开题报告-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）开题报告题 目心肌细胞体外培养仪学 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 号指导教师一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.1 目的及意义近年来，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。如何花费少量的人工投入、使用简便的手段、采取有效的方法来培养大量具有正常生理功能的心肌细胞组织、减少心肌细胞组织培养的人工成本、提高心肌细胞组织培养的存活率、去除非心肌细胞的影响等等，都是心肌细胞培养技术中的主要难点。据悉现在的细胞培养仪价格少则五六千，多则上万，而且大多数需要手工操作，并且由于心肌培养材料的价格不菲，如何减少人工培养中发生的错误和染菌的风险、减少培养材料的消耗、能够设定适宜培养的环境以及降低培养成本，也成为了心肌细胞培养技术中广为关注的问题。因此，心肌细胞体外培养仪这一课题的提出，对于医学细胞培养的研究领域具有非常大的意义。本细胞体外培养仪可以时刻告知研究人员细胞组织的实时环境状况。通过对于心肌细胞组织活跃度的检测，还能够定时对心肌细胞组织进行自动控制输液培养，同时还能将心肌细胞组织的活跃度绘制成研究参考曲线显示在自带的液晶屏用于多种心肌细胞组织特性分析等运用。由于本培养仪是用ARM构架的微处理器构建，性能高而且稳定性可靠，只要给予培养材料和设定培养条件即可以做到二十四小时全天候不间断无人工操作培养。在其必要时还可以简单的修改电路，进行方便的扩展其功能，诸如PH值检测、生理电信号检测、增加电刺激信号等等。1.2 国内外研究状况由于因为细胞培养的复杂条件还有其重要的医学研究价值，有不少国外企业在研制功能种类不同的细胞培养工作站。国外的全自动细胞培养仪有德国CULTEX生产的LTC-C以及Zellwerk生产的ZRP，由于这些进口细胞培养设备功能齐全、用途广泛的原因，造成其价格昂贵且体型规模巨大，但前者只是做到了换液全自动控制，是做不到根据心肌细胞组织的实时状态，然后自动调整其培养的条件的。后者据说通过3D技术能培养任何细胞，但由于进口的价格昂贵而极少被运用。国内企业大多数制造的都是半自动的人工细胞培养工作站，由于培养细胞的种类繁多以及和成本限制，不能做到对心肌细胞组织进行全天候无人工自动控制大规模培养。因此，本课题的提出将会弥补国内心肌细胞大规模培养方向的空白。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：2.1 基本内容本课题结合了目前最新的传感技术PVDF压电薄膜传感器，DSP数字信号处理技术以及CAN总线通讯技术。通过PVDF压电薄膜传感器来感知心肌细胞组织的活跃状态，返回的电荷信号量经过积分电路调理转换成电压信号，经过微控制器中的数字信号处理算法，将原始的电信号提取出有效的传感信号组成一系列数据结构显示在液晶屏上。2.2 技术关键(1) 传感器前端电路的设计，保证传感器信号的完整；(2) 数字信号处理算法设计，选用合适的DSP算法对信号进行滤波，提取信息；(3) 选取合理的数据结构，加快信号传输以及数据处理的速度，减少数据冗余；(4) CAN总线通讯协议设计，简单快速通讯，提高传输效率，设计热插拔协议；(5) 多协处理器阵列设计，总线技术、任务分布式处理，简单扩展，最大支持8个单元系统同时工作，提升总体运行速度；(6) 友好的GUI界面设计，让技术人员简单操作，对心肌细胞状态一目了然；(7) 无操作系统程序设计，保证系统看门狗24小时运行监视，不死机。2.3 主要问题本系统的主要问题在于传感器前端电路的设计。因为PVDF压电薄膜传感器传输出来的电信号量为电荷信号，其信号非常微弱为0.01pC数量级，但由于其灵敏度非常高，以至于能够捕捉人体表面脉搏的微弱跳动，因此广泛应用于微弱震动的检测。所以对于传感器前端电路的设计是本课题涉及的主要问题。另一个主要问题是数字信号处理算法的设计。如何提取出经过12位高精度AD采样出的离散信号中有用的数字信号是本课题的难点，因为提取出有用的信号，需要先对信号进行合理的数据分析，而心肌细胞的跳动是不规则的，而且在复杂的环境中还会有很多杂余信号的出现，所以选取数字信号处理的算法是一个难点。三、研究步骤、方法及措施：3.1 研究步骤3.1.1 PVDF压电薄膜传感器探究PVDF压电薄膜是一种新概念高分子聚合物传感器材料。作为一种传感器，它的柔软度非常好，只要发生一点点形变或扭曲就会产生压电特性。它极高的压电常数、质量又轻、加工特性好、频率响应宽，是一种非常适合感应轻微震动的传感器材料。由于其压电薄膜的输出特性比较特别，它的后端电路设计的可靠性会显得非常重要。对于压电薄膜传感器的工作主要由以下几个方面：(1) 研究电荷信号对于电压信号的转换，设计第一级电荷放大电路，第二级电压偏置电路，将原始型号输出给AD采集。(2) 确定电荷放大电路的运放类型，根据调试出来反馈电路的最佳参数来选取实际电容电阻。(3) 选取合适的数字滤波器，将杂波滤除，保留有用的信号，算出信号特性。(4) 通过电路的最佳参数，显示出心肌细胞组织的活跃程度。3.1.3 uC/GUI人机交互界面设计图形用户界面在很多工业应用场合给人们提供视觉友好的界面操作，可以代替诸多复杂的按键操作以及开关控制。因此，大多数成熟的系统都采用了图形用户界面的设计。uC/GUI可以在任意嵌入式应用中给用户提供一个灵活友好的图形界面，通过TFT触摸屏显示各种开关量、模拟量以及绘制图形曲线，开发者可以完全自定义各种界面状态，但是想要真正运用uC/GUI图形用户界面需要参考许多国外文献资料，比较花费时间。3.2 研究方法如图所示，本套系统由ARM微控制器MCU为核心，通过前端信号采集系统、数字信号处理模块、用户图形界面模块以及系统通讯总线所组成。通过逐步模块化研究，实现的工作如下：1) 实时采集心肌细胞组织的活跃程度，在图形界面中显示2) 参数调节培养，将培养数据记录在案，上位机可分析不同培养液的影响大小3) 能够实现大规模心肌细胞培养，可实现量产化图3-1 心肌细胞培养仪研究方法组成框架3.3 研究措施本系统采用经济小巧的STM32F103C8T6单片机作为前端信号采集端的主控芯片，来负责接收培养控制信息、控制培养闸门、信号采集、温度采集、湿度采集等功能。利用资源丰富的STM32F103ZET6作为主控制后端的主控芯片，来负责人机界面的操作等功能。系统的通讯总线原本全部采用无线模块，但由于前端供电必须要加电池，多此一举，最后换成了高可靠性、高传输速率、高传输距离的CAN总线通讯。为保证系统运行的可靠性，本系统并未上操作系统。通过看门狗检测单线程的运行状态，提高系统的安全。四、研究工作进度：序号时间内容12015/1/04-2015/3/10文献阅读，英文翻译，开题报告，开题准备22015/3/11-2015/3/29开题，完善系统总体设计，完成系统详细设计32015/3/30-2015/4/26绘制原理图,编写程序流程42015/4/27-2015/5/17编写相关测试软件52015/5/18-2015/5/31论文撰写62015/6/01-2015/6/07答辩准备及答辩五、主要参考文献：1 Signal conditioning for piezoelectric sensorsJ. Texas Instruments: Eduardo Bartolome. Systems Engineer, Medical Business Unit. 20102 The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3M. Joseph Yiu and Wayne Lyons: Director of Embedded Solutions, ARM3 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,2010.104 童诗白.模拟电子技术M.北京：高等教育出版社，1980.9.15 龙志强,李晓龙.CAN总线技术与应用系统设计M.北京：机械工业出版社，2013.46 牛凤筠.基于PVDF压电薄膜传感器的生理信号检测系统研究D.吉林：长春理工大学,2010.127 王川北,刘强.深入浅出USB系统开发-基于ARM Cortex-M3M.北京：北京