计如图1 所示。空气压缩机将压缩空气输送至低氧调节控制单元中的膜分离器，被膜分离器分离的氧气、氮气经质量流量控制器和电磁阀进入动物饲养舱，舱内氧传感器将氧气体积分数信号反馈给可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC），PLC 采用PID 算法作为系统控制算法将控制参数传输至质量流量控制器以实时调节气体流量，构成自动控制调节氧气体积分数的反馈闭环；不间断电源（uninterrupted power supply，UPS）在市电中断时为低氧调节控制单元供电，自动切换电磁阀通路，使标准气瓶中的低体积分数氧气进入动物饲养舱。整个装置通过上述的双重气源及电源供应以确保持续运行和舱内氧气体积分数的稳定。

图1 自动常压低氧动物饲养舱总体结构设计示意图

2 主要部件组成

本装置的主要部件包括空气压缩机、低氧调节控制单元、动物饲养舱、高压低氧钢瓶、UPS 以及数据传输单元（data transfer unit，DTU）模块等，如图2所示，实物图如图3 所示。装置后侧的气体管路主要包括动物饲养舱主舱供气管、旁路气源连接管和空气压缩机气源连接管，如图4 所示。

图2 自动常压低氧动物饲养舱组成部件示意图

图3 自动常压低氧动物饲养舱实物图

图4 自动常压低氧动物饲养舱后侧气体管路连接示意图

2.1 空气压缩机

本装置选用QWWJ-150 全无油静音空气压缩机。在空气压缩机出气端和膜分离器进气端之间有压缩空气过滤器和压力调节阀，其中压缩空气过滤器可过滤掉压缩空气中的有害物质，压力调节阀可通过调节气压实现对气体流速、流量的控制，为低氧调节控制单元提供稳定、可持续的压缩空气。

2.2 低氧调节控制单元

低氧调节控制单元主要由Airrane MNH-2022A高分子膜分离器、D07-23F 质量流量控制器、Smart200 ST30 型PLC、LZB-WB 玻璃转子流量计、JXM 氧传感器和DOP-107CV 人机接口组成。压缩空气在膜分离器进行氮氧分离后进入质量流量控制器，该控制器实时调节进入动物饲养舱的气体流量，PLC 接收氧传感器反馈信号，经PID 计算后再将控制参数传输给质量流量控制器，形成反馈闭环，实现对氧气体积分数的高精度控制；人机接口与PLC 相连，可通过手工输入设定动物饲养舱氧气体积分数和显示动物饲养舱实时参数。

2.3 动物饲养舱

动物饲养舱选用高透明度、低价格、具有良好力学性能的聚甲基丙烯酸甲酯（俗称亚克力或有机玻璃）作为舱体材料，分为主舱和过渡舱，主舱内有氧浓度测定仪及JXM 系列温湿度、二氧化碳和氨气检测仪。主舱前方斜面门可开启并设有可进入舱内操作的手套孔；主舱后侧设有多个进气孔，每个进气孔对应一个动物饲养盒，利用进气涡旋将动物饲养盒中积聚的污染气体排出，保持新鲜低氧空气的持续输入。主舱通过过渡舱与外界连通，主舱与过渡舱之间的隔离门及过渡舱设有多个排气孔，通过维持主舱内正压，驱动主舱内气体由隔离门排气孔进入过渡舱，再排放到外界，确保主舱内低氧环境的稳定与循环更新。

2.4 UPS 与高压低氧钢瓶

选用2000-A-2KTTS UPS 与低氧调节控制单元连接，当出现市电中断时，自动切换至UPS 供电，同时切换电磁阀通路，使高压低氧钢瓶中的低体积分数氧气经第二气路进入动物饲养舱，维持动物饲养舱内的低氧环境。

2.5 DTU 模块

DTU 模块选用型号为AF-GSM500-4G 的DTU。DTU 是专门用于将设备串口数据转换为IP 数据并通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。具体做法是在DTU 中插入已开通短信功能的SIM 卡，DTU 上电后先将SIM 卡注册到移动通信网络，使饲养舱系统数据处理中心具备短信发送功能。当发生市电断开、气体体积分数超标或其他需要告警情形时，DTU 即时发送告警短信到手机上，通知操作者及时到现场处理，避免实验受到影响。

3 运行效果评估

3.1 实验动物

选用20 只无特定病原体（specific pathogen free，SPF）级6～7 周龄雄性C57BL/6J 小鼠，体质量（20±2）g，购自湖南斯莱克景达实验动物有限公司，生产许可证编号：SCXK（湘）2019-0004。本实验经过陆军军医大学实验动物福利伦理审查委员会审核。

3.2 实验方法

采用随机数字表法将实验小鼠分为常氧对照组和低氧习服组，每组10 只，分别于常氧环境和常压低氧动物饲养舱中饲喂。低氧习服组小鼠入舱后，在人机界面输入氧气体积分数预设值12%，启动装置保持其连续运行，观察舱内的环境状况，并对装置的抗干扰能力进行模拟测试；在小鼠入舱前、入舱后第1、3、7、9、11、14、18、22、26、30 天分别采集小鼠尾静脉血，然后使用全自动血液分析仪Sysmex XT-2000i进行血常规检测分析。

3.3 实验结果

3.3.1 舱内温湿度变化

动物饲养舱内温度由外环境温度控制，而外环境温度通过空调维持。舱内温度维持在（22±2）℃，随着昼夜更替温差变化不大，温度保持稳定，如图5 所示。舱内温度满足GB 14925—2010[9]中的要求（20～26 ℃），且舱内日温差变化也在规定的4 ℃以内。

图5 自动常压低氧动物饲养舱内温度变化图

本装置启动时，由于输入气体的湿度较低，舱内相对湿度处于20%～30%的较低水平。放入小鼠后，由于动物的呼吸作用舱内相对湿度快速提升，最高升至50%以上，随后缓慢下降并维持在38%～50%之间，略低于GB 14925—2010 中关于环境湿度的要求（40%～70%），如图6 所示，可能与舱内饲养小鼠数量较少（10 只）有关。

图6 自动常压低氧动物饲养舱内相对湿度变化图

3.3.2 舱内氧气体积分数变化

本装置启动前，舱内氧气体积分数与外界保持一致，随后根据氧气体积分数设定值迅速下降并稳定在趋于设定值的区间范围，稳定后舱内氧气体积分数变化小于0.2%，如图7 所示。但由于小鼠的呼吸作用，舱内氧气体积分数与设定值偏差约稳定在0.5%，与文献[10]一致。

图7 自动常压低氧动物饲养舱内氧气体积分数变化图

3.3.3 舱内二氧化碳体积分数变化

舱内未放入小鼠时，二氧化碳体积分数约为800 ppm（1 ppm=1×10-6），放入小鼠后，舱内二氧化碳体积分数迅速上升至1 800～2 000 ppm并基本保持稳定。每天17 时左右二氧化碳体积分数开始进一步升高，21—23 时达到峰值3 300 ppm，随后逐渐下降至2 000 ppm，如图8 所示。推测二氧化碳体积分数呈脉冲式波动变化与小鼠的活动周期有关，即小鼠在夜间活动更频繁，由于呼吸作用所产生的二氧化碳明显增加，导致舱内二氧化碳体积分数升高。通过加强舱内通气或放置及更换钠石灰等措施可较好地控制二氧化碳体积分数[11]。

图8 自动常压低氧动物饲养舱内二氧化碳体积分数变化图

3.3.4 舱内氨气质量浓度变化

舱内氨气质量浓度在前3 d 一直保持在0 水平线，但在第四天仪器自动发出氨气质量浓度报警短信，而更换清洁垫料后氨气质量浓度迅速降为0，说明舱内通气可以维持3 d 内氨气不超标。但随着小鼠排泄物的堆积，舱内的氨气质量浓度持续升高，但仍低于GB 14925—2010 中氨气质量浓度不超过14 mg/m3的要求，如图9 所示，及时更换垫料能完全杜绝氨气积聚问题。

图9 自动常压低氧动物饲养舱内氨气质量浓度变化图

3.3.5 干扰测试及无人值守测试情况

打开过渡舱更换垫料、饲料和饮水后，舱内温湿度数值迅速发生变化，氧气体积分数上升至13%，但在10 min 左右，舱内氧气体积分数恢复到12%左右。进行断电测试时，空气压缩机停止工作，旁路供气模式启动，高压低氧钢瓶内的低氧气体进入到动物饲养舱内，舱内氧气体积分数无明显变化，仍保持正常运行。在断电、二氧化碳和氨气超标时，实验人员的手机均在第一时间接收到告警短信通知，如图10 所示，实现了“全时监测，无人值守”。

图10 自动常压低氧动物饲养舱报警短信界面截屏

3.3.6 舱内换气率检测

实际运行测试结果表明，常压低氧动物饲养舱在设定氧气体积分数为12%时，换气率约为12.1，符合GB 14925—2010 通气次数不少于10 次/h 的要求。

3.3.7 舱内及舱外噪声检测

在舱内、舱外正前方1 m，舱外左前方1 m，舱外右前方1 m 处用噪声仪（BSWA309，中科新悦）检测噪声，结果分别为49.8、55.6、54.1 dB，低于GB 14925—2010 中关于噪声的要求。

3.3.8 低氧习服小鼠外周血红细胞参数变化情况

由于红细胞对低氧反应最为敏感，因此主要比较常氧对照组和低氧习服组2 组小鼠的红细胞（RBC）、血红蛋白浓度（HGB）和红细胞压积（HCT）。低氧习服组小鼠进入动物饲养舱后，RBC、HGB 和HCT 即开始升高，3 d 时2 组差异有统计学意义（P<0.05），到14 d 左右差异达到最大（P<0.01）后缓慢下降，至30 d 仍高于常氧对照组（P<0.05），如图11 所示。该结果与使用低压低氧动物实验舱的研究报道基本一致[12]，说明本常压低氧动物饲养舱建立低氧动物模型可靠，可达到与其他低压低氧动物饲养舱相同的效果。

图11 自动常压低氧动物饲养舱内小鼠外周血血常规变化图

4 结语

为弥补现有低氧动物饲养舱的不足，本研究设计的自动常压低氧动物饲养舱从舱体材料、气源供应、电力保障、系统算法和远程告警等方面进行了改进：全透明舱体既可满足实验动物的光照需求，又方便对舱内实验动物进行实时观测和操作；双气源和双电源供应模式保证了饲养舱低氧环境的稳定维持和不间断工作；综合多参数实时监测、反馈闭环控制与PID 控制算法，做到自动调节和精确控制氧气体积分数；通过DTU 模块实现对饲养舱状态的全时监控。

综上，自动常压低氧动物饲养舱是一种可以在实验室中模拟常压低氧环境的设备，为开展低氧环境相关研究提供了基础条件。由于真实的高原环境还包括干燥、低温、高紫外线等气候条件，因此，在舱内增加紫外灯管以模拟紫外线环境，增加低温干燥装置，加大换气频率，对空气压缩机进行降噪吸音处理或通过将空气压缩机与饲养舱分开放置，最终设计制造出集低压、低氧、高紫外线、低温、低湿度、低噪声于一体的高度仿真高原低氧实验动物舱，将是今后的改进方向。