直流電刺激的細胞生長培養系統數據分析

唐志凌

摘 要 微量直流電刺激具有促進骨痂形成、神經再生的觀點已被證實，但尚缺乏定量研究以確定最佳電流強度和密度。作者開發出一套能用于離體（體外）組織細胞生長培養的直流電刺激實驗系統。該系統在離體環境下對組織細胞進行刺激實驗。刺激實驗得到的電阻特征數據模擬人體細胞不同健康狀況下的導電性。通過對數據的分析，讓醫務工作者在不進行人體實驗的情況下能快速，準確的判斷病情并提出治療方案。

關鍵詞 直流電刺激 模擬系統 數據分析

中圖分類號：R318.6 文獻標識碼：A

0前言

基于直流電刺激的細胞生長培養系統能讓醫務工作者在不進行人體實驗情況下對細胞生長性有初步認識，刺激實驗得到的電阻特征數據模擬人體細胞不同健康狀況下的導電性。作者開發出直流電刺激模擬系統的軟件和硬件后，進一步對檢測到的數據進行分析和判斷。

檢測到的是進行放大10倍之后的電壓值數據，而不是具體的組織細胞電阻值數據，因此要轉換它們之間的關系。一般情況下可以根據系統所選擇的刺激電流大小和采集到的電壓特征數據進行簡單計算即可得知電阻特征數據——既是細胞電阻值數據。但是由于電壓特征數據幅值較小，所以對采集的信號進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組織細胞的生長狀況，從而選擇合適的刺激電流和刺激時間，達到促進組織細胞的生長的目的。

1系統測試數據

由于設計中生物材料的關系，該系統的初級實驗階段先用電阻來模擬組織細胞的實驗，測試在不同RL和不同刺激電流情況下接收到的數據的準確度和精確度，將多組數據進行平均之后得到實際電壓值的平均值后再對數據進行分析。因為單片機及其接口電路的阻值較大，所以在計算中暫且忽略外圍電路對恒流源電流的分流影響。根據Vi=VL+R0'IL，式中Vi=5.00000v，R0'為恒流源內阻。可得出在不同的電阻阻值下，恒流源的恒流效果。同時，也可以得出每一種情況下的恒流源的平均內阻。表1所示為在時不同負載電阻下的恒流源的恒流效果的分析。

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

根據恒流源電路圖，選擇相應電阻且電阻值較低時，試驗分析表明：恒流源的內阻（即恒流源輸出電阻）可達104～108€%R的數量級，輸出電流在10-6～10-4A范圍。用運算放大器構成恒流源克服了電阻法和積分微分法組成恒流源的缺點，具有一定的實用價值。

2波形顯示

系統測試的初級階段，用電阻代替組織細胞進行實驗。波形顯示界面主要顯示下位機的微電流恒流源的恒流特性，即顯示在不同負載電阻下恒流源輸出電流的波動情況。實驗時，只用一個通道來進行6種電流的測試實驗，如圖3所示。

3總結

作者用直流電刺激的理論對離體組織細胞的電刺激促進其生長的可行性進行了一定的研究與論證；對基于直流電刺激的細胞生長培養系統的進行了硬件設計和分析，主要是微電流恒流源電路的設計、單片機接口電路和通信電路的設計；以基于直流電刺激的細胞生長培養系統的硬件為基礎，開發了其軟件控制系統；用軟件實現了刺激參數的多選擇性、采集頻率多樣性的實現；同時用實驗所得數據對恒流源電路進行了驗證；上位機對從下位機接收進來的數據進行實時處理和分析，并將處理后的數據進行波形顯示，從而比較方便、直觀的觀察出組織細胞的組織電阻在整個過程中的變化趨勢，有利于對直流電刺激的刺激電流和刺激時間的作進一步的定量研究。

參考文獻

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