文献综述-心肌细胞体外培养仪设计.doc

杭州电子科技大学毕业设计（论文）文献综述毕业设计（论文）题目心肌细胞体外培养仪文献综述题目基于PVDF对心肌细胞活跃性检测系统学 院生命信息与仪器工程学院专 业医学信息工程姓 名班 级学 号指导教师第一章 前言近年来，由于全世界死于心脏疾病患者人数不断上升，心脏疾病的研究成为了医学界炙手可热的话题。随着医学对心血管疾病研究的深入，人们逐步发现心肌细胞的生理病变是心血管疾病发生的主要因素之一，因此对心肌细胞组织的生理状况研究和培养成为了医学研究领域中至关重要的问题。1.1心肌细胞组织的活跃度研究现状如何对心肌细胞组织的活跃度进行检测、控制其生理状态以及分析其影响因素是在研究心肌细胞组织过程中几个比较关键的问题。通过查阅文献可以得知，心肌细胞组织在兴奋收缩过程中会产生一下几种信号量：第一种是心肌细胞生理电活动，第二种是心肌细胞钙离子与钠离子浓度的变化，第三种是心肌细胞物理搏动。但其中心脏生理信号检测发展最为热门的有两种技术：第一种就是对心肌细胞组织在活跃时产生的微弱电信号进行分析，从而得出心肌细胞组织的活跃程度；第二种则是采用新型高分子传感技术PVDF压电薄膜传感器心肌细胞组织的搏动来检测活跃性。1.2生理电信号检测心肌细胞活跃度检测人体心脏生理电信号的历史可以追溯到1903年，Einthoven发明的弦线式电流计显示出的心电波形稳定清晰，可以清晰的记录心房颤动心电图，室性期前收缩心电图等等。对于生理电信号检测有了一百多年的历史，技术也已经非常成熟。通过心电图，人们可以清楚的看到心脏活动中的各种代表性波形，如P、Q、R、S、T、U波等等。在医学上，心电图信号可以诊断各种心脏疾病，通过双极导联就能够轻松的在人体肌肤表面获取整个心脏的合成心电波形。通过生理电信号确实能够得到心脏的实时活跃情况，但在所要研究的领域范围需要加入各种各样的液体制剂。如果带有钙离子的液体制剂流经电极，必然会对电极电流产生影响，造成生理电信号检测不精确，甚至可能完全淹没心电信号，导致无法检测心肌细胞活跃程度。1.3压电薄膜检测心肌细胞活跃度压电薄膜传感器是一种特殊的高分子聚合物传感材料，能够对压力、振动、拉伸等物体状态的变化输出电荷信号，因此是一种非常理想的微动应变片，大小形状可加工定义。近年来其在医用传感器领域的使用越来越广泛，例如便携式手环检测心跳脉搏、制作成心音听筒辅助医生了解病人体内心脏状况等等。该材料制作的传感器要比其他传统的传感器价格更为低廉，简易环保。利用心肌细胞组织的物理搏动来检测心肌细胞的活跃度，可以大大减少周围环境因素的影响。只需将心肌细胞组织贴覆在含有传感器的薄膜上，只要桌面不要晃动，即可轻松读取心肌细胞的活动周期，搏动状态。虽然红外辐射可能会影响传感器精度，但又是绝缘型的传感器，完全不需要考虑电干扰。第二章 PVDF压电薄膜检测的应用当传感器技术结合了通讯技术以及计算机技术，人们就可以将外部世界的所有信息全部容纳到计算机中进行计算、处理并且加以控制，这就是现代化信息技术。随着电子技术与生物医疗技术的不断结合发展，通过电子信息技术的检测与控制来进行生物医学研究已经逐步成为一种趋势。因此本章主要讲的就是PVDF压电薄膜的检测与应用。2.1.1国外研究概述最早利用PVDF高分子传感器检测技术的是20世纪60年代，美国麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术。由于PVDF高分子薄膜传感器轻薄灵敏，如果把薄膜传感器嵌入人们的衣着内部，即可检测着衣者的各种姿势动作。这项技术实现了人类在感受不到传感器存在的情况下轻松的获取人体运动信息，然后将数据用于身体情况统计的检测，分析人体的健康状况。2001年，芬兰大学、拉普兰大学等成功研制出世界上第一套便携式人体生理健康监测系统。这套系统将PVDF以及其他一些传感器结合进衣料中，通过这些传感器实时获取心跳，人体运动，体温等生理指标，并且能对生理状况进行一定的调节，还附带了太阳能系统进行供电。还有很多国家不同的研究机构对PVDF压电薄膜检测技术进行不同的研发。总的来说，在过去的10年里美国以及欧盟通过PVDF压电薄膜在医疗健康保健检测中取得不少研究成果，但研制的诸多产品都是基于很普通的人体运动数据采样，而且都是建立在PC机上离线显示，缺乏可实时观测性，而且并未将PVDF传感器运用在前端生物领域，这是一个比较大的遗憾。2.1.2国内研究概述国内对于PVDF压电薄膜的研究虽然才开始发展起来，但取得了不少研究成果。比如像清华大学工程力学系的金观昌等人所提出的一种基于PVDF压电薄膜的新型多点脉搏波计算机辅助测试系统。该系统通过多点PVDF压电薄膜传感器、多点前端信号放大装置、以及数据采集系统。这套系统可以测量脉搏波在寸、关、尺三部位的不同状态信息以及沿血管横截面方向脉搏波的变化。系统中的软件可全方位、多功能地显示各种脉图，实现多点动态实时检测。并且能够对脉图进行频谱分析和数字滤波，通过与中医脉诊的数据相互结合，将中国传统医学的脉诊带来全新的应用前景。又比如郭劲松等人研制的一种用于病患运动时对重要生命信号的无损检测和信号传输系统。他们通过普通背心边缘的PVDF传感器将人体运动传感信号引出，连接至信号调理电路和信号传输系统中，通过PC机对数据进行处理分析。这样对脉搏以及呼吸等数据的分析，通过信号的软件滤波做到了检测运动者的健康状况。2.2 PVDF压电薄膜传感器的研究现状PVDF压电薄膜是一种新型的高分子压电材料，在用传感器中应用很普遍。它既具有压电性又有薄膜柔软的机械性能、重量轻和对环境适应性强等诸多优点，用它制作压力传感器，具有设计精巧、使用方便、灵敏度高、频带宽、与人体接触安全舒适，能紧贴体壁，以及声阻抗与人体组织声阻抗十分接近等一系列特点，可用于脉搏心音等人体信号的检测。脉搏心音信号携带有人体重要的生理参数信息，通过对该信号的有效处理，可准确得到波形、心率次数等可为医生提供可靠的诊断依据。对PVDF压电薄膜的性能和应用研究也是当今热点之一。PVDF压电薄膜的电荷输出与应变成正比,它的最直接的应用就是测量结构的应变。据资料所查，国内著名研究人员王术新利用PVDF具有独特的压电效应,设计并制作了正弦和余弦形状的PVDF传感器,用于测量振动参数。他们将PVDF传感器和加速度传感器放置在悬臂粱的同一位置,当激振器产生激励力时,对比PVDF传感器和加速度传感器分别测量的位移,证实了PVDF传感器测量更方便、应用更广泛。通过国内人员的研究证实了PVDF压电薄膜具有良好的压电特性。因而，在健康监测与仿生学方面的应用，可以将PVDF压电薄膜贴在人体上,监测心脏的状况；可以做成传感片贴在手腕处，以测量脉搏；制作成传感器放在床单下面、靠近人体胸部的地方,用来监测人体睡眠时候的呼吸和心跳,并用小波分析的方法将两类信号分开；同样，也可以把PVDF压电薄膜做成传感薄片放进口腔,用以测量牙齿的咬合力；也有文献指出用PVDF薄膜做成4x4阵列传感器放入鞋垫中,测量人体足底前掌部的受力情况。2.3 本章小结由于PVDF压电薄膜具有频响宽、对高频特别敏感、比压电陶瓷高几十倍的压电系数、质量轻、柔软以及对外界环境适应能力强等优点,已经被广泛应用到结构测量、而且较之其他传感器在性能上并不逊色。目前，研制PVDF阵列式传感器已成为又一研究热点。PVDF除了在工程技术应用中大放光彩之外，最近对其在监测人体动态状况，如脉搏、呼吸等方面的应用也开始慢慢成为探索的方向。本课题将自行设计PVDF压电传感器前端信号检测电路。此传感检测电路将主要由两部分组成：一是由PVDF压电薄膜制作而成的传感器前端放大和滤波电路组成的前置电路，二是由嵌入式系统组成的信号控制显示电路。通过实验，探索能与PVDF压电薄膜传感器相匹配的前置电路,探讨PVDF压电薄膜传感器在受到心肌细胞组织搏动时的幅频特性,并将PVDF压电薄膜传感器嵌入前端监测区域，配合放大滤波电路完成对心跳心率的监测，通过工业控制总线技术、嵌入式技术和DSP将实时信号反馈给主控端进行监控培养。第二章 展望与总结本系统通过灵活运用PVDF压电薄膜传感器来检测心肌细胞的活跃度，做到了当今科学研究领域的细胞体外培养仪大多做不到的，对心肌细胞进行检测以及培养，而且他们的体外培养仪价格偏高，只有少数科研机构才使用。大部分的科研院校还是使用人工培养的方法来对心肌细胞进行体外培养。经过以上分析，心肌细胞体外培养仪对医学界还是具有很重要的意义的。当然产品和技术还能不断进行改进，拓展各种各样的功能，做到一个真正的心肌细胞体外培养仪。参考文献1 Signal conditioning for piezoelectric sensorsJ. Texas Instruments: Eduardo Bartolome. Systems Engineer, Medical Business Unit. 2010：1-32 The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3M. Joseph Yiu and Wayne Lyons: Director of Embedded Solutions, ARM：126-1273 Introduction to Piezoelectric SensorsJ. Piezocryst Advanced Sensorics Gmbh: Jens Hammer Serensen.2005,08：1-24 姚剑清/Bruce Carter Ron Mancini.运算放大器权威指南(第3版)M.人民邮电出版社,2010.10：23-245 童诗白.模拟电子技术M.北京：高等教育出版社，1980.9.1：36-386 岳利民,崔慧先.人体解剖生理学(第五版)M.北京：人民卫生出版社，2013.47 卢喜烈. 心电图各波段与间期J.北京：心电图杂志，2012.1：1-28 沈建新,韩太真,程和平. 心肌细胞兴奋-收缩偶联的微观机制J.北京：北京大学生命科学学院膜与膜生物工程国家重点实验室，2004.12：1-29 牛凤筠.基于PVDF压电薄膜传感器的生理信号检测系统研究J.吉林：长春理