Suivi des signes vitaux à l'éveil d'une souris non restreinte

Introduction. Le suivi des signes vitaux d'une souris à l'éveil est crucial pour le suivi post-opératoire, tester des médicaments, l'évaluation comportementale et du stress. L'étalon or actuel est la télémétrie qui nécessite une implantation par chirurgie avec les inconvénients qui l'accompagne. Cette étude propose trois méthodes non-invasives différentes pour mesurer le rythme cardiaque et respiratoire de la souris sans induire de stress : le radar modulé en fréquence, la matrice piézoélectrique et les électrodes de surfaces couplées à un piézoélectrique. Les objectifs sont : un faible coût de fabrication, un dispositif autonome ne nécessitant pas l'intervention de l'usager, une transmission des données sans-fil ainsi qu'une mesure robuste des deux signes vitaux. Méthode. Le matériel a été fabriqué à l'aide de Kicad pour les circuits imprimés et Catia V5 pour la modélisation 3D. Le logiciel des trois prototypes a été implémenté en C/C++ dans Psoc Creator de Cypress semiconductor et Visual Studio 2017. La faisabilité de la technique radar est testée sur souris (C57BL/6) anesthésiée par isofluorane dont l'ECG est mesuré à l'aide d'une plateforme de suivi de petit animaux validée (Labeo Technologies). Le radar est ensuite validé sur souris éveillée et restreinte dont l'ECG est mesuré à l'aide d'électrodes sous-cutanées (électrodes implantées). Le système est finalement testé sur souris éveillé dans sa cage, non restreinte. La faisabilité de la matrice piézoélectrique est testée sur souris anesthésiée par isofluorane dont l'ECG est mesuré simultanément à l'aide d'électrodes sous-cutanées (aiguilles ECG). La matrice de piézoélectriques est deposée dans une cage pour 24h et testée sur souris éveillée. Concernant le système d'électrodes de surface couplées à un piézoélectrique, la faisabilité est validée sur souris éveillée restreinte à la surface du dispositif. Finalement, le système est testé sur souris éveillée dans sa cage, non restreinte. Toutes les données fuent analysées avec Matlab2017b. Résultats. Sous anesthésie, l'erreur moyenne est de 4 % et 3 % pour le radar et la matrice piézoélectrique sur le rythme cardiaque. À l'éveil, le radar et les piézoélectriques ont permis d'obtenir des mesures stable du rythme respiratoire, mais un rythme cardiaque incohérent. La méthode d'électrodes de surface s'est avérée la meilleure pour mesurer le rythme cardiaque avec un rapport signal à bruit de 17.3 dB sur le signal ECG. Conclusion. Les électrodes de surface couplées à un piézo-électrique est la méthode la plus appropriée pour mesurer le rythme cardiaque chez une souris éveillé sans induire de stress ou et sans chirurgie, permettant de sauver du temps et de l'argent.

Abstract

Introduction. Monitoring vital signs on awaken mice is crucial for post operation follow-up, drug testing, behavioral monitoring and stress evaluation. Currently, the golden standard method relies on telemetry which requires an implant via surgery. This study proposes three different non-invasive and stress-free techniques for measuring Respiration Rate (RR) and Heart Rate (HR) on awaken mice: Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radar, Piezoelectric Matrix and ECG pad matrix coupled with Piezoelectric. Research goals are: low cost device, self sufficient device, wireless data transmission and robust monitoring of vital signs. Methods. The hardware was designed using Kicad for PCB and Catia V5 for 3D modelisation. Software was designed using C/C++ programming in Psoc Creator from Cypress semiconductor and Visual Studio 2017. Radar technique was validated on anesthetized ventilated mouse (C57BL/6) while simultaneously recording ECG with small animal monitoring platform (Labeo technologies). System was then validated on a restrained awake mouse while simultaneously recoding ECG (implanted electrodes). Radar system was finally tested on awake mouse free in the cage. Piezoelectric matrix system was also validated on anesthetized ventilated mouse while simultaneously recording ECG (ECG needles). Piezoelectric system was then tested on awake, non restrained, mouse. Finally, ECG pad matrix was validated by restraining the mice to the device and then tested on awake, non-restrained, mouse. Data were all analysed using Matlab 2017b. Results. Under Anesthesia, mean error of 4% and 3% for FMCW Radar and Piezoelectric on HR calculation were obtained. On awaken mouse, FMCW radar and Piezoelectric Matrix rendered reliable RR but incoherent HR. ECG pad Matrix coupled with piezoelectric rendered the best HR calculation with SNR of 17.3 dB on the ECG signal. Conclusion. ECG pad Matrix coupled with piezoelectric is the most appropriate technique for monitoring the vitals signs with the advantages of reliable data, stress-free and surgery-free.