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直流电刺激的细胞生长培养系统数据分析

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唐志凌

摘要微量直流电刺激具有促进骨痂形成、神经再生的观点已被证实，但尚缺乏定量研究以确定最佳电流强度和密度。作者开发出一套能用于离体（体外）组织细胞生长培养的直流电刺激实验系统。该系统在离体环境下对组织细胞进行刺激实验。刺激实验得到的电阻特征数据模拟人体细胞不同健康状况下的导电性。通过对数据的分析，让医务工作者在不进行人体实验的情况下能快速，准确的判断病情并提出治疗方案。

关键词直流电刺激模拟系统数据分析

：R318.6：A

0前言

基于直流电刺激的细胞生长培养系统能让医务工作者在不进行人体实验情况下对细胞生长性有初步认识，刺激实验得到的电阻特征数据模拟人体细胞不同健康状况下的导电性。作者开发出直流电刺激模拟系统的软件和硬件后，进一步对检测到的数据进行分析和判断。

检测到的是进行放大10倍之后的电压值数据，而不是具体的组织细胞电阻值数据，因此要转换它们之间的关系。一般情况下可以根据系统所选择的刺激电流大小和采集到的电压特征数据进行简单计算即可得知电阻特征数据——既是细胞电阻值数据。但是由于电压特征数据幅值较小，所以对采集的信号进行了一定的放大处理以后再用波形来显示。用户通过观察波形的变换趋势能够大致的了解整个组织细胞的生长状况，从而选择合适的刺激电流和刺激时间，达到促进组织细胞的生长的目的。

1系统测试数据

由于设计中生物材料的关系，该系统的初级实验阶段先用电阻来模拟组织细胞的实验，测试在不同RL和不同刺激电流情况下接收到的数据的准确度和精确度，将多组数据进行平均之后得到实际电压值的平均值后再对数据进行分析。因为单片机及其接口电路的阻值较大，所以在计算中暂且忽略外围电路对恒流源电流的分流影响。根据Vi=VL+R0IL，式中Vi=5.00000v，R0为恒流源内阻。可得出在不同的电阻阻值下，恒流源的恒流效果。同时，也可以得出每一种情况下的恒流源的平均内阻。表1所示为在时不同负载电阻下的恒流源的恒流效果的分析。

可以看出方差S2基本满足正态分布，在电流较大的情况下，误差较为大一些，此时的恒流源内阻相对较小。由于进行直流电刺激时，常常选用的电流为0～20uA，所以实验时主要选用小电流进行刺激实验。由此大电流的误差影响不会对实验造成太大的影响。由于组织细胞的组织电阻通常的变化范围一般为几个K€%R到几十个K€%R之间，所以在小电流的范围内（1uA～20uA）该恒流源满足实验的要求，可用于进行简单的直流电刺激实验。由上表数据可以看出若要若将阻值更大的负载电阻加入到恒流源电路中时，则需要调整输入电压Vi的值，使输入电压更高，使其负载电阻的压降更大。

根据恒流源电路图，选择相应电阻且电阻值较低时，试验分析表明：恒流源的内阻（即恒流源输出电阻）可达104～108€%R的数量级，输出电流在10-6～10-4A范围。用运算放大器构成恒流源克服了电阻法和积分微分法组成恒流源的缺点，具有一定的实用价值。

2波形显示

系统测试的初级阶段，用电阻代替组织细胞进行实验。波形显示界面主要显示下位机的微电流恒流源的恒流特性，即显示在不同负载电阻下恒流源输出电流的波动情况。实验时，只用一个通道来进行6种电流的测试实验，如图3所示。

3总结

作者用直流电刺激的理论對离体组织细胞的电刺激促进其生长的可行性进行了一定的研究与论证；对基于直流电刺激的细胞生长培养系统的进行了硬件设计和分析，主要是微电流恒流源电路的设计、单片机接口电路和通信电路的设计；以基于直流电刺激的细胞生长培养系统的硬件为基础，开发了其软件控制系统；用软件实现了刺激参数的多选择性、采集频率多样性的实现；同时用实验所得数据对恒流源电路进行了验证；上位机对从下位机接收进来的数据进行实时处理和分析，并将处理后的数据进行波形显示，从而比较方便、直观的观察出组织细胞的组织电阻在整个过程中的变化趋势，有利于对直流电刺激的刺激电流和刺激时间的作进一步的定量研究。

参考文献

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