基于VB語言的組織工程化心肌收縮力檢測平臺的設計

李瑞霞 劉傳朋

（日照職業技術學院，山東 日照 276826）

1 前言

組織工程是20世紀80年代崛起的一門生命科學，而構造組織工程化心肌組織則是組織工程領域中重要的一個方面。目前已經可以將膠原與心肌細胞混合培養后獲得一致的跳動，該跳動在頻率上和自然生長的心肌組織吻合，但是心肌的跳動產生的收縮力也是檢驗組織工程化心肌性能的一個重要指標，然而對收縮力的精確檢測的手段仍然不夠成熟。

有關計算機對模擬信號的實時采集，已經有比較成熟的技術，主要有 A/D數據采集卡以及利用已有的通訊協議（例如RS232/485等）進行數據的采集和傳輸。因此如何利用現有的高級語言設計具有多種功能的數據操作和處理平臺就成了一個關鍵的問題。

本文從設計收縮力檢測裝置出發，設計出懸臂式拉伸檢測結構。因為VB的MSCOMM通信控件具有完善的串口數據發送和接受功能，利用它就可以屏蔽對硬件的操作，簡易快捷地進行串行通信編程，所以我們利用VB語言實現傳感器與PC計算機的通訊，并且在實現數據采集的基礎上，設計了便于操作的數據采集與處理功能的操作平臺。

2 硬件介紹

2.1 拉伸裝置簡介

簡單機械收縮力拉伸機械應該具有結構簡單，拉伸同軸性好，試件裝拆方便，預緊調整方法可靠，以及實驗重復性好等特點。根據以上要求，我們設計了如圖1所示的懸臂式收縮拉力檢測裝置。

如圖1所示，收縮力檢測裝置包括底座/支架、力傳感器、于今螺母和支撐懸臂梁等幾部分組成。其中帶有溫度補償的拉力傳感器是該裝置的核心部件，并且應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，因此整個裝置可以放在水中測量，這對于測量心肌條帶的收縮力是必要的，因為組織工程化心肌條帶如果離開培養液而暴露在空氣中，心肌細胞很快就會死亡。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時放入培養皿等盛有培養液的容器里。

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，上面各裝有一個鉤子，鉤子通過特殊的結構而保持嚴格的同軸心，這就保證了拉伸的嚴格同軸性，減小了測試的原理性誤差。通過預緊螺母將待測心肌條帶預緊于裝置上，那么心肌條帶的微弱跳動都能被傳感器檢測到。

2.2 數據采集硬件及流程框圖

力傳感器檢測到的收縮力信號經過傳感器轉化為微弱的電信號，我們再通過放大器將微弱信號放大到數據采集卡能夠識別的電壓信號，經過數據采集卡轉變成數字信號后進入到計算機，通過數據采集處理平臺進行存儲、打印、修改和分析等處理。整個過程的基本框圖如圖2所示。

3 數據采集及處理系統的的主要功能和程序基本結構

3.1 系統的主要功能

基于VB語言開發的檢測平臺希望實現以下幾個主要功能：

（1）文件讀寫，包括讀入以前采集的數據進行分析和存儲當前采集的數據，數據格式合理；

（2）數據采集的控制及初步處理，包括采集時間和采樣頻率的預設和控制，數據采集過程中的實時中斷和抗干擾處理等；

（3）采集拉力數值在平面坐標系里的實時變化曲線的繪制，附帶有圖像的存儲、調入以及粗細顏色變化的處理等；

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

3.2 程序基本結構

該平臺的程序設計按照以上幾個功能模塊作結構化設計，其簡單流程圖如圖3所示，整個程序包括4個功能模塊：數據采集模塊、曲線實時繪制模塊、坐標變換及重繪圖形模塊和菜單功能模塊。

（1）數據采集模塊程序

數據采集卡將經過放大器放大的傳感器信號調制成數字信號，數據采集模塊程序將數字信號依次讀出來，在讀信號之前，需要對采集通道進行初始化，為了在采集的過程中消除一些干擾信號帶來的誤差，采用了濾波程序。

（2）曲線實時繪制模塊

曲線實時繪制模塊是該平臺的主要功能，包括曲線和采集數據的實時顯示，最值的跟蹤計算，波峰之間的時間間隔的窗口顯示和鼠標點擊時坐標值的即時顯示等功能。

（3）坐標變換及重繪圖形模塊

坐標的變換是為了適應不同大小拉力測量值的繪制，在測量組織工程化心肌條帶這種拉里很小的試樣時，就需要坐標刻度相對密集，因此我們采用了分段方法繪制或者重繪曲線。傳感器的測力范圍為0～5N，那么我們就將坐標軸的類型分成3種，一種是測力范圍大于2N，它的坐標最小刻度為0.5，一種是測力范圍在0.2N～2N之間，它的最小刻度為0.1，還有一種是測力范圍小于0.2N，相應的坐標最小刻度為0.01。開始是系統默認第一種坐標方式，為了讓使用者注意坐標系的選擇，我們系統開始時并不繪制出坐標系，而是在需要繪制圖形的時候才提示使用者選擇坐標系，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更為清楚地表達了數據的峰值間隔和熟知的變化趨勢，所以我們采用這種方法解決了圖形的合適顯示問題。

當然，對圖形的處理并不只有這些功能，還包括對過去曲線的顯示、放大、修改等等，因此圖形操作的模塊其實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就是運行中的數據采集平臺，它包括一個很醒目的數據曲線實時繪制區域，而其他的區域是下拉菜單和與之對應的圖標菜單，這些菜單可以實現一些過程控制和數據處理的功能。

（1）文件菜單。文件菜單里含有對測量過程的控制，主要包括測量的開始、暫停中斷、結束和退出測量等有用的控制功能；還包括對測量的初始化，包括采樣時間和采樣頻率的設定。

（2）處理菜單。該菜單包括對數據的最大值和最小值的計算和顯示，以及重繪圖形時坐標數值的輸入接口等。

（3）曲線菜單。曲線菜單主要是對曲線的一些處理，包括顯示實時曲線、保存當前曲線、放大當前曲線、打印當前曲線、顯示過去曲線以及曲線本身和背景顏色的設定等。

（4）幫助菜單。幫助菜單鏈接一個對系統使用方法和注意事項的說明文本，可以提供給使用者必要的提示和幫助。

結語

本文介紹了應用VB開發應用于組織工程心肌組織收縮力測量的系統。經過測試實驗證明，該系統具有穩定性好，測量范圍廣，數據處理和圖形繪制功能強的特點。 本系統程序具有很好的可移植性，可以應用于很多類似的系統中。為組織工程中一些實驗數據的檢測提供了一條比較方便的方法。

[1]李淑華.vb 程序設計及應用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王化祥.傳感器原理及應用（第三版）[M].天津：天津大學出版社，2007.

[3]房慶華，葛劍鴻.卷取機關鍵零件力學分析程序設計[J].山西冶金，2014（04）.

[4] 田艷鳳，季凱，李培君.VB 環境下基于KPCI-812 的采集系統的設計與實現[J].未來英才，2015（04）.