在医学及生命科学研究中，实验动物扮演着不可或缺的角色，特别是在病原微生物的研究中，实验动物往往用于建立感染模型，为病原微生物的致病机理研究及药物筛选奠定了基础。为满足生命科学研究中对实验动物饲养和应用中的福利伦理^[1-2]及生物安全^[3-5]的要求，独立通风笼具(individual ventilated cages，IVC)作为成熟的实验动物饲养设备，在实验中的使用越来越广泛，已成为动物实验室的标准配置^[6]。IVC系统是指在密闭独立单元(笼盒或笼具)内，通过洁净气流高换气率独立通气，将废气集中外排的实验动物饲育与动物实验的设备^[7-8]，它在提高动物饲养密度的同时，能够达到防止致病微生物污染环境及动物之间交叉感染、保障动物健康的目的^[9-11]。IVC系统主要由一个换气主机及若干个笼架和笼盒组成。IVC系统中每个笼盒具有独立隔离特性，使得不同的动物实验能够共同使用一套IVC系统，满足了在科研实验中对实验动物进行分组的需求，进一步提高了实验效率和实验的灵活性。随着对实验动物福利的重视程度不断提升，能够同时确保动物福利和保障实验动物生物安全的IVC系统日益受到关注^[12-14]，其在科学研究中的应用范围和频次也不断扩大。

1 IVC使用的现状分析

在IVC密集化和高频次使用的过程中，存在如下影响使用便利性和生物安全性的问题。为满足不断增多的实验组需求，IVC设备管理者会将同一套IVC笼架上的不同笼位提供给不同的实验组使用。然而这可能导致一些管理漏洞，如操作人员未经允许打开其他项目组的笼盒；随意占用其他项目组的笼位等；笼位随意放置还可导致笼盒实验标签的混乱等。在生物安全实验室中，由于不同笼位的动物可能感染不同的病原微生物，笼位混乱会造成动物交叉感染、病原微生物泄漏后感染操作人员及污染环境的情况发生。由于科研实验的增加，IVC呈现高密度使用的特点，空间的充分利用导致笼盒之间的间隙越来越小，操作人员对笼盒进行取放时易碰撞相邻笼位上的笼盒，使原本正常放置的笼盒发生位置偏移，从而导致笼盒换气不畅。尤其在生物安全实验室中，按照国家规范及认可要求^[15-16]，每个IVC笼盒的通气接口都带有自密封的功能以防止病原泄漏^[17]。笼盒位置的偏离会导致笼盒通气接口的自动封闭，从而造成动物窒息死亡^[18]。在影响实验进程的同时，还违反了实验动物福利伦理要求。

2 锁盒自检IVC的组成及功能应用

为了有效解决IVC在实际使用过程中产生的问题，本研究在传统IVC系统的基础上，设计开发了一种可预约自控、带遥控锁及位置检测功能的IVC系统(以下简称锁盒自检IVC系统)。

锁盒自检IVC系统与传统IVC系统相似，包括换气主机、锁盒笼架、笼盒等主要部件。该系统在传统IVC的基础上，每个笼位上增设了推拉伸缩杆，用于锁定笼盒及自检，同时增设指示灯用于观察笼盒放置状态。此外，在主机上增设了网络通信模块，并配备了管理软件，用于远程的预约及控制。锁盒自检IVC系统能够精确控制每个笼位上笼盒的锁紧动作，并根据预约信息解锁相应笼位，可有效防止笼盒的误取和碰撞。

2.1 锁盒自检IVC的锁盒自检功能

为了防止笼盒的误操作或未经授权开启笼盒，锁盒自检IVC的每个笼位均增设了推拉伸缩杆，可伸出或缩回，从而达到锁紧或解锁笼盒的目的。当推拉伸缩杆伸出后，其底端与笼盒盒盖边沿的间隙小于笼盒取出时需要抬起的距离，笼盒不能被抬起，从而无法从笼架上取出；当推拉伸缩杆缩回后，其底端与笼盒盒盖边沿的间隙大于笼盒取出时需要抬起的距离，笼盒可以抬起并从笼架上取出(详见图 1)。

在此基础上，锁盒自检IVC系统在每个推拉杆顶部配备了薄膜压力传感器，传感器通过输出的电阻值信号来判断推拉伸缩杆伸长时是否顶到异物，以此来确认笼盒是否放置到位。当传感器未感受到压力时，电阻值无限大，指示灯显示绿色表示状态正常。当传感器检测到压力时，电阻值降低，薄膜压力传感器输出电阻值小于设定阈值，指示灯显示红色，提示笼盒放置异常。由此可防止由笼盒放置不到位导致的动物窒息死亡。

此外，该系统提供了一键检测按钮和紧急解锁按钮。一键检测按钮可用于现场或远程检测该笼架中所有未锁笼盒是否放置到位。紧急解锁按钮用于紧急情况时解锁所有笼盒。同时，系统配备了报警功能，在笼盒放置不当或锁盒受到强力取出等情况下发出警报，确保在紧急情况下及时干预。

2.2 锁盒自检IVC的管理软件

锁盒自检IVC系统配备有控制管理软件，软件可以对每个笼位的锁盒动作进行控制。通过软件还可以对笼位使用权限进行分级管理，从而提高锁盒自检IVC的操作效率和安全性(详见图 2、图 3、图 4)。管理软件的主要功能如下。

(1) 设定笼架型号及编号：根据实验室的实际情况设定笼架的最大层数和最大列数，自动生成色块矩阵。根据设定的最大笼架号，自动生成列表式笼架号表，也可以单独对某个笼架进行笼位数修改。

(2) 预约每个笼盒的使用时间：管理人员可以根据预约信息设置每个笼位的上锁和解锁时间，在预约时间段内，对应笼盒自动解锁。同时非预约时段和非预约笼位则保持锁定状态，避免误操作。

(3) 笼盒的一键检测：软件设有笼盒放置的一键检测按钮，管理人员可以在不进入实验区域的情况下，通过软件检测并确认笼盒是否放置到位。

(4) 笼盒的紧急解锁：软件设有紧急解锁按钮，在人员无法及时进入实验区域时，可以通过软件对某一个或几个笼位进行紧急解锁，从而确保实验动物的安全。

(5) 报警提示：当实验人员操作非预约笼盒或笼盒遭碰撞移位时，系统可检测到锁盒动作模块压力值的变化，软件主界面弹出报警提示框。

2.3 锁盒自检IVC的特点

锁盒自检IVC系统支持对笼位进行高效的系统化管理，实现笼位的预约使用功能，有效避免了传统实验动物管理中常见的“占笼盒”等问题。其主要特点如下。

(1) 利用推拉伸缩杆的升降将笼盒固定在笼位上，可以有效防止笼盒被误拿或因误撞导致的位置偏离。

(2) 利用升降推拉伸缩杆和压力薄膜开关的输出信号判断笼盒是否放置到位，确保笼盒放置到位。

(3) 通过检测推拉伸缩杆的动作状态，结合压力薄膜开关的信号变化，能够有效识别未经允许的取盒行为，并及时通知管理人员和操作人员。

(4) 借助管理软件的数据处理功能，根据预约信息，自动控制相应笼位的上锁和解锁，以确保不同项目组人员在同一环境中使用实验笼具的安全性和可控性。

3 讨论

随着医学及生命科学研究的快速发展，研究机构对实验动物的需求日益增长，实验动物设备则面临资源上的巨大挑战，现有的设备难以满足日益增加的动物实验需要^[19]。在IVC设备及笼位紧张的背景下会衍生出两种现象。

3.1 “抢占笼位”导致的实验室生物安全隐患

IVC在实际使用过程中往往多项目组共同使用同一笼架，使IVC资源得到充分利用。但同时会出现笼位“先占先用”的“抢占笼位”现象，进一步导致由于感染物质未及时消毒产生的实验室生物安全隐患。笼盒位置分配的不固定，也可能造成误开其他项目组笼盒，甚至误操作他人实验动物的问题。在生物安全实验室中，不同笼位的动物可能感染不同的病原微生物，如误开其他项目组笼盒，可能由于防护不到位、消毒不彻底的等原因导致操作人员被感染，实验室及外围环境被污染的情况发生。因此，迫切需要一套有效的管理策略，以确保在未经授权的情况下，笼盒不会被错误地移动或使用。目前为了管理多项目组共用的IVC设备，有些IVC笼架配备了光栅感应笼位管理系统。系统在笼架顶端和侧面安装了整条的红外感应光栅装置，通过上位机软件对笼架前端进行网格化管理。上位机软件能够通过检测顶端和侧面光栅装置中被遮断的区域，自动判断并记录笼盒位置的变动及取放的时间点。但现有的光栅感应笼位管理系统在实际应用中暴露出一些问题。一方面，其检测精度有限，在同时移动2个笼盒的情况下，系统无法准确分辨；另一方面，若发生笼盒误拿等情况时，只能事后根据笼盒拿取记录进行查询追责，无法在事发时，即时提示或阻止错误行为的发生。

锁盒自检IVC系统相比于光栅感应笼位管理系统，在检测精度上有显著提升，能够有效区分复杂操作情境下的笼盒状态，减少误操作的可能性。同时在问题发生时可提供即时反馈，避免了仅依赖事后记录查询的局限性。此外，通过软件的预约管理及锁定功能也能在多项目组共用一套IVC系统时有效避免误操作，为实验室管理人员提供便利，提高管理效率。

3.2 笼盒位置偏离导致实验动物死亡

为了满足不断增长的实验动物饲养需求，IVC系统向更高密度、更紧凑布局方向发展，以实现有限空间的最大利用，然而新的挑战也随之而来。由于笼盒间的间隙减小，操作人员的误碰、放置不到位，都可能导致笼盒位置偏移。位置偏移可影响笼盒内的换气，尤其是在生物安全实验室中，IVC笼盒均配备有自封闭的密闭接口，笼盒位置偏离可导致动物窒息死亡^[20]。在现有的IVC笼架系统中，针对笼盒位置偏移造成的换气受阻问题，已经有一些IVC在笼架上做了一些改进。例如，为了迅速识别笼盒放置是否到位，一些笼架在笼盒的前端安装一个可旋转的指示部件。未放入笼盒时，指示部件前段下沉，在搁杆底部露出一段红色标志。放入笼盒时，笼盒结构会压迫指示部件尾部，使其前端抬起，隐藏红色标志，从而确认笼盒是否放置到位。但该设计有一定的局限性。首先，指示部件不够醒目，在密集排列的笼位中，依靠人工目视检查效率较低，容易出现错误识别的现象。其次，指示部件只能检测笼盒前端放置是否到位，如果笼盒前端正确放置，而后端未完全放置到位，则无法被检测识别。特别是当操作人员使用底层或顶层笼位时，不当的操作极易出现笼盒前端位置正确而后端通气口未对准，导致笼盒通气不畅的问题。

锁盒自检IVC系统采用了自动检测及报警的设计以检测笼盒放置的到位情况，能有效避免虚位识别及人工目视检测出现的错误。

4 结语与展望

本文探讨了一种新型的锁盒自检IVC系统，该系统集成了IVC的遥控锁及位置检测功能，旨在解决传统IVC系统在使用中存在的管理及生物安全问题。针对现有指示部件在识别清晰度和检测范围上的不足，锁盒自检IVC系统采用了更为醒目的灯光指示及系统报警设计，能有效避免虚位识别，检测笼盒放置的情况。同时该系统在检测精度上有显著提升，能够有效区分复杂操作情境下的笼盒状态，降低误操作的可能性，还可在问题发生时提供即时反馈。总体来看，这种带遥控锁及位置检测功能的锁盒自检IVC系统，不仅提高了操作的准确性和高效率，而且为实验室动物管理带来了更高的安全性和可靠性。