这是一篇特别的10分论文：如何趁仓鼠不注意给它测心率
给小型实验动物测心率是一项复杂的工作，常常需要进行固定甚至麻醉。为解决这一问题，康奈尔大学博士候选人回晓楠与导师甘致群提出了一种非接触性生命体征测量方法，相关论文登上了 Science Advances（当年 IF=11.51）。“科研圈”通过邮件对回晓楠进行了采访。
图片来源：Pixabay
撰文 戚译引
当你出入有近场通信 NFC（Near Field Communication）门禁的小区，刷卡坐公交、地铁，通过高速公路 ETC（Electronic Toll Collection）自动收费通道，或者打开手机追踪网购的商品到哪了，你实际上都用到了同一种技术，那就是无线射频识别（radio frequency identification，RFID），这一技术如今正与其他物联网（IoT）技术一起提升着人们生活的便利性。近日，还有研究人员基于这一技术，开发了测量动物生命体征的新方法。
康奈尔大学（Cornell University）电气与计算机工程学院博士候选人回晓楠（Xiaonan Hui）与导师甘致群（Edwin C. Kan）在 Science Advances 发表论文《对清醒小型动物的非接触性生命体征测量》（No-touch measurements of vital signs in small conscious animals）。这不仅有望帮助研究人员和众多的实验动物摆脱传统方法测心率的痛苦过程，未来或许还能帮助宠物主人们更好地监控宠物的健康。
给小鼠测心率分几步？
对于一些从事心血管疾病研究的科学家来说，实验动物的心跳、血压都是重要的生理指标。然而，这个领域的外行人可能无法想象，给小鼠或大鼠测心率究竟有多麻烦。
一种比较简单粗暴的方式就是将动物固定在专门的仪器上进行测量，例如尾套法或动物用心电图仪。这类操作可能会导致动物出现应激反应，有时候还需要借助麻醉，这些情况都会对动物的心率造成干扰。而如果要长时间对清醒、自由活动的动物进行监测，可以使用植入式生理信号无线遥测系统。这类设备价格相对昂贵，它要求通过手术对动物植入设备，并且如果电池电量耗尽，还需要重新手术更换。
而且，为了保证感应器器紧贴皮肤，一般需要对动物进行剃毛或限制活动，有时候甚至需要进行麻醉、皮肤穿刺或通过手术植入设备。这不仅增加了研究人员的工作量，对动物来说也是一件残忍的事情；而且当动物处于应激或麻醉状态，心跳等生理指标也会一定程度上受到影响，这有可能对实验结果造成干扰。
图片来源：Pixabay
人类的智能手表技术也不适用于大多数动物。智能手表一般采用光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，PPG），表盘背面的绿色 LED 灯每秒钟发出几百次闪光，光传感器对反射回来的光线进行监测，通过反射光强的变化计算出人的心跳。这一技术依赖与皮肤的直接接触，而动物的毛发会干扰测量。（而且会反射光线的不光是手腕，曾经有网友用智能手表测出了卷纸和香蕉的“心率”。）
嘀——RFID 卡！
另一项看起来毫不相干的技术却派上了用场，这就是 RFID，目前被广泛应用在仓储物流管理、公交地铁票务系统等方面。以公交卡为例，卡片中携带着由线圈和芯片构成的 RFID 标签，当卡片靠近读卡器的时候，读卡器发出的电磁波在线圈中激发出感应电流，使芯片发出信号，被读卡器接收。
公交卡中使用的一般是近场通信（NFC）无源标签，也就是说它不携带电源，依靠电磁感应运行，但是通信距离较短。被应用到这个项目的 RFID 系统工作在 900 MHz 附近的 UHF 频段，拥有更长的通信距离（10-15米）和更小的标签体积。（这一技术常见于高速公路的 ETC 通道，它与公交卡的 NFC 技术相近但拥有更强大的性能。）在 RFID 这一领域中，无源标签成本低廉（0.3-0.5元），轻巧便携，无需维护、充电更换电池，缺点是感应距离有限；相比之下，携带了电源、能够自主发送信号的有源标签能实现长达几百米的通信距离，当然它也更大、更昂贵。
商场中使用的 RFID 标签示意图。图片来源：Wiki Commons
那么，RFID 技术是怎样“跨界发展”，被用在动物身上的？
回晓楠告诉“科研圈”，他们原本计划开发更舒适、廉价的人类生命体征监测手段，只要在每位患者的衣服上添加一个 RFID 标签，医院就能用一台设备同时对许多人的生命体征进行监测。这项技术被命名为近场相干传感（Near-field Coherent Sensing，NCS），2018 年 1 月，他和导师在 Nature Electronics 发表了相关论文。
NCS 技术的灵敏度和空间解析度非常理想，信号质量很好，因此他们开始尝试把它用在更小的动物身上。一般而言，较小的动物发出的生命体征信号强度更弱、频率更高。实验用小鼠的正常心率高达每分钟 200-600 次，而健康成年人的静息心率在每分钟 60 到 100 次之间。
在和从事动物研究的科学家交流后，回晓楠等人发现了传统技术的不足，并尝试填补这一空白。
RFID 的全新打开方式
回晓楠和导师甘致群在论文中提出了一种测量动物心率的新方法。将一个无源 RFID 标签放置在靠近动物的地方，它就能作为信号的“中转站”，将多路谐波读取器（multiplexing harmonic reader）和动物的生命体征信号连接起来。读取器发送的信号被标签感应后，标签对动物发送信号，并将反射回来的信号传输给读取器。在这个过程中，动物体表和体内的变化都会影响反射回来的信号；通过分析信号的周期性变化，就能计算出动物的呼吸和心跳。
参与测试的金地鼠“Timo“，图片由受访者提供。
每一个标签都带有独特的识别码，所以一台读取器可以同时对多只动物进行监测。只要对芯片采取一定的保护措施，让它免受天气的影响，就能在自然环境中使用。如果希望减少环境干扰，可以将标签直接与读取器连接，这种设置也可适合实验室环境。研究人员在啮齿类、鸟类、爬行动物和鱼类身上进行了实验，只要动物在 RFID 标签的感应距离之内，设备就能准确记录它们的心率和呼吸频率。感应距离的长度约为信号波长的三分之一，研究中使用的信号频率为 950 MHz，那么感应距离约为 10 厘米。
论文中指出：“对基于心率变化的行为学研究而言，在对心率进行比较时，NCS 的准确度足以取代心电图 ECG。”并且，NCS 还能同步收集呼吸频率信息，这是光靠 ECG 做不到的。
研究下一步：给宠物的智能项圈？
如果有研究人员对这一技术感兴趣，什么时候才能用上它？回晓楠告诉“科研圈”：“目前设备还处在研究原型阶段，操作起来需要借助一定的专业知识。不过，如果其他研究人员想要使用这个系统，我们也已经在研究工作中列出了所有的参考文献来源，可供大家参考。此外，我们还在进行相关工作，让系统能够大规模生产，从而更容易被普通用户使用。”
回晓楠介绍，接下来计划进一步改进这个系统，与合作者们一同探索动物行为监测和疾病诊断方向。与此同时，他们还在推动这一技术的商业化，以将其用于监测猫、狗等宠物的生命体征。NCS 技术的出现或许将让能够记录宠物心率的智能项圈成为可能。
许多技术最后的使用范围都会远远超出发明者的想象。今天无处不在的 RFID 技术最初诞生于二战期间，英国军方用它来识别飞机的身份，以区分敌我。NCS 技术也是一样，它的初衷是服务医疗，如今已经延伸到动物福利领域。而作为一项新兴技术，它的未来还很长。
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