关键词:
RFID天线阵列
读写器
电子标签
定位跟踪
生物遥测
摘要:
小鼠因为容易饲养且与人类生理病理相似,经常被用作药物研究的实验对象。监测其用药后的活动轨迹和生理参数变化有助于药物的优化和开发。传统定位跟踪技术定位跟踪小鼠时会因其活动范围小、外观相似度高而导致跟踪准确性下降,卫星遥测技术因成本高且需要专门的接收站进行数据处理,仅适用于大范围活动的动物的生理参数监测。为了长期监测小鼠用药后的活动轨迹和生理参数变化,本文提出并设计了基于RFID技术的笼内小鼠定位跟踪及生理参数监测系统,具体内容如下:首先针对小鼠活动轨迹的测量设计了定位跟踪系统,该系统由读写器多天线阵列板、多天线选择板、多天线控制板和上位机软件组成。考虑到小鼠体积大小,对天线阵列板的天线单元格建立了天线模型,在分析相关参数对天线等效电感的影响后,确定了单元格尺寸为45x45mm,加入天线匹配电路后,天线单元格内部有较为均匀的磁场分布。在设计了合理的天线间距后,通过验证,系统可以准确定位标签位置。为了减少潜在的天线阵列效应和能量浪费,设计了多天线选择板,该板可以通过控制时序和射频信号来控制每个天线单元格。通过多天线控制板中时序信号定时器时间的设置以及天线选择板中相关芯片的选择,使得两个连续的天线单元格之间的切换时间间隔小于25ms,保证了天线单元格在小鼠经过期间能够识别其体内标签。其次,针对小鼠生理参数的监测设计了生理参数监测系统,该系统由无线能量传输模块、植入式电子标签、RFID读写器和上位机软件组成。无线能量传输模块体外部分由读写器天线连接板组成,采用多匝矩形线圈绕在小鼠饲养笼周围的方式为植入式电子标签进行供电;体内部分主要由植入式电子标签天线及其谐振电路组成,标签不装载电池。考虑到用药后小鼠体温和活动量这两个参数变化最为明显,标签集成了相应传感器以测量上述参数。为了减轻标签对小鼠的负担,标签设计过程中全程采用微型化结构,整体尺寸仅为20x10x2mm,比一角硬币还要小。最后,在完成系统搭建后进行了模拟实验和生物实验。在模拟实验中,分别验证了定位跟踪系统中单个天线单元格读取标签的能力,以及生理参数监测系统中植入式电子标签测温性能以及测量活动量性能,模拟实验证明了系统性能的可行性,为生物实验提供了理论基础。在生物实验中,选用2只15g左右小亚成小鼠作为实验对象,对小鼠使用一定剂量的麻醉药后进行植入手术,实时跟踪显示了两只小鼠5分钟内的活动轨迹,小鼠在前1-2分钟处于相互远离的状态,随着时间的推移,两只小鼠快速且频繁地进行交互。随后进行长达10分钟的生理参数监测实验,结果显示,小鼠因麻醉药效而在监测全程中体温偏低且没有剧烈的活动行为,体温范围为34.5-35.5℃,活动量大部分均低于15mg/LSB。为了更好地研究麻醉药对小鼠的影响,又持续观察了小鼠3小时的体温变化,在实验进行的一个半小时左右后,小鼠体温逐渐升高,恢复至37℃左右,属于小鼠正常体温。实验证明,系统能够实时显示小鼠活动轨迹,并测得有效的体温和活动量。