這是一篇特別的10分論文：如何趁倉鼠不注意給它測心率

給小型實驗動物測心率是一項複雜的工作，常常需要進行固定甚至麻醉。為解決這一問題，康奈爾大學博士候選人回曉楠與導師甘致群提出了一種非接觸性生命體征測量方法，相關論文登上了Science Advances（當年 IF=11.51）。「科研圈」通過郵件對回曉楠進行了採訪。

圖片來源：Pixabay

撰文 戚譯引

當你出入有近場通信 NFC（Near Field Communication）門禁的小區，刷卡坐公交、地鐵，通過高速公路 ETC（Electronic Toll Collection）自動收費通道，或者打開手機追蹤網購的商品到哪了，你實際上都用到了同一種技術，那就是無線射頻識別（radio frequency identification，RFID），這一技術如今正與其他物聯網（IoT）技術一起提升著人們生活的便利性。近日，還有研究人員基於這一技術，開發了測量動物生命體征的新方法。

康奈爾大學（Cornell University）電氣與計算機工程學院博士候選人回曉楠（Xiaonan Hui）與導師甘致群（Edwin C. Kan）在Science Advances發表論文《對清醒小型動物的非接觸性生命體征測量》（No-touch measurements of vital signs in small conscious animals）。這不僅有望幫助研究人員和眾多的實驗動物擺脫傳統方法測心率的痛苦過程，未來或許還能幫助寵物主人們更好地監控寵物的健康。

給小鼠測心率分幾步？

對於一些從事心血管疾病研究的科學家來說，實驗動物的心跳、血壓都是重要的生理指標。然而，這個領域的外行人可能無法想像，給小鼠或大鼠測心率究竟有多麻煩。

一種比較簡單粗暴的方式就是將動物固定在專門的儀器上進行測量，例如尾套法或動物用心電圖儀。這類操作可能會導致動物出現應激反應，有時候還需要藉助麻醉，這些情況都會對動物的心率造成干擾。而如果要長時間對清醒、自由活動的動物進行監測，可以使用植入式生理信號無線遙測系統。這類設備價格相對昂貴，它要求通過手術對動物植入設備，並且如果電池電量耗盡，還需要重新手術更換。

而且，為了保證感應器器緊貼皮膚，一般需要對動物進行剃毛或限制活動，有時候甚至需要進行麻醉、皮膚穿刺或通過手術植入設備。這不僅增加了研究人員的工作量，對動物來說也是一件殘忍的事情；而且當動物處於應激或麻醉狀態，心跳等生理指標也會一定程度上受到影響，這有可能對實驗結果造成干擾。

圖片來源：Pixabay

人類的智能手錶技術也不適用於大多數動物。智能手錶一般採用光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography，PPG），錶盤背面的綠色 LED 燈每秒鐘發出幾百次閃光，光感測器對反射回來的光線進行監測，通過反射光強的變化計算出人的心跳。這一技術依賴與皮膚的直接接觸，而動物的毛髮會干擾測量。（而且會反射光線的不光是手腕，曾經有網友用智能手錶測出了捲紙和香蕉的「心率」。）

嘀——RFID 卡！

另一項看起來毫不相干的技術卻派上了用場，這就是 RFID，目前被廣泛應用在倉儲物流管理、公交地鐵票務系統等方面。以公交卡為例，卡片中攜帶著由線圈和晶元構成的RFID 標籤，當卡片靠近讀卡器的時候，讀卡器發出的電磁波在線圈中激發出感應電流，使晶元發出信號，被讀卡器接收。

公交卡中使用的一般是近場通信（NFC）無源標籤，也就是說它不攜帶電源，依靠電磁感應運行，但是通信距離較短。被應用到這個項目的 RFID 系統工作在 900 MHz 附近的 UHF 頻段，擁有更長的通信距離（10-15米）和更小的標籤體積。（這一技術常見於高速公路的 ETC 通道，它與公交卡的 NFC 技術相近但擁有更強大的性能。）在 RFID 這一領域中，無源標籤成本低廉（0.3-0.5元），輕巧便攜，無需維護、充電更換電池，缺點是感應距離有限；相比之下，攜帶了電源、能夠自主發送信號的有源標籤能實現長達幾百米的通信距離，當然它也更大、更昂貴。

商場中使用的 RFID 標籤示意圖。圖片來源：Wiki Commons

那麼，RFID 技術是怎樣「跨界發展」，被用在動物身上的？

回曉楠告訴「科研圈」，他們原本計劃開發更舒適、廉價的人類生命體征監測手段，只要在每位患者的衣服上添加一個 RFID 標籤，醫院就能用一台設備同時對許多人的生命體征進行監測。這項技術被命名為近場相干感測（Near-field Coherent Sensing，NCS），2018 年 1 月，他和導師在Nature Electronics發表了相關論文。

NCS 技術的靈敏度和空間解析度非常理想，信號質量很好，因此他們開始嘗試把它用在更小的動物身上。一般而言，較小的動物發出的生命體徵信號強度更弱、頻率更高。實驗用小鼠的正常心率高達每分鐘 200-600 次，而健康成年人的靜息心率在每分鐘 60 到 100 次之間。

在和從事動物研究的科學家交流後，回曉楠等人發現了傳統技術的不足，並嘗試填補這一空白。

RFID 的全新打開方式

回曉楠和導師甘致群在論文中提出了一種測量動物心率的新方法。將一個無源 RFID 標籤放置在靠近動物的地方，它就能作為信號的「中轉站」，將多路諧波讀取器（multiplexing harmonic reader）和動物的生命體徵信號連接起來。讀取器發送的信號被標籤感應後，標籤對動物發送信號，並將反射回來的信號傳輸給讀取器。在這個過程中，動物體表和體內的變化都會影響反射回來的信號；通過分析信號的周期性變化，就能計算出動物的呼吸和心跳。

參與測試的金地鼠「Timo「，圖片由受訪者提供。

每一個標籤都帶有獨特的識別碼，所以一台讀取器可以同時對多隻動物進行監測。只要對晶元採取一定的保護措施，讓它免受天氣的影響，就能在自然環境中使用。如果希望減少環境干擾，可以將標籤直接與讀取器連接，這種設置也可適合實驗室環境。研究人員在嚙齒類、鳥類、爬行動物和魚類身上進行了實驗，只要動物在 RFID 標籤的感應距離之內，設備就能準確記錄它們的心率和呼吸頻率。感應距離的長度約為信號波長的三分之一，研究中使用的信號頻率為 950 MHz，那麼感應距離約為 10 厘米。

論文中指出：「對基於心率變化的行為學研究而言，在對心率進行比較時，NCS 的準確度足以取代心電圖 ECG。」並且，NCS 還能同步收集呼吸頻率信息，這是光靠 ECG 做不到的。

研究下一步：給寵物的智能項圈？

如果有研究人員對這一技術感興趣，什麼時候才能用上它？回曉楠告訴「科研圈」：「目前設備還處在研究原型階段，操作起來需要藉助一定的專業知識。不過，如果其他研究人員想要使用這個系統，我們也已經在研究工作中列出了所有的參考文獻來源，可供大家參考。此外，我們還在進行相關工作，讓系統能夠大規模生產，從而更容易被普通用戶使用。」

回曉楠介紹，接下來計划進一步改進這個系統，與合作者們一同探索動物行為監測和疾病診斷方向。與此同時，他們還在推動這一技術的商業化，以將其用於監測貓、狗等寵物的生命體征。NCS 技術的出現或許將讓能夠記錄寵物心率的智能項圈成為可能。

許多技術最後的使用範圍都會遠遠超出發明者的想像。今天無處不在的 RFID 技術最初誕生於二戰期間，英國軍方用它來識別飛機的身份，以區分敵我。NCS 技術也是一樣，它的初衷是服務醫療，如今已經延伸到動物福利領域。而作為一項新興技術，它的未來還很長。

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