比较医学动物实验计算机辅助设计系统的研发

胡 樱，杨 斐，俞伊军，高 诚

(1.复旦大学实验动物科学部，上海 200032;2.上海实验动物资源中心，上海 201203)

比较医学动物实验计算机辅助设计系统的研发

胡 樱1，杨 斐1，俞伊军2，高 诚2

(1.复旦大学实验动物科学部，上海 200032;2.上海实验动物资源中心，上海 201203)

目的 开发一款辅助研究者设计比较医学动物实验方案和学习实验设计的应用软件。方法 根据实验动物应用的“科学、伦理、经济”原则筛选比较医学动物实验技术资料，运用关系数据库架构原理分析和组织入选数据，通过解析比较医学动物实验规律和特点设计程序框架和模块，采用C++语言、MFC库进行面向用户的程序设计。结果 建立了程序相关资源库和模型选择、实验动物、环境条件、实验步骤、方案输出5个功能模块，并完成整个软件测试。结论 研发成功比较医学动物实验计算机辅助设计系统，该系统能够基于微型计算机为用户提供有效、易用的动物实验辅助设计和自助学习功能。

比较医学;动物实验;方案设计;计算机技术;应用软件

1 研发思路和过程

比较医学动物实验方案设计的基础是比较医学原理和动物实验基本规律，主要围绕合理选择和应用人类疾病动物模型而进行，因此，比较医学动物实验计算机辅助设计系统(以下简称CMAE系统)以实验动物应用的“科学、伦理、经济”原则(SEE原则)为指导［3］，筛选生物医学研究中致模机制明确、方法和技术成熟、成模效果显著、应用广泛的人类疾病动物模型经典案例为基础，解析不同类型比较医学动物实验设计的规律以提炼实验设计流程，根据各项实验设计要素之间的关联确立系统的模块化规则，并以各项要素和参考资料之间的关系类型为主要依据，兼顾研究者的实验设计的需求和习惯，对参考资料进行有机组织，设置最宜于辅助实验设计的信息匹配方式，从而实现实验设计的规范化和自动化，信息读取的条理化和智能化。CMAE系统的研发还立足于动物实验“减少、替代、优化”原则(3R原则)及其技术规范，以及我国实验动物管理和使用的相关法律法规，通过辅助实验设计过程推广使用标准化合格的实验动物，普及规范化的动物实验操作，并敦促用户遵循实验动物福利和动物实验伦理的要求。

该软件研发分为六步：①采集、分析比较医学动物实验技术资料以及用户需求，设计软件的功能式样;②构建程序框架和资源数据库，确立系统运行流程;③筛选数据并建立数据处理规则，对数据进行格式化和优化处理;④设计用户界面，选择并部署控件，定制控件功能;⑤编码实现程序各项功能;⑥导入数据，进行软件测试、评价和调整。

2 软件主体结构的设计

2.1 CMAE系统架构及其模块设置

设计CMAE系统的前提是比较医学动物实验设计标准化，我们通过实验设计过程标准化研究和对经典案例的分析，确定实验设计五大要素为：研究体系(人类疾病动物模型)、研究对象(实验动物)、研究条件(动物饲养和护理条件，试剂，器材等)、实验处理(实验相关操作)、结果评价(指标测定和分析)，据此架设CMAE系统的主体结构并设置相应功能模块如图1。在设置功能模块时，根据研究工作实际流程特点和技术资料的关联属性，对实验处理和评价两个要素进行整合归并，又基于用户对计算机辅助设计系统输出设计结果的潜在期望，增设实验方案的输出设计功能，从而形成图1中的五个功能模块：模型选择模块、实验动物模块、环境条件模块、实验步骤模块和方案输出模块。

图1 CMAE系统架构和模块设置Fig.1 The architecture and modules of the CMAE system

2.2 CMAE系统运行流程

CMAE系统采用内控流程和人机交流相结合的方式运行，实验设计的实质性步骤依次分为前驱流程和核心流程两个相对独立的部分，标准的运行流程见图2。为保障实验方案的科学性和规范性，在整个流程中嵌入两个主要审核环节：模型正确性审核与方案完整性审核，前者位于前驱流程末端，由用户执行，后者位于核心流程末端，由系统执行。

2.3 核心流程用户界面基本样式设计

核心流程包括对实验动物、研究环境和条件以及研究具体步骤的设计，涉及的规则多、信息量大，信息属性多样，通过分析资料特性、用户使用习惯和信息呈现效率，我们设计了“四分法”界面布局作为核心流程的基本界面样式，即将一个设计界面主窗(包含一个层次的信息)划分为四个并列部分(四个分区)，分类展示该设计界面所要呈现的信息，从而使这些资讯按需、有序呈现，在主窗上部设置设计进度状态栏即时提示当前所在设计步骤，状态栏之下设置导航按钮使用户可方便地在一个设计步骤内的子模块之间进行切换(图3)。

图2 CMAE系统标准运行流程Fig.2 Standard running process of the CMAE system

3 模块的功能及其用户界面设计

3.1 模型选择模块

该模块帮助用户选择最符合其研究需求的模型，模块设计要点在于为用户的选择配置全面、详尽、层次分明的模型信息，以满足用户对模型应用方向、已有的研究条件和具体研究要求的综合考虑，并采用可逆进程实现用户更改选择的功能。

图3 核心流程界面布局模式Fig.3 The design mode of core process interface

图4 模型选择界面视图Fig.4 Interface for model selection

模型选择模块整合有丰富、全面的模型信息，这些信息分别归入“筛选”和“核对”两个层次，且通过模型选择界面(图4)和模型基本信息界面(图5)分步呈现。“筛选”层次信息属性多样，信息组织和呈现方式的设计均从最有利于用户筛选模型的角度进行，如以查询条件的形式组织模型疾病分类信息、动物种属、致模因子性质、实验类型及手术与否等模型信息，以模型属性作为筛选结果自动分类依据，并设置按动物成本、成模时间等对筛选结果排序的功能。“核对”层次用于呈现模型的制作原理、应用方向、应用特性、评价指标、比较医学特点及图谱等信息，供用户判断所选模型和研究项目的匹配程度，以及促进对筛选策略和查询条件的修正。

通过分析和预测用户所处的研究水平、既有信息量及检索习惯，我们为模型检索设置了“逐级检索”和“匹配检索”两种可互相切换的途径。逐级检索采用研究系统、研究部位、病/症这三个依次递进的检索等级和预设选项限定研究方向，适合逐级缩小检索范围直至最终确定可用模型;匹配检索使用用户提供的检索条件直接从模型库中寻找匹配模型，检索条件输入格式定义为关键词和多级限定条件的逻辑组合，适合从模型某具体线索出发的快速检索。

模型的命名必须具有一致样式以满足CMAE系统的数据检索要求，我们通过实验设计标准化研究建立了模型命名公式：模型名称=A+B+模型+(C)。其中，A为人类疾病或症状，B为动物种属，C为致模方法，用左右括弧标注，描述格式为［“致模因子”法］，如系两种致模因子共同所致的，则描述格式为［“致模因子1”、“致模因子2”复合法］，使用更多致模因子者依此类推，但当致模因子超过三个时选择最主要的三个因子命名，对于自发型疾病动物模型，其致模方法描述为相应的品系名称，如此得到诱发型模型命名如：肾性高血压大鼠模型(一肾一夹法)，自发型模型命名如：原发性高血压大鼠模型(SHR大鼠)。

图5 模型基本信息界面视图Fig.5 Interface of the basic model information

3.2 实验动物模块

该模块的功能是辅助研究者选择实验动物，即在确定所用实验动物种属的基础上，进一步确定其遗传学背景(品种/品系)、微生物学背景(净化等级)、规格(年龄/体重)和性别，用户界面见图6。人类疾病动物模型是以活体动物建立的实验体系，模型的表现必然受到动物的遗传学背景、微生物学背景、性别、年龄、体重、生理状况、健康状况、应激状况［4，5］等“本底”的影响，其中，健康和应激水平正常是所有研究对实验动物的基本要求，常规生理状况的动物适用于绝大多数研究，其他参数的选择要求各不相同，为此分别设置了4个子模块用于确定这些参数。

该模块各界面均采用折叠式列表容纳可用参数值，并将推荐项设为默认选项。品种/品系子模块用于确定动物的遗传学背景，其设计主要参考了选定模型对品种(品系)的要求和同类研究常用品种(品系)的情况，推荐项同时以默认和文字标注两种方式予以强调。年龄/体重子模块用于确定动物的规格，设计时以年龄匹配为基本规则，辅以年龄和体重的相关性规律，根据研究特点其参数采用自动匹配。性别子模块的设计依据是研究具体内容和相关的性别比较研究结果，默认选项即推荐选项。净化等级子模块依据实验目的和动物净化等级匹配原则以及我国实验动物净化等级分级和应用现状推荐最适宜的动物净化等级，参照标准为“实验动物·微生物学等级及监测GB 14922.2-2001”，“实验动物·寄生虫学等级及监测GB 14922.1-2001”。

该模块中帮助用户进行实验设计的辅助资讯主要是各项动物参数的设置依据、研究相关的生物学特性、动物背景资料等，为便于用户参考，这些资讯按所属参数分类匹配到各个子模块中，其中为“品种/品系子模块”匹配的资讯包括种属和品种(品系)的选择依据和推荐理由，拟选动物的遗传学分类、生物学分类、外观特征、培育历程、应用特性等;为“年龄/体重子模块”匹配了年龄和体重对研究的匹配依据、选定动物的平均寿命以及和人类年龄的对应关系、生长曲线等;为“性别子模块”匹配性别的选择依据和推荐理由，以及所选动物在不同日龄的性别鉴别技术指导;为“净化等级子模块”匹配动物净化等级匹配依据;相应等级动物的定义、应用特性和控制要求，我国的实验动物国家标准对该等级动物的微生物和寄生虫控制具体要求。

图6 实验动物模块界面视图Fig.6 Interface of the laboratory animal module

3.3 环境条件模块

该模块的功能是为研究配置适宜的实验环境和条件，用户界面见图7。实验环境和饲养条件不仅是实验过程中动物赖以生存的要素，也是研究者控制研究质量的关键，实验环境和条件的标准化还是动物实验标准化的重要内容［6，7］，因此，环境条件模块设计中遵循的配置依据包括我国现行的实验动物环境国家标准、所用实验动物特点及研究特定要求。

根据环境条件的类别和实验设计规律，该模块下分设4个子模块。实验环境子模块根据所用动物的净化等级自动从我国实验动物国家标准“实验动物·环境及设施GB14925-2001”中规定的三类实验动物环境(隔离环境、屏障环境和普通环境)中匹配实验环境类型;笼具和垫料子模块、饲料和饮水子模块均用于配置研究中动物的饲养条件，其设计为通过整合相关国家标准、不同动物的饲养规范、研究的特定要求以及动物福利的原则等，自动完成对研究中笼具、垫料、饲料、饮水的配置以及饲养模式、饲喂方式的匹配，参照标准包括“实验动物·配合饲料通用质量标准GB 14924.1-2001”、“实验动物·配合饲料卫生标准GB 14924.2-2001”、“实验动物·小鼠大鼠配合饲料GB 14924.3-2001”、“实验动物·豚鼠配合饲料GB 14924.5-2001”、“实验动物·地鼠配合饲料GB 14924.6-2001”;由于实验环境条件的配置内容和涉及因素较多，且随研究不同而有相应变化与组合，为适应不同研究需求，设置环境条件备注子模块，采用文本编辑框供研究者在系统自动配置的基础上结合研究具体情况进行补充。

本模块的辅助资讯主要用于提供所涉环境和条件的配置依据、含义、控制要求和操作实践等，按所属子模块分别匹配，“实验环境子模块”中可参考所匹配环境技术指标要求(参照GB14925-2001)，该环境类型的控制原理、适用对象、控制特点、饲养设施常用配置模式、相关设施部件及其使用方法;“笼具和垫料子模块”提供动物居所最小空间要求，笼具和垫料的基本概念、种类及其特性、质量规定和使用方法等;“饲料和饮水子模块”提供动物每日摄食和饮水量参考值;饲料和饮水的基本概念、种类及其特性、饲料营养成分和卫生质量标准、使用方法等。

3.4 实验步骤模块

该模块用于确定动物处理和实验评价的具体内容，用户界面见图8。设计该模块时先将“实验步骤”按先后次序划分为实验准备、实验处理和成模评价三步，再以用户补充内容作为实验步骤设计的第四步，由此建立4个子模块。该模块通过系统对实验步骤的确认触发评价指标列表状况自动检测，一旦发现错误便能暂停进程，并提醒研究者及时更正，以此确保用户完成成模评价设计。

图7 环境条件模块界面视图Fig.7 Interface of the environment and condition module

实验准备子模块用于完成对主要实验器材和试剂、实验动物来源、与研究有关的前期动物护理或其他准备工作的设计，造模处理子模块用于完成造模处理相关内容设计，这两个子模块均采用“范本”模式帮助用户进行实验设计，“范本”源自对同类研究的鉴别、筛选、验证、整理并采用格式化的描述，从而为用户制定具体的操作程序提供准确的信息和规范化的格式，如“实验准备”的范本包括器材、试剂、动物订购、动物验收、动物适应/检疫、其他准备六项，造模处理的范本包括动物筛选、动物处理和动物护理三项，其中，还为“动物处理”设定了描述规则，如化学因素造模的描述规则为：采用［给药途径］按［剂量］的剂量［给予方式］给予［致模剂］［致模剂给予要求］［备注］，手术造模的处理描述依次为麻醉、保定、手术处理。

例如，“1型糖尿病大鼠模型(四氧嘧啶法)”的动物处理描述为：采用大鼠尾侧静脉注射按50 mg/kg的剂量一次性给予3%四氧嘧啶水溶液，且于30 s内注射完毕。

又如，“肾性高血压大鼠模型(一肾一夹法)”的动物处理描述为：行大鼠左肾动脉缩窄术并摘除右肾，步骤如下：

(1)采用3%戊巴比妥钠溶液按30 mg/kg的剂量行大鼠腹腔注射全身麻醉。

图8 实验步骤模块界面视图Fig.8 Interface of the experiment procedure module

(2)采用啮齿类固定板以俯卧位保定大鼠。

(3)剃除大鼠背部被毛，消毒术区皮肤，在左腰部平行于鼠体长轴作侧切口，将左肾牵拉至腹腔后暴露肾蒂，分离肾动脉，使用内径为0.2～0.3 mm的银质血管夹嵌于肾动脉外，或用直径0.2～0.3 mm的银针为垫针结扎肾动脉，使肾血流量减少50%至70%，随后于右腰部平行于鼠体长轴作侧切口，牵拉右肾暴露肾蒂，结扎肾蒂后切除右肾，逐层缝合手术切口。

CMAE系统提供的成模评价内容主要依据该模型已确定并获公认的评价标准，成模评价子模块设计思想是在成模评价总则、评价方法与技术的基础上辅助用户完成成模评价策略和具体评价内容的设计，其中，成模评价概述作为评价既定模型成模情况的总则，用于制定评价策略并指导评价指标的选择，由系统自动匹配;具体评价内容通过评价指标列表由用户进行设计，列表项目对应评价方法与技术的内容;评价方法与技术作为辅助用户确定评价指标测定和分析具体方法的资料，不仅按指标属性分为功能学评价、形态学评价和其他方面评价三类，对每个评价指标还匹配了评价参考值及其测定方法、指标意义、相应的标本采制和分析技术等。备注子模块内按实验准备、实验处理、成模评价分设三个信息采集口，分别整合用户补充的相应内容。

该模块的辅助资讯主要是和实验实施有关的技术指导，按内容匹配到相应子模块中，如“实验准备子模块”匹配有试剂配制、器材选择、动物验收及健康适应要求;“实验处理子模块”匹配的是与造模处理有关、基于动物实验“3R”原则和实验动物福利的实验操作技术指导;“成模评价子模块”则匹配指标测定和分析的原理及详细过程、样品采制和测定的标准化操作程序、用于指标采集和分析的设施设备资料等。

3.5 方案输出模块

设置方案输出模块的目的是为研究者提供一份既规范又个性化的实验方案纸质文件，便于在实验研究过程中参照执行以及研究资料回顾和归档等，该模块的功能包括实验方案概要浏览、方案报表个性化设计、方案预览和打印，用户界面见图9。

CMAE系统的实验方案由四部分组成：①模型概述;②实验动物、试剂和器材;③实验条件、方法和步骤;④附录。该实验方案结构是通过分析研究者对比较医学动物实验方案的要求而拟定的，其中，“附录”部分用于存放系统推测用户可能需要的辅助研究资料，分为技术依据(实验动物的选择依据)和技术指导(系统自动记忆研究者在实验步骤设计中查阅过的技术指导)两类。为了确保输出的实验方案要素全面、格式规范、文字简洁，并包含用户所需的必要信息，除了将完整方案设为系统默认的初始方案外，还将模型概述的四项内容、成模评价指标的显示方式、附录的全部内容设置为个性化输出项目，以适应不同用户的研究基础和潜在需求。方案输出的设置界面以多级提纲的格式、采用文本标签和列表框组合呈现方案结构和每部分的内容提要，通过选项框和选项钮实现方案输出的个性化设置。将打印功能设置在预览状态下以确保“所见即所得”的效果。

图9 方案输出模块界面视图Fig.9 The interface of the program output module

图10 图CMAE系统后台数据组织模式Fig.10 The organizing mode of the CMAE system background data

4 数据管理

4.1 后台的数据准备和组织

CMAE资源库是一个存放辅助实验设计的数据并支持CMAE系统运行的关系数据库，其组织模式见图10。原始数据主要来自比较医学和比较生物学研究领域、动物实验标准化和规范化研究领域、实验动物福利研究领域的相关成果，导入资源库前经过优化以获得支持软件运行的有关特性［8］，该过程包括：对数据进行筛选、分类、鉴别、比对、校正、增补等，从中析出信息确切、属性明确的数据，组成不同数据集;根据系统提取数据的策略为数据设置各等级索引标志;根据资源库的内部逻辑关系建立数据关联;确定数据的约束条件，建立并运用相应的数据表述规则如模型命名规则、动物处理描述规则等。由此建立的CMAE资源库数据管理有序，便于扩容升级，在CMAE系统的运行中体现理想的支持性能。

4.2 前台的数据管理策略

CMAE系统的前台承担两大功能：①有层次地、智能化地输出用户开展实验设计所需的各类数据;②收集用户的设计信息并传递给系统进行整合以生成实验方案。系统运行时这两项功能交叉并行，为此使用设计类控件和辅助类控件对前台数据进行管理，设计类控件用于获得用户的设计信息，如选择、确认、放弃、自定义等，辅助类控件则用于输出辅助资讯，如响应用户对实验资料的请求并反馈结果。两类控件的用户界面布局取决于实验设计所要求的信息处理优先顺序、信息容量和用户操作习惯。

在实现输出数据的功能时，为使大量属性不同、类别不同、表述特征不同的数据简洁而有条理地按需呈现给用户，在对资料进行按需求度分级的基础上使用了灵活多样的数据提取策略和相应的输出方式。设计要素内容和设计要求是用户必须掌握的实验设计中的关键信息，均以优先显示方式提供给用户;与实验设计相关、用户应当了解的背景信息则按类别分配到各个设计步骤中，结合界面特点显示;针对研究者可能需要的参考资料和技术指导，又按其主题采用“自动匹配”和“自由检索”两种途径分别组织和管理，自动匹配用于粗略分类、对研究者具有启发性的资料，其主题显示为可折叠的提示菜单，自由检索用于精确分类、解答研究者具体问题的资料，其主题显示为检索关键词。整个前台针对反馈对象的不同属性，采用相应的文本区、列表区、图片窗和视频窗分区显示。这些组织和管理前台数据的方法有效满足了各个模块对数据输出的不同要求。

5 讨论

CMAE系统采用 C++语言，MFC库，在 Microsoft Visual Studio 2010环境中编译，主要用于辅助研究者进行比较医学动物实验方案的设计，也适合用户通过模拟实验设计学习相关基础知识和基本技术，是一款具有自主知识产权的专业软件，已作为《实验动物学基础与技术》的配套电子资源公开发行。CMAE系统的研发兼顾了实用工具软件和自助学习软件两方面的应用要求，作为一款辅助实验设计的工具软件，CMAE系统借助微型计算机平台实现对既有研究技术资料的高效处理、优化整合与智能呈现，能提高研究者运用丰富的比较医学动物实验资料开展相关研究的能力、水平和效率，促进常规比较医学动物实验的设计自动化、操作规范化、结果标准化，维护实验设计的科学性和可行性;作为自助学习软件，CMAE系统通过模拟设计帮助用户掌握比较医学动物实验设计原理，熟悉设计流程，梳理研究思路，学习常用实验动物的比较生物学和比较医学特性及动物实验技术，理解动物实验标准化、实验动物福利以及动物实验3R原则的内容、要求和意义。考虑到比较医学动物实验研究不断更新、永续发展的需求，CMAE系统的结构布局和数据管理上均预留充分的扩展功能和空间，通过资料更新可满足研究者应用更多种类动物开展各类研究的需求。

［1］ Spitzer VM，Whitlock DG.The visible human dataset：the anatomical platform for human simulation ［J］.Anat Rec.1998，253：49 －57.

［2］ Jastrow H，Vollrath L.Teaching and learning gross anatomy using modern electronic media based on the visible human project［J］.Clin Anat.2003，16：44 －54.

［3］ 杨斐，胡樱.实验动物学基础与技术［M］.第一版.上海：复旦大学出版社.2010，206－223.

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Development of a computer-aided design system for comparative medical animal experiments

HU Ying1，YANG Fei1，YU Yi-jun2，GAO Cheng2
(1.Department of Laboratory Animal Science，Fudan University，Shanghai 200032，China;2.Shanghai Laboratory Animal Resources Center，Shanghai 201203)

Objective To develop an application software for researchers to design comparative medical animal experiments as well as to learn the designing process independently.Methods The technical information of comparative medical animal researches were screened according to the“science，ethic，economic”principle of laboratory animal usage.The candidate data were analyzed and organized on the basis of relational database schema theory.The framework was designed and the modules were set up refered to the rules and features of comparative medical animal experiment process.The whole program was developed in an user-oriented way by using C++and MFC library.Result Five modules，including model selecting module，laboratory animal module，environment and condition module，laboratory process module and program output module were established along with the related information database，and the test of whole software was conducted.Conclusions The CAD system for comparative medical animal experiment developed in this study is effective and easy to use in designing animal experiment and self-learning of the design process based on PC.

Comparative medicine;Animal experiment;Program design;Computer technique;Application software

Q95－33

A

1005-4847(2011)02-0176-09

10.3969/j.issn.1005-4847.2011.02.018

比较医学动物实验运用比较医学的原理开展人类患者和人类疾病动物模型的类比研究，是现代医学领域极为常用的研究手段。比较医学动物实验研究的价值主要体现于实验结果外推的可靠性，由于研究的目的、对象和要求复杂多样，涉及的专业知识门类众多，而研究者的专业背景各不相同，所掌握的基础知识、实验技能和经验等差异很大，加之目前相关动物实验资料的共享程度较低，这些因素均会干扰实验设计和实施，降低实验结果外推的可靠性。

近年来，计算机技术的融入极大推动了比较医学的发展，在实验结果分析和评价、数学模型和虚拟技术［1，2］的研究方面其作用尤为突出，但计算机技术在动物实验设计中至今鲜有应用。本研究从卫生部“十一·五”规划教材《实验动物学基础与技术》配套电子资源的角度开发一款辅助研究人员进行比较医学动物实验设计的专业软件，以期运用计算机技术的优势为研究者提供专业化的实验设计指导、全面的动物实验参考资料、详尽的专业基础知识和实验技术资讯，培养科学的设计思路以及使用标准化实验动物开展规范化动物实验研究的意识和能力，促进实验设计和实施的科学性、规范化以及专业技术资料共享，亦通过该研究拓展计算机在比较医学研究中的用途，为该领域中计算机的应用探索新思路和新模式。

上海市科技发展基金项目(编号：08140900300)。

胡樱(1973－)，女，讲师，实验动物学硕士，主要从事比较医学与动物实验研究。E-mail：secrethy@126.com

杨斐(1968－)，男，副研究员，硕士生导师，主要从事比较医学研究及实验动物教学、科研和管理。E-mail：yfdwbfd@fudan.edu.cn

2010-09-29