李瑞霞 劉傳朋

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826）

1 前言

組織工程是20世紀(jì)80年代崛起的一門(mén)生命科學(xué)，而構(gòu)造組織工程化心肌組織則是組織工程領(lǐng)域中重要的一個(gè)方面。目前已經(jīng)可以將膠原與心肌細(xì)胞混合培養(yǎng)后獲得一致的跳動(dòng)，該跳動(dòng)在頻率上和自然生長(zhǎng)的心肌組織吻合，但是心肌的跳動(dòng)產(chǎn)生的收縮力也是檢驗(yàn)組織工程化心肌性能的一個(gè)重要指標(biāo)，然而對(duì)收縮力的精確檢測(cè)的手段仍然不夠成熟。

有關(guān)計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)，主要有 A/D數(shù)據(jù)采集卡以及利用已有的通訊協(xié)議（例如RS232/485等）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。因此如何利用現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)具有多種功能的數(shù)據(jù)操作和處理平臺(tái)就成了一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。

本文從設(shè)計(jì)收縮力檢測(cè)裝置出發(fā)，設(shè)計(jì)出懸臂式拉伸檢測(cè)結(jié)構(gòu)。因?yàn)閂B的MSCOMM通信控件具有完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接受功能，利用它就可以屏蔽對(duì)硬件的操作，簡(jiǎn)易快捷地進(jìn)行串行通信編程，所以我們利用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)傳感器與PC計(jì)算機(jī)的通訊，并且在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了便于操作的數(shù)據(jù)采集與處理功能的操作平臺(tái)。

2 硬件介紹

2.1 拉伸裝置簡(jiǎn)介

簡(jiǎn)單機(jī)械收縮力拉伸機(jī)械應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拉伸同軸性好，試件裝拆方便，預(yù)緊調(diào)整方法可靠，以及實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好等特點(diǎn)。根據(jù)以上要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的懸臂式收縮拉力檢測(cè)裝置。

如圖1所示，收縮力檢測(cè)裝置包括底座/支架、力傳感器、于今螺母和支撐懸臂梁等幾部分組成。其中帶有溫度補(bǔ)償?shù)睦鞲衅魇窃撗b置的核心部件，并且應(yīng)變片包埋在硅膠粘合劑中而與空氣隔絕，避免了受外界的腐蝕作用，又由于其他所有的零部件都是不銹鋼制成，因此整個(gè)裝置可以放在水中測(cè)量，這對(duì)于測(cè)量心肌條帶的收縮力是必要的，因?yàn)榻M織工程化心肌條帶如果離開(kāi)培養(yǎng)液而暴露在空氣中，心肌細(xì)胞很快就會(huì)死亡。支架在靠近底部的某處可以折成90°從而使心肌條帶處于水平的位置，這就可以使心肌在檢測(cè)時(shí)放入培養(yǎng)皿等盛有培養(yǎng)液的容器里。

利用同軸定位原理將傳感器和支撐懸臂梁保持在同一平面內(nèi)，上面各裝有一個(gè)鉤子，鉤子通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)而保持嚴(yán)格的同軸心，這就保證了拉伸的嚴(yán)格同軸性，減小了測(cè)試的原理性誤差。通過(guò)預(yù)緊螺母將待測(cè)心肌條帶預(yù)緊于裝置上，那么心肌條帶的微弱跳動(dòng)都能被傳感器檢測(cè)到。

2.2 數(shù)據(jù)采集硬件及流程框圖

力傳感器檢測(cè)到的收縮力信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，我們?cè)偻ㄟ^(guò)放大器將微弱信號(hào)放大到數(shù)據(jù)采集卡能夠識(shí)別的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入到計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、打印、修改和分析等處理。整個(gè)過(guò)程的基本框圖如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的的主要功能和程序基本結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)的主要功能

基于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的檢測(cè)平臺(tái)希望實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)主要功能：

（1）文件讀寫(xiě)，包括讀入以前采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式合理；

（2）數(shù)據(jù)采集的控制及初步處理，包括采集時(shí)間和采樣頻率的預(yù)設(shè)和控制，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的實(shí)時(shí)中斷和抗干擾處理等；

（3）采集拉力數(shù)值在平面坐標(biāo)系里的實(shí)時(shí)變化曲線的繪制，附帶有圖像的存儲(chǔ)、調(diào)入以及粗細(xì)顏色變化的處理等；

（4）圖像重繪功能，對(duì)于得到不合適的圖像進(jìn)行坐標(biāo)軸大小的變換，得到便于分析的圖像。

3.2 程序基本結(jié)構(gòu)

該平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)按照以上幾個(gè)功能模塊作結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其簡(jiǎn)單流程圖如圖3所示，整個(gè)程序包括4個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、曲線實(shí)時(shí)繪制模塊、坐標(biāo)變換及重繪圖形模塊和菜單功能模塊。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊程序

數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)過(guò)放大器放大的傳感器信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊程序?qū)?shù)字信號(hào)依次讀出來(lái)，在讀信號(hào)之前，需要對(duì)采集通道進(jìn)行初始化，為了在采集的過(guò)程中消除一些干擾信號(hào)帶來(lái)的誤差，采用了濾波程序。

（2）曲線實(shí)時(shí)繪制模塊

曲線實(shí)時(shí)繪制模塊是該平臺(tái)的主要功能，包括曲線和采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，最值的跟蹤計(jì)算，波峰之間的時(shí)間間隔的窗口顯示和鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)坐標(biāo)值的即時(shí)顯示等功能。

（3）坐標(biāo)變換及重繪圖形模塊

坐標(biāo)的變換是為了適應(yīng)不同大小拉力測(cè)量值的繪制，在測(cè)量組織工程化心肌條帶這種拉里很小的試樣時(shí)，就需要坐標(biāo)刻度相對(duì)密集，因此我們采用了分段方法繪制或者重繪曲線。傳感器的測(cè)力范圍為0～5N，那么我們就將坐標(biāo)軸的類型分成3種，一種是測(cè)力范圍大于2N，它的坐標(biāo)最小刻度為0.5，一種是測(cè)力范圍在0.2N～2N之間，它的最小刻度為0.1，還有一種是測(cè)力范圍小于0.2N，相應(yīng)的坐標(biāo)最小刻度為0.01。開(kāi)始是系統(tǒng)默認(rèn)第一種坐標(biāo)方式，為了讓使用者注意坐標(biāo)系的選擇，我們系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)并不繪制出坐標(biāo)系，而是在需要繪制圖形的時(shí)候才提示使用者選擇坐標(biāo)系，下面幾幅圖代表了該功能的具體效果。由圖4～圖6的比較我們可以看出，圖5更為清楚地表達(dá)了數(shù)據(jù)的峰值間隔和熟知的變化趨勢(shì)，所以我們采用這種方法解決了圖形的合適顯示問(wèn)題。

當(dāng)然，對(duì)圖形的處理并不只有這些功能，還包括對(duì)過(guò)去曲線的顯示、放大、修改等等，因此圖形操作的模塊其實(shí)還具有圖像瀏覽軟件所具有的一些功能。

4 菜單功能模塊

圖7就是運(yùn)行中的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，它包括一個(gè)很醒目的數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)繪制區(qū)域，而其他的區(qū)域是下拉菜單和與之對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)菜單，這些菜單可以實(shí)現(xiàn)一些過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。

（1）文件菜單。文件菜單里含有對(duì)測(cè)量過(guò)程的控制，主要包括測(cè)量的開(kāi)始、暫停中斷、結(jié)束和退出測(cè)量等有用的控制功能；還包括對(duì)測(cè)量的初始化，包括采樣時(shí)間和采樣頻率的設(shè)定。

（2）處理菜單。該菜單包括對(duì)數(shù)據(jù)的最大值和最小值的計(jì)算和顯示，以及重繪圖形時(shí)坐標(biāo)數(shù)值的輸入接口等。

（3）曲線菜單。曲線菜單主要是對(duì)曲線的一些處理，包括顯示實(shí)時(shí)曲線、保存當(dāng)前曲線、放大當(dāng)前曲線、打印當(dāng)前曲線、顯示過(guò)去曲線以及曲線本身和背景顏色的設(shè)定等。

（4）幫助菜單。幫助菜單鏈接一個(gè)對(duì)系統(tǒng)使用方法和注意事項(xiàng)的說(shuō)明文本，可以提供給使用者必要的提示和幫助。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了應(yīng)用VB開(kāi)發(fā)應(yīng)用于組織工程心肌組織收縮力測(cè)量的系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，測(cè)量范圍廣，數(shù)據(jù)處理和圖形繪制功能強(qiáng)的特點(diǎn)。 本系統(tǒng)程序具有很好的可移植性，可以應(yīng)用于很多類似的系統(tǒng)中。為組織工程中一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)提供了一條比較方便的方法。

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