用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测平台

本发明涉及动物生命体征监测，具体为用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测平台。

背景技术：

1、低氧性相关疾病涵盖高原病（急/慢性高山病、急性肺水肿、急性脑水肿等）、呼吸系统疾病（如慢性阻塞性肺疾病、急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征、重症肺炎等）、心肺血管疾病（如肺动脉高压、心力衰竭）、睡眠相关疾病（如阻塞性睡眠呼吸暂停）及脑缺血性疾病（如脑卒中、脑损伤）、急性物理、化学因素所致缺氧等多种严重威胁人类健康的疾病，其共同病理基础为低氧暴露引发的机体氧供需失衡及多器官损伤。随着国家建设、高原资源开发、载人航天及远洋航海等重大战略的深入推进，急进高原、长期驻留高原以及从事特殊环境作业的人群规模持续扩大，对低氧性疾病的发病机制解析、预防药物研发及治疗方案优化提出了迫切需求。

2、在低氧性疾病的基础研究中，小动物模型是解析疾病病理机制和评价干预效果的核心工具。血氧饱和度（spo2）作为评估机体氧合状态的核心指标，直接反映血红蛋白结合位点被氧占据的比例，能够准确评价肺部气体交换效率及外周组织氧输送能力，是低氧血症早期诊断和药物干预效果评价的关键定量终点。然而，现有针对实验动物的血氧监测技术在应用于低氧性疾病动物模型时，存在诸多难以克服的缺陷。

3、目前，主流的小动物血氧监测技术主要分为四类：第一类是传统小动物版指夹式血氧仪，采用微型led和光传感器，适用于麻醉状态下动物爪子、兔耳等部位的监测，但无法对清醒自由活动的动物进行测量，且存在运动伪影严重、低灌注状态下信号质量差的问题；第二类是以mouseoxplus为代表的第二代脉搏血氧仪，可用于清醒动物的多部位监测，对低灌注的适应性优于传统设备，但仍采用外固定方式，动物运动、搔抓及应激引起的血流波动会严重干扰数据质量，且无法在低压低氧舱等特殊环境中同步应用；第三类是新型可穿戴与植入式传感器，包括局部穿戴式光声探测器和微型植入式传感器，前者在低压环境下易因动物体型改变导致设备移位，严重低氧时光声信号信噪比显著下降，后者未针对低氧极端环境优化，低压可能影响其密封性与电磁耦合效率，且尚处于原型阶段，成本高昂、生物相容性有待验证；第四类是缺氧箱内遥控操作系统，通过箱内外部装置实现血氧测量，但结构复杂、制造成本高、操作繁琐，无法在大型低压低氧舱中推广应用。

4、综上，现有技术存在四大核心缺陷：一是无法实现原位实时连续监测，将动物移出低氧环境测量会导致“富氧偏移”，造成数据严重失真；二是低氧极端环境下监测稳定性差，信号易受运动伪影、低灌注及环境因素干扰；三是检测操作本身会引发动物应激反应，导致生理参数改变，降低研究结果的真实性和可重复性；四是部分新型装置结构复杂、成本高昂，难以在常规实验室大规模应用。因此，亟需开发一种能够在动物清醒自由活动、无应激状态下，对各类低氧环境中的小动物进行原位、实时、连续、精准生命体征监测的平台，以突破现有技术瓶颈，推动低氧性疾病基础研究和药物研发的发展。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测平台，解决了现有血氧监测技术存在数据失真、低氧不稳、人为应激及成本高昂的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测平台，包括植入式微型血氧传感器、外部无线供能模块和外部数据处理终端，所述植入式微型血氧传感器整体尺寸不超过，采用三层堆叠结构，自上而下依次为光学感知层、柔性电路层和无线供能与控制层，外侧整体包覆生物兼容封装层；

3、所述光学感知层包含微血管定向反射式光学传感组件，用于采集实验动物皮下目标血管的光电容积脉搏波信号；

4、所述柔性电路层集成有模拟信号调理组件和主控与血氧解算组件，所述模拟信号调理组件用于将光信号转换为电信号并进行放大滤波处理，所述主控与血氧解算组件内置低氧环境动态补偿模型，用于解算获得血氧饱和度、心率及组织灌注指数参数；

5、所述无线供能与控制层包含无线供能组件、无线通信组件和电磁隔离组件，所述无线供能组件与外部无线供能模块通过磁耦合实现无电池供电，所述无线通信组件用于将解算后的生理参数无线传输至外部数据处理终端，所述电磁隔离组件用于消除无线供能磁场对光学检测信号的干扰；

6、所述外部无线供能模块布置于实验动物活动区域外围，为植入式微型血氧传感器提供稳定的无线能量；

7、所述外部数据处理终端用于接收、显示、存储生理参数，并生成动态变化曲线及异常预警。

8、优选的，所述微血管定向反射式光学传感组件包括第一发光器件led1、第二发光器件led2、光电探测器pd、光学隔离墙和透明光学窗口；

9、所述led1发射波长为620～680的红光，所述led2发射波长为850～940的近红外光，所述pd为感光面积0.5～1、暗电流≤1na的高灵敏度硅光电探测器；

10、所述led1与led2位于pd同侧，形成反射式检测结构，led与pd的中心距离控制在1.0～3.5，对应光穿透深度为0.5～2.5，与小鼠颈总动脉、股动脉的血管尺度相匹配；

11、所述光学隔离墙采用黑色、掺碳吸光聚合物或金属遮光层制成，高度高于发光面，用于阻断直射光进入形成的串扰。

12、优选的，所述生物兼容封装层采用双层复合结构，内层为阻隔层，采用厚度5～20的薄膜或/复合薄膜，水汽透过率≤g/，用于阻隔体液和离子渗透；

13、外层为柔性缓冲层，采用厚度100～1000的医用级或硅胶，邵氏硬度为20～30，用于降低器件与组织间的机械摩擦，减轻纤维包裹和异物反应；

14、所述透明光学窗口区域采用厚度≤10μm的高透光率封装，透光率≥92%。

15、优选的，所述模拟信号调理组件依次包括跨阻放大器、低噪声放大器、带通滤波器、自动增益控制电路和模数转换器；

16、所述跨阻放大器增益为，用于将输出的级光电流转换为电压信号；

17、所述带通滤波器为二阶巴特沃斯滤波器，通带频率范围为，覆盖小鼠和大鼠的心率范围；

18、所述自动增益控制电路动态调整增益范围为，适应低灌注下信号强度的变化；所述模数转换器为12位分辨率，采样率为。

19、优选的，所述低氧环境动态补偿模型的输入参数包括双波长比值参数、灌注指数、环境压力、环境温度和动物心率，补偿关系为；

20、所述模型能够根据环境压力和温度的变化自动修正血氧标定曲线，消除低压、低氧、低温及低灌注多重扰动对血氧解算精度的影响。

21、优选的，所述无线供能组件包括平面螺旋微线圈和电源管理电路；

22、所述平面螺旋微线圈布置于柔性基板尾部，线宽50μm，线间距50μm，匝数15～20匝，外径6mm×4mm，工作频率为13.56mhz；

23、所述电源管理电路集成整流桥、滤波电容和低压差线性稳压器，整流效率≥80%，输出3.3v稳定直流电压；

24、所述外部无线供能模块的供能距离为20～100mm，供能效率≥15%，覆盖标准小鼠笼具范围。

25、优选的，所述电磁隔离组件采用三重隔离机制：空间隔离，将无线供能线圈布置于传感器尾部，光学检测单元布置于传感器头部，两者间距≥5mm；

26、接地屏蔽，在模拟信号区域下方设置铜箔接地屏蔽层，覆盖整个光学传感和信号调理电路；

27、时间隔离，采用时分复用机制，供能期间暂停采样，采样期间关闭高频供能激励，切换频率为1khz。

28、优选的，所述植入式微型血氧传感器优选植入于实验动物颈总动脉上方0.5～2mm范围内的皮下组织区域，或股动脉旁、腋动脉旁及背部皮下浅表血管区域；

29、采用微创皮下植入方式，切口长度为5～10mm，通过可吸收缝线完成皮下固定，植入后连续监测时间不少于72h，工作压力范围为30～101kpa，工作温度范围为-10℃～40℃。

30、优选的，所述无线通信组件采用433频段的低功耗射频通信，数据速率为1，数据包长度为32字节，包含设备id、血氧饱和度值、心率、灌注指数和状态信息；

31、数据丢包率，通信距离，可同时支持16个植入式微型血氧传感器并行通信；

32、所述外部数据处理终端内置32闪存，可存储年的监测数据，支持多通道同步显示、数据导出及血氧过低、心率异常、信号丢失的声光报警。

33、用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测方法，包括以下步骤：

34、s1、将植入式微型血氧传感器通过微创方式植入实验动物皮下目标血管邻近区域，术后给予抗感染和镇痛处理，待动物恢复至正常活动状态；

35、s2、启动外部无线供能模块，通过磁耦合方式为植入式微型血氧传感器提供稳定的无线能量；

36、s3、主控芯片控制红光和近红外依次脉冲发光，光信号经皮下组织照射目标血管，血液中的氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白产生差异吸收，经组织散射后的反射光返回光电探测器，转换为光电流信号；

37、s4、模拟信号调理组件对光电流信号进行放大、滤波和模数转换，输出高信噪比的光电容积脉搏波信号；

38、s5、主控芯片提取光电容积脉搏波的波形特征，计算红光和红外光的比值，获得双波长比值参数，结合灌注指数、环境压力、环境温度和心率参数，通过低氧环境动态补偿模型解算得到实时血氧饱和度、心率及组织灌注指数；

39、s6、无线通信组件将解算后的生理参数实时传输至外部数据处理终端，终端显示多通道生理参数数值及动态变化曲线，存储监测数据并在参数异常时发出预警。

40、本发明提供了用于低氧性相关性疾病的动物动态生命体征监测平台。具备以下有益效果：

41、1、本发明通过皮下植入式无物理连接的监测方式，并配合全无线磁耦合供能与数据传输架构，完成动物全程自由活动状态下的原位实时连续监测效果，彻底解决了传统技术需移出动物导致的血氧状态逆转与数据失真问题。

42、2、本发明通过针对低氧极端环境优化的血氧解算模型，并配合定向光学传感结构与多重电磁抗干扰设计，完成复杂极端条件下信号的稳定采集与精准解算效果，克服了低灌注、环境扰动引发的信号失效与测量偏差。

43、3、本发明通过亚厘米尺度的微型化器件设计，并配合微创植入工艺与生物兼容封装结构，完成动物术后无应激自然活动的监测效果，消除了抓取、束缚等人为操作引发的生理参数波动，提升实验数据的真实性。

44、4、本发明通过模块化分体式系统架构，并配合标准化植入器件与多节点并行通信设计，完成高通量、低成本的大规模动物实验监测效果，降低了设备投入与操作复杂度，便于在常规实验室推广应用。