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水平旋轉式細胞種植支架裝置的醫學設計與實現

  • 發布日期:2018-09-09
  • 責任編輯:lgg
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本文是一篇碩士醫學論文,醫學論文是科技論文的一個分支學科,是報道自然科學研究和技術開發創新性工作成果的論說文章,是闡述原始研究結果并公開發表的書面報告。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇碩士醫學論文,供大家參考。
 
1 緒 論
 
1.1 課題研究背景
冠狀動脈硬化疾病在心血管疾病中所占比例較大,病變部位多出現血管狹窄、血流不暢等癥狀,經皮冠狀動脈介入術(Percutaneous transluminal coronaryangioplasty, PTCA)是其主要治療方式[1]。而血管支架的誕生又推動了 PTCA 的進一步發展,使其成為近年來 PTCA 治療的主要手段。血管支架植入即將血管支架植入到發生冠狀動脈硬化疾病的狹窄血管中,通過支架的無力支撐維持術后血管的擴張狀態和血運的重建,同時也能減少損傷修復的影響,較長時間內可起到防止血管收窄的作用。但血管支架植入后,不僅有長期服藥需求,且并不能完全解決支架內再狹窄(In-stent Restenosis, ISR)和支架內血栓兩大問題[2,3],臨床應用受到了較大的限制。近年來,研究表明:內皮細胞在冠狀動脈硬化前后扮演了重要角色[4–6],動脈硬化早期,重要的病理變化之一是內皮細胞功能障礙損害了血管屏障功能,支架植入后,內皮完整性和正常的功能可以顯著降低支架內再狹窄率和支架內血栓形成率。因此,支架植入后促進支架表面快速內皮化是未來支架的發展方向之一。目前,支架促內皮化的研究主要有兩種:① 體內捕獲細胞支架[7–10],通過體內內皮化途徑實現對內皮細胞的捕獲功能,即修飾支架材料表面,支架植入后,誘導內皮細胞在支架材料表面進行增殖和分化,形成內膜層;② 體外細胞種植支架[11–13],體外內皮化,即指借助于體外環境,直接將細胞種植在支架表面,先形成內皮層,支架植入后,內皮層有助于增加生物相容性,實現快速內皮化。而體外細胞種植支架常用靜態培養法,但是靜態培養暴露出了一些問題,最為突出的是血管支架上的細胞在重力的作用下出現分布不均勻、粘附數量不足等問題,主要表現為細胞在血管支架底部聚集,另一側出現種植“盲區”。另外,培養方式也影響細胞的生長,細胞的功能因培養方式不同而存在差別。細胞種植支架以其獨特的優勢有望成為未來介入術治療的主流手段之一。因此,十分有必要從種植裝置出發,通過改進細胞種植支架技術來優化細胞支架的質量,推進細胞種植支架的深入研究。
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1.2 國內外研究現狀
 
1.2.1 血管支架研究現狀
目前,血管支架經歷了三次歷史性變革,具體為:第一代冠脈支架[16]為金屬裸支架(Bare Metal Stent, BMSs),但臨床治療發現,裸金屬支架(BMSs)的 ISR 發生率在 20-30%之間[17],嚴重時會出現血管堵塞現象,影響動脈的暢通,加大 ISR 及二次治療難度。第二代血管支架為藥物洗脫支架(Drug-eluting Stent, DESs)[18,19],其結構基礎為金屬裸支架,其上附著有治療冠心病藥物且生物相容性較高的聚合物涂層。藥物洗脫支架將術后再狹窄將至 5-20%[20],患者術后可不必全身用藥,但藥物洗脫支架仍有形成血栓的風險,這類支架的長期安全性遭到了質疑[21,22],藥物釋放完后,也存在因內皮修復延遲而導致的晚期 ISR 和支架內血栓。研究者們基于材質創新,希望固體支架完成使命后在一定時間內在體內自行溶解,被機體吸收,避免局部炎癥反應,這也就是第三代血管支架--可降解支架[23,24]。該類支架改進了表面處理工藝,創新了支架表面的涂層模式和藥物的釋放控制,植入后,短期內可抑制內皮細胞的急速增生,長期可輔助支架與血管內層的融合,使內皮化穩定,避免了支架內血栓的發生[25,26]。不難發現:術后內皮化過程即為重要[27],且支架研發最終的落腳點都是促進血管的快速內皮化,但內皮化路徑有所不同。
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2 控制系統總體設計
 
2.1 水平旋轉培養法設計分析
目前,國內外的細胞種植支架多數采用靜態培養法,受血管支架的三維結構及微重力限制,此類支架最顯著的不足是細胞在靠近支架底部生長,另一側出現“盲區”,細胞分布明顯不均勻,而且已粘附的細胞在后續培養中也會出現脫落或死亡的現象。而水平式旋轉培養法[45,53]中,細胞在水平軸上下方區域所處的狀態不同,上方區域幾乎呈微重力狀態,削弱了因重力引起的細胞沉降,下方區域呈超重狀態,加速細胞沉降,但是在旋轉條件下,由于周期性的失重與超重綜合作用,可克服重力對細胞的作用,實現對人體細胞所處微重力環境的模擬。另一方面,低速穩定時,培養液與細胞之間無相對運動,剪切應力穩定且趨于零,可避免細胞的機械損傷,利于維持細胞的活性及三維結構。此外,旋轉還可促進物質間的傳輸,包括液體與液體之間的交換和氣體與液體之間的交換。與靜態培養法相比,水平式旋轉培養法能促進細胞懸液與支架表面的充分接觸,使細胞在支架涂層上更加均勻、良性生長。但受專業、材料、培養目的等的限制,旋轉培養法的工藝更為復雜,影響細胞粘附的因素也有差異。而在電子電路系統中,基于單片機的 PWM 輸出控制加熱棒和電機即可實現恒溫以及旋轉控制,考慮到低速旋轉的要求,電機類型選用步進電機。此外,紅外遙控及上位機可實現制備裝置的智能化及數字化、實時監測培養條件。本文基于水平式旋轉培養法來設計細胞種植支架裝置,使裝置獨立完成種植作業,且實現細胞在支架上的均勻粘附生長。
.........
 
2.2 總體設計
 
2.2.1 系統構架設計
基于裝置總體需求,裝置框圖結構如圖 2.1 所示,整個控制裝置由主要由STM32 最小裝置電路、電源電路、溫度采集電路、加熱電路、電機控制電路、紅外接收單元、JTAG 接口電路、液晶顯示電路、串口電路等組成,軟件部分包含兩部分,硬件驅動程序設計主和上位機設計。上位機程序設計如圖 2.2 所示,的主要目的是便于系統的可視化,實現系統的人機交互功能。實現的功能包括:① 串口通信的建立,主要作用是建立上位機程序與裝置硬件部分之間的通信橋梁,實現數據流的傳輸,同時對數據流進行 CRC校驗;② 控制功能,即上位機發出溫度、轉速等相關參數的設置或調整指令后,可控制系統相應功能的執行;③ 顯示功能,數據流由硬件傳輸至上位機時,上位機實時顯示部分種植參數值及動態變化曲線。
.........
 
3 硬件設計.......11
3.1 STM32F103CBT6 最小系統設計..........11
3.2 電源電路..........12
3.3 溫度采集及轉換模塊..........14
3.4 控制執行電路............16
3.5 EEPROM 存儲電路............20
3.6 JTAG 接口電路 ........20
3.7 串口通信模塊............20
3.8 人機交互模塊設計....21
3.9 PCB 布板及模具設計.........23
3.10 本章小結........25
4 硬件控制程序設計.....27
4.1 程序開發環境............27
4.2 程序設計..........2
4.3 PWM 電機控制算法...........29
4.4 溫度轉換及處理........30
4.5 紅外遙控及解碼........34
4.6 串口通信..........35
4.7 本章小結..........36
5 LabVIEW 上位機設計......37
5.1 通信協議設計............37
5.2 串口配置..........37
5.3 模擬轉盤..........38
5.4 發送讀取指令............39
5.5 串口數據讀取............38
5.6 串口數據寫入及響應程序............41
5.7 上位機界面設計........45
5.8 本章小結..........46
 
6 裝置性能測試與初步驗證
 
在前述工作完成后,本章將各個模塊集成為完整的種植裝置,并對裝置整體的結構及操作進行說明,對裝置的相關性能進行了測試,并進行相關的工藝參數帥選和對裝置種植均勻性進行初步驗證。
 
6.1 裝置組裝及操作
打開 LabVIEW 上位機,點擊“執行”進入“操作”界面。選擇串口號,建立通信,設置“目標溫度”,啟動溫控,軟件實時顯示裝置的環境溫度、細胞培養室的實時溫度,顯示設備的實時溫度曲線;設置“調速步進”,點擊“左轉”或者“右轉”設置轉向,可通過模擬轉盤監控轉向,點擊“轉速+”或者“轉速-”使電機達到目標轉速;點擊“轉動”啟動電機。紋波即為直流穩定量中夾雜的交流成分,會引進噪聲,干擾系統工作,因本裝置對溫度采集的速度和精度有較高的要求,為了避免電路中的數字或邏輯控制芯片受到紋波干擾,增強裝置的運行穩定性,故在進行電源電路設計時考慮盡量減小紋波輸出,本文電源電路紋波測量工具為示波器,輸入 24V/2A。
..........
 
總結
 
研究表明,內皮細胞參與了冠脈疾病的發病機制及治療機理,維持內皮及其功能完整性能顯著降低支架內再狹窄率和支架內血栓形成率。但傳統的靜態培養法限制了細胞種植支架的質量,本文基于實驗室前期的支架旋轉培養數值模擬結果,從改善細胞種植支架技術的角度出發,獨立自主設計了水平旋轉式細胞種植支架裝置,本文完成的詳細工作如下:① 歸納了支架植入后促進支架表面快速內皮化是改善血管內支架有效性、安全性的重要途徑,綜述了現有血管內支架的研究現狀和細胞支架制備上的不足。基于水平式旋轉培養原理及實驗室前期的模擬仿真結果,提出了系統需求,完成系統方案設計。② 完成裝置各個工作模塊的硬件電路設計,其中,硬件設計以 STM32F103為核心,結合繼電器、加熱棒、模擬溫度傳感器 PT100、模數轉換器 ADS1234 等實現溫度數據采集,基于步進電機實現對轉速的連續調節控制;基于 SolidWorks完成旋轉培養管的設計及加工。③ 完成硬件控制程序設計,結合 PID 算法及 Ziegler-Nichols 回路整定技術實現恒溫控制,溫度失調時進行報警;基于紅外遙控器實現對種植參數的控制、調節及液晶顯示。④ 完成了 LabVIEW 上位機程序設計,上位機程序基于串口協議實現對寄存器的讀寫操作,建立與硬件裝置之間的通信,實現對種植參數的設置及調節,且對部分種植參數進行實時監測,完善了裝置的可操作性和可視化。⑤ 細胞種植支架裝置的測試與初步驗證裝置組裝后,完成運行穩定性測試、溫度及轉速調節測試、上位機與液晶顯示的一致性測試。設計正交實驗測定細胞種植數量最多的組合,完成了裝置的工藝參數優化,最佳組合為轉速 1.5r/min、細胞液濃度為 7.5×105個/ml、旋轉培養8h。在最佳種植參數下比較水平旋轉式種植與靜態培養后細胞在支架管材表面的分布均勻性,結果表明本種植裝置顯著改善了支架表面細胞的粘附均勻性。本研究致力于從制備方法上入手,獨立自主設計了細胞種植支架裝置,將電子電路知識、細胞培養技術等融入到細胞支架種植裝置的設計上,改善細胞支架的種植效果,且裝置操作簡單,數字化、可視化、自動化程度較高。實驗結果表明,本裝置能夠完成細胞支架的制備,且與靜態培養法相比,顯著改善了支架表面細胞的細胞粘均勻性。
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參考文獻(略)

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