直流電刺激的細(xì)胞生長培養(yǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

唐志凌

摘 要 微量直流電刺激具有促進(jìn)骨痂形成、神經(jīng)再生的觀點(diǎn)已被證實(shí)，但尚缺乏定量研究以確定最佳電流強(qiáng)度和密度。作者開發(fā)出一套能用于離體（體外）組織細(xì)胞生長培養(yǎng)的直流電刺激實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在離體環(huán)境下對組織細(xì)胞進(jìn)行刺激實(shí)驗(yàn)。刺激實(shí)驗(yàn)得到的電阻特征數(shù)據(jù)模擬人體細(xì)胞不同健康狀況下的導(dǎo)電性。通過對數(shù)據(jù)的分析，讓醫(yī)務(wù)工作者在不進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)的情況下能快速，準(zhǔn)確的判斷病情并提出治療方案。

關(guān)鍵詞 直流電刺激 模擬系統(tǒng) 數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：R318.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

基于直流電刺激的細(xì)胞生長培養(yǎng)系統(tǒng)能讓醫(yī)務(wù)工作者在不進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)情況下對細(xì)胞生長性有初步認(rèn)識(shí)，刺激實(shí)驗(yàn)得到的電阻特征數(shù)據(jù)模擬人體細(xì)胞不同健康狀況下的導(dǎo)電性。作者開發(fā)出直流電刺激模擬系統(tǒng)的軟件和硬件后，進(jìn)一步對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷。

檢測到的是進(jìn)行放大10倍之后的電壓值數(shù)據(jù)，而不是具體的組織細(xì)胞電阻值數(shù)據(jù)，因此要轉(zhuǎn)換它們之間的關(guān)系。一般情況下可以根據(jù)系統(tǒng)所選擇的刺激電流大小和采集到的電壓特征數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單計(jì)算即可得知電阻特征數(shù)據(jù)——既是細(xì)胞電阻值數(shù)據(jù)。但是由于電壓特征數(shù)據(jù)幅值較小，所以對采集的信號(hào)進(jìn)行了一定的放大處理以后再用波形來顯示。用戶通過觀察波形的變換趨勢能夠大致的了解整個(gè)組織細(xì)胞的生長狀況，從而選擇合適的刺激電流和刺激時(shí)間，達(dá)到促進(jìn)組織細(xì)胞的生長的目的。

1系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

由于設(shè)計(jì)中生物材料的關(guān)系，該系統(tǒng)的初級實(shí)驗(yàn)階段先用電阻來模擬組織細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)，測試在不同RL和不同刺激電流情況下接收到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精確度，將多組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均之后得到實(shí)際電壓值的平均值后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因?yàn)閱纹瑱C(jī)及其接口電路的阻值較大，所以在計(jì)算中暫且忽略外圍電路對恒流源電流的分流影響。根據(jù)Vi=VL+R0'IL，式中Vi=5.00000v，R0'為恒流源內(nèi)阻?？傻贸鲈诓煌碾娮枳柚迪拢懔髟吹暮懔餍Ч?。同時(shí)，也可以得出每一種情況下的恒流源的平均內(nèi)阻。表1所示為在時(shí)不同負(fù)載電阻下的恒流源的恒流效果的分析。

可以看出方差S2基本滿足正態(tài)分布，在電流較大的情況下，誤差較為大一些，此時(shí)的恒流源內(nèi)阻相對較小。由于進(jìn)行直流電刺激時(shí)，常常選用的電流為0～20uA，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)主要選用小電流進(jìn)行刺激實(shí)驗(yàn)。由此大電流的誤差影響不會(huì)對實(shí)驗(yàn)造成太大的影響。由于組織細(xì)胞的組織電阻通常的變化范圍一般為幾個(gè)K€%R到幾十個(gè)K€%R 之間 ，所以在小電流的范圍內(nèi)（1uA～20uA）該恒流源滿足實(shí)驗(yàn)的要求，可用于進(jìn)行簡單的直流電刺激實(shí)驗(yàn)。由上表數(shù)據(jù)可以看出若要若將阻值更大的負(fù)載電阻加入到恒流源電路中時(shí)，則需要調(diào)整輸入電壓Vi的值，使輸入電壓更高，使其負(fù)載電阻的壓降更大。

根據(jù)恒流源電路圖，選擇相應(yīng)電阻且電阻值較低時(shí)，試驗(yàn)分析表明：恒流源的內(nèi)阻（即恒流源輸出電阻）可達(dá)104～108€%R的數(shù)量級，輸出電流在10-6～10-4A范圍。用運(yùn)算放大器構(gòu)成恒流源克服了電阻法和積分微分法組成恒流源的缺點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2波形顯示

系統(tǒng)測試的初級階段，用電阻代替組織細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。波形顯示界面主要顯示下位機(jī)的微電流恒流源的恒流特性，即顯示在不同負(fù)載電阻下恒流源輸出電流的波動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只用一個(gè)通道來進(jìn)行6種電流的測試實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

3總結(jié)

作者用直流電刺激的理論對離體組織細(xì)胞的電刺激促進(jìn)其生長的可行性進(jìn)行了一定的研究與論證；對基于直流電刺激的細(xì)胞生長培養(yǎng)系統(tǒng)的進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和分析，主要是微電流恒流源電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)接口電路和通信電路的設(shè)計(jì)；以基于直流電刺激的細(xì)胞生長培養(yǎng)系統(tǒng)的硬件為基礎(chǔ)，開發(fā)了其軟件控制系統(tǒng)；用軟件實(shí)現(xiàn)了刺激參數(shù)的多選擇性、采集頻率多樣性的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對恒流源電路進(jìn)行了驗(yàn)證；上位機(jī)對從下位機(jī)接收進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，從而比較方便、直觀的觀察出組織細(xì)胞的組織電阻在整個(gè)過程中的變化趨勢，有利于對直流電刺激的刺激電流和刺激時(shí)間的作進(jìn)一步的定量研究。

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