CN107228838A - 一种基于光纤的细胞弹性测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤的细胞弹性测量系统及测量方法，该系统包括光纤、保护套、驱动电机、解调仪和处理器，驱动电机固定在保护套内，光纤活动设置在保护套中且光纤一端外露出保护套，驱动电机连接光纤，光纤连接解调仪，驱动电机和解调仪均连接处理器；驱动电机驱动光纤在保护套内运动，外露的光纤端部压入细胞试样内部，解调仪获取光纤光信号并解调为电压信号，处理器记录驱动电机驱动光纤运动位移以及解调仪获取的相应的电压信号，处理器对光纤运动位移和电压信号进行处理得到细胞试样弹性大小。与现有技术相比，本发明测量精度高，测量结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞弹性测量系统及测量方法，尤其是涉及一种基于光纤的细胞弹性测量系统及测量方法。
背景技术
除骨和牙齿外，生物体所有其他组织如：器官、肌肉、血管、筋、腱、眼角膜、皮肤等、甚至于细胞均为生物软组织。当生物软组织的弹性发生变化时，一般可表明其功能异常或疾病已经发生，现有研究表明，一些疾病如恶性肿瘤、肝硬化、动脉粥样硬化、纤维症等等均会导致生物软组织的弹性变化。因此，生物软组织的弹性测量对于疾病的早期诊断具有非常重要的作用。近年来，弹性成像技术已广泛开展来测量生物软组织的弹性作为疾病判断的依据，如核磁共振弹性成像、超声弹性成像等已经在临床上广泛应用。这些成像方法均能对生物软组织的弹性进行定性测量：当病变组织与正常生物组织弹性存在数量级差异时，用这些成像技术能够实现对健康和病变组织的甄别。但这些方法为定性方法，当生物组织弹性发生较小变化时，无法通过这些方法进行判断，因此现有弹性成像方法无法作为疾病的早期诊断方案。为能使弹性成像具有更广阔的病理检测应用前景，提出生物组织弹性定量检测方法非常必要。
现有定量检测生物组织弹性方法主要有压痕法和拉伸法。压痕法因为实验装置制作相对简单，容易操作而被广泛应用，压痕法实验装置如图1所示。装置主要由伺服马达11和激光位移计12这两部分组成。试样15放置于试样台16上，悬臂梁13置于试样15上方，伺服马达11主要用来控制悬臂梁13的下降位移，使悬臂梁13前面的小球14压入试样15内，同时读取伺服马达11的下降位移。在小球14表面碰到试样15表面后，悬臂梁13受到试样15反作用力而弯曲，激光位移计12入射激光打到悬臂梁13背面并反射，通过检测反射激光点位置可推导悬臂梁13所受试样15对其作用力，并将作用力读数记录。记录伺服马达11的下降位移与试样15对悬臂梁13的作用力两者的数值，可根据Hertz-Sneddon模型计算出试样的弹性。该方法准确度高，测试速度快，并且是定量方法。也是现有定量测量弹性的最优方法之一。
虽然该方法在工业上被广泛应用，但在测试生物试样时却局限性很大。一是因为其测量精度非常依赖于伺服马达11以及激光位移计12的精度，使得要制作精度高的压痕仪成本较高，并且很难小型化。第二是其只能测量生物体表面的弹性：需将试样15放置于试样台16上进行测量，因此只能对生物体表部位进行在体测量，对于内部器官等只能进行离体测量。因此离临床应用还有些距离。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤的细胞弹性测量系统及测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光纤的细胞弹性测量系统，该系统包括光纤、保护套、驱动电机、解调仪和处理器，所述的驱动电机固定在保护套内，所述的光纤活动设置在保护套中且光纤一端外露出所述的保护套，所述的驱动电机连接光纤，所述的光纤连接解调仪，所述的驱动电机和解调仪均连接所述的处理器；
驱动电机驱动光纤在保护套内运动，外露的光纤端部压入细胞试样内部，解调仪获取光纤光信号并解调为电压信号，处理器记录驱动电机驱动光纤运动位移以及解调仪获取的相应的电压信号，处理器对光纤运动位移和电压信号进行处理得到细胞试样弹性大小。
所述的驱动电机为步进电机。
外露的光纤端部连接一个半球型刚性小球，进行细胞弹性测量时，所述的刚性小球球面压入细胞试样内部。
所述的处理器为计算机。
一种采用基于光纤的细胞弹性测量系统进行细胞弹性测量的方法，该方法包括如下步骤：
(1)固定保护套，将外露出保护套的光纤端部对准细胞试样；
(2)处理器控制驱动电机工作，驱动电机驱动光纤压入细胞试样内部；
(3)在驱动电机运动过程中，在不同的运动位移时，解调仪获取光纤光信号并解调为电压信号，处理器记录运动位移以及解调仪获取的相应的电压信号；
(4)处理器控制驱动电机沿相反方向运动，光纤与细胞试样分离；
(5)处理器根据运动位移以及解调仪获取的相应的电压信号计算得到细胞试样弹性大小。
步骤(5)具体为：处理器将解调仪获取的电压信号转化为细胞试样对光纤的反作用力，进而处理器绘制反作用力-运动位移曲线，最后，处理器将反作用力-运动位移曲线代入Hertz-Sneddon模型计算得到细胞试样的弹性大小。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明细胞弹性测量系统利用光纤受理后光纤折射率变化从而反推细胞试样的反作用力，测量精度高，测量结果更加准确；
(2)本发明细胞弹性测量系统可实现小型化，对于生物体内器官、组织的弹性测量同样有效，仅需将光纤通过胃镜、肠镜等导入人体内即可测量；
(3)本发明步进电机控制精确，提高测量精度；
(4)本发明结构简单，制作成本低。
附图说明
图1为压痕法实验装置的结构示意图；
图2为本发明基于光纤的细胞弹性测量系统的结构示意图；
图3为本发明基于光纤的细胞弹性测量方法的流程框图。
图中，11为伺服马达，12为激光位移计，13为悬臂梁，14为小球，15为试样，16为试样台，21为光纤，22为保护套，23为驱动电机，24为解调仪，25为处理器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图2所示，一种基于光纤的细胞弹性测量系统，该系统包括光纤21、保护套22、驱动电机23、解调仪24和处理器25，驱动电机23固定在保护套22内，光纤21活动设置在保护套22中且光纤21一端外露出保护套22，外露出保护套22的光纤21形成压头，驱动电机23连接光纤21，光纤21连接解调仪24，驱动电机23和解调仪24均连接处理器25；
驱动电机23驱动光纤21在保护套22内运动，外露的光纤21端部(即压头)压入细胞试样内部，解调仪24获取光纤21光信号并解调为电压信号，处理器25记录驱动电机23驱动光纤21运动位移以及解调仪24获取的相应的电压信号，处理器25对光纤21运动位移和电压信号进行处理得到细胞试样弹性大小。驱动电机23为步进电机。处理器25为计算机。外露的光纤21端部连接一个半球型刚性小球，进行细胞弹性测量时，刚性小球球面压入细胞试样内部，当不设置球型刚性小球时，处理器25中其弹性的计算公式需要修正。
如图3所示，一种采用基于光纤的细胞弹性测量系统进行细胞弹性测量的方法，该方法包括如下步骤：
(1)固定保护套22，将外露出保护套22的光纤21端部对准细胞试样；
(2)处理器25控制驱动电机23工作，驱动电机23驱动光纤21压入细胞试样内部；
(3)在驱动电机23运动过程中，在不同的运动位移时，解调仪24获取光纤21光信号并解调为电压信号，处理器25记录运动位移以及解调仪24获取的相应的电压信号；
(4)处理器25控制驱动电机23沿相反方向运动，光纤21与细胞试样分离；
(5)处理器25根据运动位移以及解调仪24获取的相应的电压信号计算得到细胞试样弹性大小。
步骤(5)具体为：处理器25将解调仪24获取的电压信号转化为细胞试样对光纤21的反作用力，进而处理器25绘制反作用力-运动位移曲线，最后，处理器25将反作用力-运动位移曲线代入Hertz-Sneddon模型计算得到细胞试样的弹性大小。
在第一次使用该设备时，应先对设备进行校准。需准备一台天平。将保护套22沿高度方向固定，并使其压头部分靠近天平秤表面。用电脑控制微型步进电机使光纤21及前部压头下移并压天平秤(一般深度为微米至毫米数量级)，在此过程中将光纤21接受到的光信号反馈回电脑，同时记录天平上的读数，可得到光纤21接受光信号与反馈力之间的一一对应关系。
本发明的工作原理：在光纤21端部后方(即压头后方)为光纤21反射面，根据光纤21的力学特性，光通过内置激光入射至光纤21端面并反射，在受到顶端力作用后，光纤21的内部折射率将发生改变。将未受生物组织反馈力时得到的光信号为参考光，受到反馈力得到的光信号减去参考光的信号就是由折射率改变带来的光程差，该光程差可通过计算得到折射率的改变并反推出反馈力。将该反馈力与步进电机的位移信号通过数值处理可得生物组织在测量点的弹性。对于生物体内器官、组织的弹性测量同样有效，仅需将光纤21通过胃镜、肠镜等导入人体内即可测量。
Claims (6)
1.一种基于光纤的细胞弹性测量系统，其特征在于，该系统包括光纤(21)、保护套(22)、驱动电机(23)、解调仪(24)和处理器(25)，所述的驱动电机(23)固定在保护套(22)内，所述的光纤(21)活动设置在保护套(22)中且光纤(21)一端外露出所述的保护套(22)，所述的驱动电机(23)连接光纤(21)，所述的光纤(21)连接解调仪(24)，所述的驱动电机(23)和解调仪(24)均连接所述的处理器(25)；
驱动电机(23)驱动光纤(21)在保护套(22)内运动，外露的光纤(21)端部压入细胞试样内部，解调仪(24)获取光纤(21)光信号并解调为电压信号，处理器(25)记录驱动电机(23)驱动光纤(21)运动位移以及解调仪(24)获取的相应的电压信号，处理器(25)对光纤(21)运动位移和电压信号进行处理得到细胞试样弹性大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的细胞弹性测量系统，其特征在于，所述的驱动电机(23)为步进电机。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的细胞弹性测量系统，其特征在于，外露的光纤(21)端部连接一个半球型刚性小球，进行细胞弹性测量时，所述的刚性小球球面压入细胞试样内部。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的细胞弹性测量系统，其特征在于，所述的处理器(25)为计算机。
5.一种采用如权利要求1所述的基于光纤的细胞弹性测量系统进行细胞弹性测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)固定保护套(22)，将外露出保护套(22)的光纤(21)端部对准细胞试样；
(2)处理器(25)控制驱动电机(23)工作，驱动电机(23)驱动光纤(21)压入细胞试样内部；
(3)在驱动电机(23)运动过程中，在不同的运动位移时，解调仪(24)获取光纤(21)光信号并解调为电压信号，处理器(25)记录运动位移以及解调仪(24)获取的相应的电压信号；
(4)处理器(25)控制驱动电机(23)沿相反方向运动，光纤(21)与细胞试样分离；
(5)处理器(25)根据运动位移以及解调仪(24)获取的相应的电压信号计算得到细胞试样弹性大小。
6.根据权利要求5所述的一种细胞弹性测量的方法，其特征在于，步骤(5)具体为：处理器(25)将解调仪(24)获取的电压信号转化为细胞试样对光纤(21)的反作用力，进而处理器(25)绘制反作用力-运动位移曲线，最后，处理器(25)将反作用力-运动位移曲线代入Hertz-Sneddon模型计算得到细胞试样的弹性大小。
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