顾云璐 林陈心子 许 龙 王秋果 郭诗樱 王珉珉 李尚轩 刘柯遥

（1、徐州医科大学第一临床医学院，江苏 徐州221004 2、苏州大学苏州医学院，江苏 苏州215031 3、徐州医科大学麻醉学院，江苏 徐州221004）

1 概述

在现代生命科学领域包括疾病[1]、衰老等的研究中，动物实验[2]已经成为一个不可或缺的重要部分，实验动物包括小鼠、大鼠、比格犬、实验猴等能够很好的模拟人的生理现象，在人类的健康事业中起到不可替代的作用，其中实验小鼠[3]的使用最为广泛。目前使用的传统鼠笼功能有限[4]，市场上还没有集实时监测、反馈调控等功能于一体的鼠笼。实验人员无法实时监控小鼠生存状态、氨气浓度[5]、温度和湿度等[6]重要环境指标，同时进入常规饲养实验小鼠的SPF 鼠房[7]还需要经过更衣、淋浴等步骤，过程繁琐；小鼠聚集生活的习性使小鼠易发生攻击、挤压等事故[8-9]；实验人员更换垫料较为繁琐，对小鼠也有生理性刺激[10]。因此鼠笼的合理设计为实验小鼠创造适宜生存环境，保证实验结果准确具有重要意义。该新型便捷可控鼠笼的设计是针对以上几点传统鼠笼的弊端进行的改造，便于实验人员实时准确地掌握小鼠生存状态和环境指标，及时调控鼠笼内部状态，为小鼠提供更好的生存环境，提高科学实验的高效性与准确性。

2 仪器和方法

2.1 仪器

氨气- 温度- 湿度三合一传感器（济南九研电子，GY-AQWSD-A0）、摄像头（CONRING KL-mini-02）、单片机（STC89C51）、独立送风系统（苏州冯氏，ZJ-1）、可控制热风扇、透明隔板、饲料槽、四口水壶、抽屉式垫料盒、轮轴、铁丝底座。

2.2 方法

每次实验分别在实时监测的便捷可控鼠笼和传统鼠笼中各放4 只立体定位术后小鼠，其中实时监测的便捷可控鼠笼中每个隔间放1 只术后小鼠，传统鼠笼中的4 只术后小鼠作为对照组。在对照组中，实验人员按照常规的饲养方法对术后小鼠进行饲养；在改造后的鼠笼中，实验人员通过手机远程监测鼠笼内的氨气浓度、温度和湿度，观察每个隔间内小鼠的生存状况，当传感器监测到氨气浓度达到14mg/m3时，实验人员即可通过鼠笼底部的抽屉式垫料盒及时对垫料进行更换；通过步进电机控制风扇加热，为术后小鼠的恢复提供更适宜的环境。待实时监测的便捷可控鼠笼中的4 只术后小鼠恢复运动后，通过轮轴打开中间透明隔板，使原本4 个独立空间串通成一个整体空间；最后分析比较实验组小鼠与对照组小鼠的术后恢复状态。

3 鼠笼结构设计

3.1 鼠笼笼盖改造

鼠笼的最上层笼盖包含的进气口和出气口（图1，直径40mm）与重新设计的独立送风系统相匹配。在第二层金属笼盖的中间部位处呈现一个“凹”字型，在此放置一个特制的四口长方体水壶（内直径0.5mm），其四个出水口分别对应隔板所隔开的四个活动空间（图2，90x60x60mm）。在水壶的四周放置小鼠所需要的食物。

图1 鼠笼笼盖结构图

图2 四口水壶结构图

3.2 鼠笼内部结构改造

鼠笼内左侧上部放置一个摄像头，用于观察小鼠生存情况；根据气体扩散模型在出气孔的下方放置氨气-温度- 湿度三合一传感器（图1），用于收集环境质量数据并通过单片机将数据传递给电脑端；鼠笼内的隔板采用合金材质[11]，将其分为一个封闭空间和四个活动空间，其中氨气- 温度- 湿度三合一传感器和摄像头安装在封闭空间内，防止实验仪器被实验小鼠咬坏；转动中间的轮轴可调控隔板（图3，50x60mm），使四个活动空间发生变化，从四个隔开的活动空间转变为一个连通的空间，便于小鼠活动。

图3 可转动隔板与轮轴结构图

3.3 鼠笼底部结构改造

去除传统鼠笼的底部，在原有底部处加一个铁丝隔网和一个抽屉式垫料盒。垫料盒里面放置一个IVC 平板（420x240mm），一端用一个转轴固定在垫料盒上（420x240x30mm），另一端安装一个卡扣，可以与鼠笼外壁相扣用于固定。铁丝隔网可避免小鼠掉落，垫料盒与IVC 平板共同用于更换垫料（图1）。

4 独立送风系统改进

独立送风系统的改进采用的是步进电机控制的可加热型风扇，当温度过低时[12]或术后小鼠刚放入时，步进电机控制风扇加热，适当升高温度[13]。鼠笼内的传感器利用无线通信将信息传递给单片机[14]，再传递给电脑端，单片机和电脑端同时反馈信息给步进电机调控温度与风速，达到双重控制的效果。电脑端还会将信息传递给手机，使实验人员能够实时监控（图4）。

5 实验验证及结果分析

5.1 鼠笼内部氨气、温度、湿度监测的结果

安装并使用氨气- 温度- 湿度三合一传感器[15]和改进的独立送风系统。结果表明实时监测的便捷可控鼠笼可以调控温度升高，有效解决低温对小鼠术后恢复的影响。通过手机接收的信息监测实时监测的便捷可控鼠笼内的环境指标。当氨气浓度达到14mg/m3时，可以提醒实验人员及时去更换垫料，避免氨气浓度过高对实验小鼠健康生存的影响。

5.2 实时观察鼠笼内小鼠的生存状态

分别在实时监测的便捷可控鼠笼和传统鼠笼中放4只术后小鼠，新设计的鼠笼中每个隔间1 只术后鼠。结果表明，使用摄像头及其相应的Blue cam APP 后，通过手机可以随时随地观察新型智能鼠笼内的小鼠生存情况（图5）。该结果说明摄像头可以达到实验目的，安装简便且位于封闭空间内，不会被实验小鼠咬坏，可以安全使用。

5.3 鼠笼内部空间的转换

实时监测的便捷可控鼠笼内的隔板可以通过转动轮轴来达到切换空间结构的目的。术后小鼠在术后恢复期，转动轮轴形成四个隔开的活动空间，避免术后小鼠出现踩踏挤压等行为造成实验损失；待术后小鼠恢复后转动轮轴来形成一个连通的空间，避免小鼠出现社交方面的问题[16]。

5.4 鼠笼更换的垫料的方式

实时监测的便捷可控鼠笼的底部使用的抽屉式垫料盒，可以达到方便科研人员更换垫料的目的，同时也减少了对实验小鼠的刺激。

6 讨论

a.通过传感器和摄像头，实验人员可实时监控鼠笼内部情况，并在独立送风系统的反馈下，调控笼内氨气浓度、温度和湿度；b.利用隔板创造安全空间，为术后小鼠的恢复提供适宜的环境，并运用旋转原理，待术后小鼠恢复后，实验人员可旋转部分隔板扩大空间以避免小鼠出现社交问题；c.对鼠笼底部进行改造，设计一个垫料盒更换垫料，可以有效减少对小鼠的生理刺激。实验人员通过手机连接摄像头可远程观察鼠笼内小鼠的生存状态和氨气浓度、温度和湿度等指标；鼠笼内术后鼠没有出现踩踏打架和死亡的情况；实验人员更换垫料更便捷且对小鼠影响较小。最终的实验结果表明：实时监测的便捷可控鼠笼可有效提高小鼠的存活率，证实了该实时监测的便捷可控鼠笼的使用可提高实验的高效性和准确性，打破了传统鼠笼的局限，具有一定的应用价值。