细胞体外定量缺氧培养实验测控系统的研制
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摘要
探究缺氧状况下人体细胞的发生、发展、结构与功能、病变机制、衰老死亡的特征已逐渐成为生物医学研究的一个活跃领域。而构建缺氧培养环境作为确立细胞缺氧损伤模型实验的基础工作是极其重要的。但由于生物体本身是复杂的自组织自适应系统,在体实验往往受到体液、呼吸、循环等复杂因素的影响,很难解释某单一因素的影响作用和强度。所以建立具有一定精确度的细胞体外定量缺氧培养实验装置,成为目前生物医学工程研究领域研究的热点。
本论文基于细胞体外缺氧培养的实验要求,开展了定量缺氧培养测控系统的研制工作,并根据实验结果作了相应的校正优化。论文研究的主要内容及特色如下:
(1) 分析国内外相关文献资料,总结现有的构建缺氧培养环境的实验方法,以CO_2培养箱为对象提出了以计算机技术为核心开发细胞体外定量缺氧培养测控系统的设计思路。
(2) 基于硬件控制,研制了细胞体外定量缺氧实验装置。并从抗干扰的角度,采用迟滞电压比较电路,改进了氧浓度控制电路。避免了系统在实验过程中电磁阀所出现的频繁开闭现象。
(3) 基于计算机控制,开发细胞体外定量缺氧实验测控系统。以实现细胞体外定量缺氧培养为基本目标,选择高精度氧变送器,配合多功能数据采集卡,完成整套系统的数据采集工作。再结合相应的数据处理算法,利用阈值比较实现对执行机构——电磁阀的通断控制。并且从测控操作的实际需要出发,构建测控软件的操作界面,不仅使系统的调控工作更加灵活,也实现了对监控环境中氧浓度的实时观测。
Exploring the cell's occurrence, development, configuration and function, mechanism of pathological changes, characteristic of consenescence and decease has being the active field in the domain of biomedical research. And As the basic for the whole experimental work, designing the model of hypoxia cell culture is very important. However, organism is a complex system which organizes and accommodates both by itself, so owing to the staggering complexity of the in vivo environment, establishing an experimental system for hypoxia cell culture in vitro proved with acceptable precision is the indispensable experimental method in the biomedical researches.An experimental system for hypoxia cell culture in vitro supported was established in this paper, on the elementary demands of the experiment for hypoxia cell culture. The following results were attained,(1) The thesis reviewed the current literature and summarized the up-to-data experimental devise and methods for hypoxia cell cultured. The merits and demerits of each design were especially analyzed.(2) A devise for hypoxia cell culture was established based on the hardware control design.(3) A measuring and controlling system for hypoxia cell culture established based on the PC control. The modified system can not only process the sampling data more efficiently with the data pretreatment and fixed value control arithmetic, but
also provide an interface for manipulating and observing in real time.(4) Measuring and controlling system Emendation by experimentation considering the sampling delay for the gas diffusing. And acquire the delay coefficient used in optimized arithmetic. After emendation by experimentation, the precision reaches 0.8% in the oxygen consistence controlling range froml% to 5%, and reaches 0.7% above 5%.(5) Aiming at the deficiency of on-off control system, this paper provided a optimized arithmetic, PID Control with the Smith Precompensation, from the continuous control theory. Theoretic preparative was made for further improvement.
本论文基于细胞体外缺氧培养的实验要求,开展了定量缺氧培养测控系统的研制工作,并根据实验结果作了相应的校正优化。论文研究的主要内容及特色如下:
(1) 分析国内外相关文献资料,总结现有的构建缺氧培养环境的实验方法,以CO_2培养箱为对象提出了以计算机技术为核心开发细胞体外定量缺氧培养测控系统的设计思路。
(2) 基于硬件控制,研制了细胞体外定量缺氧实验装置。并从抗干扰的角度,采用迟滞电压比较电路,改进了氧浓度控制电路。避免了系统在实验过程中电磁阀所出现的频繁开闭现象。
(3) 基于计算机控制,开发细胞体外定量缺氧实验测控系统。以实现细胞体外定量缺氧培养为基本目标,选择高精度氧变送器,配合多功能数据采集卡,完成整套系统的数据采集工作。再结合相应的数据处理算法,利用阈值比较实现对执行机构——电磁阀的通断控制。并且从测控操作的实际需要出发,构建测控软件的操作界面,不仅使系统的调控工作更加灵活,也实现了对监控环境中氧浓度的实时观测。
Exploring the cell's occurrence, development, configuration and function, mechanism of pathological changes, characteristic of consenescence and decease has being the active field in the domain of biomedical research. And As the basic for the whole experimental work, designing the model of hypoxia cell culture is very important. However, organism is a complex system which organizes and accommodates both by itself, so owing to the staggering complexity of the in vivo environment, establishing an experimental system for hypoxia cell culture in vitro proved with acceptable precision is the indispensable experimental method in the biomedical researches.An experimental system for hypoxia cell culture in vitro supported was established in this paper, on the elementary demands of the experiment for hypoxia cell culture. The following results were attained,(1) The thesis reviewed the current literature and summarized the up-to-data experimental devise and methods for hypoxia cell cultured. The merits and demerits of each design were especially analyzed.(2) A devise for hypoxia cell culture was established based on the hardware control design.(3) A measuring and controlling system for hypoxia cell culture established based on the PC control. The modified system can not only process the sampling data more efficiently with the data pretreatment and fixed value control arithmetic, but
also provide an interface for manipulating and observing in real time.(4) Measuring and controlling system Emendation by experimentation considering the sampling delay for the gas diffusing. And acquire the delay coefficient used in optimized arithmetic. After emendation by experimentation, the precision reaches 0.8% in the oxygen consistence controlling range froml% to 5%, and reaches 0.7% above 5%.(5) Aiming at the deficiency of on-off control system, this paper provided a optimized arithmetic, PID Control with the Smith Precompensation, from the continuous control theory. Theoretic preparative was made for further improvement.
引文
1 金惠铭 主编.病理生理学.北京:人民卫生出版社,2000
2 余从年,胡继鹰.医学细胞生物学导论.北京:科学出版社,2001
3 柴作春,刘桂清,王仲祥.浅谈高原红细胞增多症的有效预防.中国社区医师,2004;6(12):253-256
4 刘国峰.高原缺氧对人体的影响综述.水利水电技术.1995;1:198-202
5 翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学.北京:高等教育出版社,2000
6 Kerr J F R, Wyllie A H, Carrie A R. Appoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics[J]. Br Cancer. 1972; 26 (3): 239-257
7 刘军 张峰.缺氧又到体外培养的心肌细胞凋亡及检测方法研究.护理研究.2002;16(9):504-505
8 Robert, Vender. Chronic hypoxic pulmonary hypertension. Cell biology to pathophysiology. Chest. 1994; 106-236
9 陶清国 张珍祥 徐永建.慢性缺氧对大鼠肺内细胞增殖、凋亡及相关基因表达的影响.中国病理生理杂志.1999;15(5):459-461
10 Rabb H, Daniel F, O'Donnell M, et al. Effect of reversible ATP depletion tight junction integrity in LLC-PK1 cells. Am Physiol. 1990; 261: 1038-1045
11 刘宏,吴雄飞,金锡御.缺氧、氧损伤对肾小管上皮细胞α3整合素表达及粘附性的影响.中华器官移植杂志.2002;23(5):300-302
12 刘小红,陈征起,和光祖.大脑皮层神经细胞原代培养及其缺氧损害模型.西安医科大学学报.1996;17(1):57-59
13 Krieglstein J, Brungs H, Peruch B. Cultured neurons for testing cerebroprotective drugs effect in vitro. J Pharmacol Methods. 1988; 20 (1): 39
14 Peruch B, Ahlemeyer B, Brungs H, et al. Cultured neurons for testing antihypoxic drug effect. J Pharmacol Method. 1990:23 (1): 63
15 王卫东,陈正堂,段玉忠,赵志强,钱桂生.一种用于定量研究细胞缺氧的简易模型.中国病理生理杂志.2003:19(8):1151-1152
16 郭胜祥,牛淑洁,翁心植,张洪玉,庞宝森,张海燕,黄秀霞.一种简易实用的常压 低氧舱系统.中华结核和呼吸杂志。1996;19(5):252
17 曾晓蓓,李宝红,孙海梅,瓦龙美.小鼠常压低氧舱的制作与应用.首都医科大学学报.2003;24(2):100-104
18 潘殿柱,李永春.简易常压低氧舱系统得改进.锦州医学院学报.2004;25(3):78
19 彭斌,李舜伟,谭会兵.慢性间断性缺氧诱导大脑细胞凋亡的研究.北京医学.2002;24(5):339-341
20 Rabinovitch MW. Rat pulmonary circulation after chronic hypoxia: hemodynamic and structural featuresAm J Physiol. 1979; 263:818-827
21 Porcelli RJ Bergman JA. Effects of chronic hypoxia on pulmonary vascular responses to biogenic amines. J Appl Physiol. 1983; 55:534-540
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23 Schwartz W B, Silverman L. A large environmental chamber for the study of hypercapnia and hypxia[J]. Appl Physiol. 1965; 20 (3): 767-774
24 曹枫,骆玮,姜北生,赵春光.二氧化碳培养箱工作原理、校准及日常保养.医疗设备信息.2003;18(12):24-25
25 任起辉,王稚英,陈晓靖.缺氧对成骨细胞VEGF和BMP-2表达的影响.锦州医学院学报.2004:25(4):14-17
26 章茜,于桂芬等.缺氧对大鼠大脑皮层细胞过氧化物及巯基含量影响.河南医科大学学报.1994;29(4):286-288
27 颜贻谦,周振华,季萍,顾锦法.缺氧对离体鸡胚前脑神经细胞生长的影响.生理学报.1992;44(5):524-527
28 袁响林,于世英,夏曙,胡健莉,胡国清,许三鹏.缺氧对人肺腺癌细胞A549细胞周期阻滞和HIF-1α表达的影响.华中科技大学学报(医学版).2004;33(2):169-172
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32 王煜,肖波.缺氧诱导胚胎大鼠神经干细胞凋亡的初步研究.中国病理生理杂志.2003;19(4):544-545,571
33 樊利芳,刁路明,江从庆等.缺氧诱导因子-1α在结直肠腺癌中的表达及意义.中华病理学杂志.2004;33(3):242-246
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36 刘建猷,刘建东,程泽.迟滞比较器数学模型.天津大学学报.1996;29(4):581-585
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39 袁辉编著.C++Builder实用教程.成都:电子科技大学出版社.1998
40 Borland/Inprise(宝兰-英博斯)公司著.c++Builder 5开发人员指南.北京:机械工业出版社.2000
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47 沈兰荪.数据采集与处理.北京:能源出版社.1987
48 王正光,周忠英,侯伯庭,李伯成.数据采集与处理.北京:国防工业出版社.1985
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54 中国物理学会编.大学物理.北京:北京大学出版社.1982
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56 谢剑英编著.微型计算机控制技术.北京:国防工业出版社.1997
57 方康玲,王新民,刘彦春编著.过程控制系统.武汉:武汉理工大学出版社.2002
58 张国范,顾树生,王明顺等编著.计算机控制系统.北京:冶金工业出版社.2004
59 王建华,黄河清编著.计算机控制技术.北京:高等教育出版社.2003
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2 余从年,胡继鹰.医学细胞生物学导论.北京:科学出版社,2001
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56 谢剑英编著.微型计算机控制技术.北京:国防工业出版社.1997
57 方康玲,王新民,刘彦春编著.过程控制系统.武汉:武汉理工大学出版社.2002
58 张国范,顾树生,王明顺等编著.计算机控制系统.北京:冶金工业出版社.2004
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