CN111624537B

CN111624537B - 一种生物细胞物理特性测试装置及其测试方法

Info

Publication number: CN111624537B
Application number: CN202010708171.5A
Authority: CN
Inventors: 李柠; 韩邦成; 周斌权; 王若男
Original assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Current assignee: Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111624537A

Abstract

本发明提供一种生物细胞物理特性测试装置及其测试方法，金属外壳下半部和金属外壳上半部组成金属外壳，金属外壳下半部与底座相连接；金属外壳内同球心的依次设有多层的磁屏蔽球；相邻的磁屏蔽球之间均有无磁材料的支撑骨架和布有消磁线圈；底座内部内设有电机；电机出轴与传动轴下端固定连接；支撑架位于最内层磁屏蔽球内的底部，传动轴与支撑架的通孔内无磁轴承内孔过盈配合；传动轴上端与旋转平台固定连接；夹具固定在旋转平台上表面；支撑架上安装有传感器支架，传感器支架上设有传感器夹具，用于夹持传感器；传感器位于夹具上方。本发明的球形屏蔽结构能够更好的屏蔽地磁场，测试环境简单，通常室温条件下即可开展测试。

Description

一种生物细胞物理特性测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于磁场测量技术领域，具体涉及一种生物细胞物理特性测试装置及其测试方法。

背景技术

目前医学上检测生物磁场的常用设备为超导量子干涉仪(SQUID)，是一种将磁通转化为电压的磁通传感器，其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量。可以测量出10-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的，目前常将其用来进行脑磁等生物极弱磁场测量。该方法存在以下缺点：

1、超导量子干涉仪空间体积大、不能满足便携式需求；

2、超导量子干涉仪测试条件苛刻(需液氦冷却)，并不能很好的应用于临床早期诊断；

3、需要配套搭建磁屏蔽房，从而实现地磁隔绝，投入成本高；

由于磁屏蔽房造价昂贵，所以目前常用的磁屏蔽结构为圆形磁屏蔽筒结构。以高导磁率材料为基础搭建磁屏蔽结构，利用多层结构提高磁屏蔽系数，进而实现较好的地磁屏蔽效果。但是桶型磁磁屏蔽结构由于理论计算极限，磁屏蔽效果有待提升。

发明内容

本发明提出一种小型化轻量化的新型生物细胞物理特性测试装置，解决目前生物磁场测试设备占地空间大的问题，同时具有一定的便携性；并且提出一种新型磁屏蔽结构，具有更高的屏蔽系数理论计算极限，同时大幅减少磁屏蔽房等搭建所需的成本。

同时提出一种生物细胞物理特性测试新方法，简化苛刻的测试条件，使其能更好的用于临床诊断；

具体技术方案为：

一种生物细胞物理特性测试装置，主要包括：金属外壳下半部和金属外壳上半部，金属外壳下半部和金属外壳上半部采用销轴连接组成的密封的金属外壳，金属外壳下半部与底座相连接；

金属外壳内同球心的依次设有多层的磁屏蔽球；每个磁屏蔽球均由上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球组成，上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球分别对应的位于金属外壳下半部和金属外壳上半部内；

相邻的磁屏蔽球之间均有无磁材料的支撑骨架和布有消磁线圈；

底座内部内设有电机；电机出轴与传动轴下端固定连接；

支撑架位于最内层磁屏蔽球内的底部，并且支撑架下半部分设有圆形结构与最内层磁屏蔽球内表面接触；

金属外壳和磁屏蔽球底部均留有通孔，用于传动轴穿过；传动轴与支撑架的通孔内无磁轴承内孔过盈配合；传动轴上端与旋转平台固定连接，驱动旋转平台转动；

夹具固定在旋转平台上表面；

支撑架上安装有传感器支架，传感器支架上设有传感器夹具，用于夹持传感器；传感器位于夹具上方。

进一步的，所述的夹具包括第二细胞夹具，第二细胞夹具设有凹槽，用于放置细胞培养瓶，凹槽两侧分别固定有第一细胞夹具、第三细胞夹具，用于限制细胞培养瓶的自由度。

所述的传感器支架，包括活动安装在支撑架上的第三传感器支架，垂直的第三传感器支架绕自身轴心线转动；第一传感器支架和第二传感器支架组成水平的伸缩支架，一端固定在第三传感器支架上，另一端铰接传感器夹具。

一种生物细胞物理特性测试装置测试方法，采用上述的生物细胞物理特性测试装置，包括以下步骤：

(1)测试前对磁屏蔽球进行消磁，最大程度减小因为加工残余应力或强磁干扰在磁屏蔽球内产生的剩余磁场；

(2)将细胞测试样品安装在夹具内，利用无磁螺栓固定；

(3)将磁屏蔽球和金属外壳闭合后，对传感器中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；

(4)之后对传感器和细胞测试样品周围的磁场进行三轴补偿，将测试空间范围内的磁场补偿到近零磁状态；

(5)对此时的传感器状态进行标定，标定出测试线性范围；

(6)准备工作完成之后，利用电机输出的扭矩，通过传动轴和旋转平台，带动细胞测试样品实现定频转动；

(7)在细胞测试样品定频转动的同时，采集传感器感受到的空间磁场，并进行记录；对采集到的数据进行处理，得到细胞测试样品的磁场数值以及磁场梯度分布；

(8)测试结束，停止电机转动，关闭传感器电源，打开测试装置并取出样品。

其中，步骤(7)中数据采集处理方法具体包括以下子步骤：

(a)设置相应的生物细胞物理特性测试装置运行参数；

(b)传感器为测试模块，执行单元驱动测试模块；

(c)采集测试模块运行参数；

(d)利用运行参数反馈，进行判定，对比采集数据与实际测量到的数据是否相同，若相同，继续进行下一步，若不同，返回步骤2重新开始，直到满足要求；

(e)根据采集到的样品磁场信号，按照数据处理算法中的理论模型，得到磁场在时域和频域下的变化曲线，输出计算结果，测试结束。

本发明技术方案带来的有益效果：

1、根据磁屏蔽系数的理论计算方法，本发明提出的球形屏蔽结构磁屏蔽系数要明显优于圆柱桶形屏蔽结构，能够更好的屏蔽地磁场；

2、本发明提出的细胞极弱磁场测量装置空间尺寸为268mm×268mm×388.8mm，体积小，减小占用空间；

3、提出一种新型极弱磁场测量方法，测试环境简单，通常室温条件下即可开展测试。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的剖面结构实体；

图3是本发明的数据采集流程图；

图4是采集到的生物测试样品磁性测试结果。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1和图2所示，一种生物细胞物理特性测试装置，主要包括：金属外壳下半部10和金属外壳上半部15，金属外壳下半部10和金属外壳上半部15采用销轴连接组成的密封的金属外壳，金属外壳下半部10与底座9相连接；金属外壳下半部10和金属外壳上半部15均为铝合金材质，便于实现加工和焊接工艺。金属外壳下半部10和金属外壳上半部15采用销轴连接，可实现上下外壳开合功能，相应的连接结构设计在开口后侧，不妨碍开展磁性测试；同时和金属外壳上半部15另外一侧有便于开合的结构，金属外壳下半部10在相应的部分留有缺口，保证上下金属外壳连接的紧密性，且金属外壳下半部10在与金属外壳上半部15的连接处留有圆环状凸起，可避开相应功能结构，使得上下外壳闭合过程中的定位准确。

本发明提出的生物细胞物理特性测试装置应安装在固定可靠的隔振平台上，底座9安装位置周围没有遮挡物，且远离电源。

本实施例中，金属外壳内同球心的依次设有三个磁屏蔽球，由外到内依次为第一磁屏蔽球1、第二磁屏蔽球12、第三磁屏蔽球13；每个磁屏蔽球均由上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球组成，上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球分别对应的位于金属外壳下半部10和金属外壳上半部15内；磁屏蔽球为高磁导率材料加工而成。

相邻的磁屏蔽球之间均有无磁材料的支撑骨架和布有消磁线圈；支撑骨架，用于保证各个球体之间的相对位置固定，减少磁屏蔽半球的变形，提高磁屏蔽系数。消磁线圈，用于开始磁场测试之前消除空间剩余磁场，提高测试精度。

底座9内部内设有电机20；电机20出轴与传动轴19下端固定连接；

电机20固定在底座9内部的凸台上，凸台留有安装定位借口，保证电机在运转过程中的稳定。电机20可通过可移动式的触控板对电机运行参数进行实时监测和调整，以满足不同测试需求。传动轴19与电机20出轴利用紧定螺钉连接，可实现良好的可靠连接，传递电机20的输出扭矩。

支撑架8位于第三磁屏蔽球13内的底部，并且支撑架8下半部分设有圆形结构与第三磁屏蔽球13内表面接触；因为第三磁屏蔽球13所采用的高磁导率材料成型工艺复杂，且后期机械加工工艺会大幅度影响磁屏蔽效果，所以采用该种支撑方式支撑传动轴19和测试模块中的旋转部分。

金属外壳和三个磁屏蔽球底部均留有通孔，用于传动轴19穿过；传动轴19与支撑架8的通孔内无磁轴承7内孔过盈配合；传动轴19上端与旋转平台6固定连接，利用无磁紧定螺钉固定，驱动旋转平台6转动；

夹具固定在旋转平台6上表面；旋转平台6圆盘结构上阵列分布螺纹孔，与夹具底部的通孔相对应，夹具2通过无磁螺栓固定在旋转平台6上。

支撑架8上安装有传感器支架，传感器支架上设有传感器夹具5，用于夹持传感器4；传感器4位于夹具上方。

夹具包括第二细胞夹具17，第二细胞夹具17设有凹槽，用于放置细胞培养瓶，凹槽两侧分别固定有第一细胞夹具16、第三细胞夹具18，用于限制细胞培养瓶的自由度。

第二细胞夹具17在两侧均留有螺纹孔，与第一细胞夹具16、第三细胞夹具18的通孔相对应，第一细胞夹具16、第三细胞夹具18通过无磁螺栓固定在第二细胞夹具17上。第二细胞夹具17内部凹槽结构按照国标细胞培养瓶尺寸设计，完全贴合细胞培养瓶，同时结合第一细胞夹具16、第三细胞夹具18限制细胞培养瓶的自由度，保证测试过程中细胞瓶不产生多余晃动。

所述的传感器支架，包括活动安装在支撑架8上的第三传感器支架11，垂直的第三传感器支架11绕自身轴心线转动；第一传感器支架3和第二传感器支架14组成水平的伸缩支架，一端固定在第三传感器支架11上，另一端铰接传感器夹具5。

支撑架8沿圆周方向阵列分布四个螺纹沉孔，第三传感器支架11通过无磁螺栓固定在支撑架8上，且可以沿着轴线转动调节。可实现四通道的磁性数据测量采集，能够检测到同一样品的磁场梯度分布情况。

第二传感器支架14通过无磁螺栓固定在第三传感器支架11上，第一传感器支架3通过无磁螺栓固定在第二传感器支架14上。

利用第一传感器支架3和第二传感器支架14的中空轴向导槽以及第三传感器支架11的轴向自由度，可实现传感器4空间位置的多自由度多级调节。

传感器4安装在传感器夹具5中，利用传感器夹具5的单边螺纹孔和无磁螺栓对传感器4进行夹紧，保证测试过程中传感器4的相对位置固定。

本发明中磁屏蔽球的地磁多层径向屏蔽系数理论计算公式如下：

S_tot——n层径向屏蔽系数；

S_i——第i层屏蔽系数，

D_i＞D_i+1，最外部为第一层；

j——结构系数，圆球屏蔽层j＝3，圆柱屏蔽层j＝2；

由以上理论计算公式可知，在同样磁屏蔽层数及内磁屏蔽内径条件下：

(1)圆球屏蔽层的屏蔽系数要大于圆柱屏蔽层；

(2)圆球屏蔽层对于各个方向的磁屏蔽系数是一致的，圆柱屏蔽层对于轴线方向的磁屏蔽效果相对较差；

(3)圆球屏蔽层的空间均匀磁场梯度要优于圆柱屏蔽层，对极弱磁测量结果影响更小。

所以综合来讲圆球屏蔽层的磁屏蔽理论计算效果要远远好于圆柱磁屏蔽层。

本发明的测试原理：

SERF态(即无自旋交换弛豫态)下的原子自旋系综极弱磁场测量原理：一团原子自旋系综被安装在碱金属气室内，在自然状态下它们杂乱无章；利用一束抽运光去极化原子，并且原子自旋处于高温和极低磁场下，那么原子自旋将进入SERF态，SERF态下的原子相干性大大增强，宏观看起来自旋指向一致；当有一个微弱磁场变化的时候，原子自旋将进行拉莫尔进动，并产生一个微小的进动角；利用一束检测激光，可以将进动角信息检测出来，从而实现磁场的测量。

因此本发明的测试方法为：

一种生物细胞物理特性测试装置测试方法

(2)将细胞测试样品安装在夹具内，利用无磁螺栓固定；

(3)将磁屏蔽球和金属外壳闭合后，对传感器4中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；

(4)之后对传感器4和细胞测试样品周围的磁场进行三轴补偿，将测试空间范围内的磁场补偿到近零磁状态；

(5)对此时的传感器4状态进行标定，标定出测试线性范围；

(6)准备工作完成之后，利用电机20输出的扭矩，通过传动轴19和旋转平台6，带动细胞测试样品实现定频转动；

(7)在细胞测试样品定频转动的同时，采集传感,4感受到的空间磁场，并进行记录；

(8)对采集到的数据进行处理，得到细胞测试样品的磁场数值以及磁场梯度分布；

(9)测试结束，停止电机20转动，关闭传感器4电源，打开测试装置并取出样品。

如图4所示，传感器4的控制和数据采集处理方法：

(a)设置相应的生物细胞物理特性测试装置运行参数；

(b)传感器4为测试模块，执行单元驱动测试模块；

(c)采集测试模块运行参数；

图4中所示为测试过中采集到的生物测试样品磁性测试结果，横坐标为时间轴，单位是s，纵坐标代表的是磁场强度，单位是pT，曲线中每一个波形周期代表的是生物测试样品旋转一周所产生的磁场变化规律。

Claims

1.一种生物细胞物理特性测试装置，其特征在于，主要包括：金属外壳下半部（10）和金属外壳上半部（15），金属外壳下半部（10）和金属外壳上半部（15）采用销轴连接组成的密封的金属外壳，金属外壳下半部（10）与底座（9）相连接；

金属外壳内同球心的依次设有多层的磁屏蔽球；每个磁屏蔽球均由上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球组成，上半磁屏蔽球和下半磁屏蔽球分别对应的位于金属外壳下半部（10）和金属外壳上半部（15）内；

底座（9）内部内设有电机（20）；电机（20）出轴与传动轴（19）下端固定连接；

支撑架（8）位于最内层磁屏蔽球内的底部，并且支撑架（8）下半部分设有圆形结构与最内层磁屏蔽球内表面接触；

金属外壳和磁屏蔽球底部均留有通孔，用于传动轴（19）穿过；传动轴（19）与支撑架（8）的通孔内无磁轴承（7）内孔过盈配合；传动轴（19）上端与旋转平台（6）固定连接，驱动旋转平台（6）转动；

夹具固定在旋转平台（6）上表面；

支撑架（8）上安装有传感器支架，传感器支架上设有传感器夹具（5），用于夹持传感器（4）；传感器（4）位于夹具上方。

2.根据权利要求1所述的一种生物细胞物理特性测试装置，其特征在于，所述的夹具包括第二细胞夹具（17），第二细胞夹具（17）设有凹槽，用于放置细胞培养瓶，凹槽两侧分别固定有第一细胞夹具（16）、第三细胞夹具（18），用于限制细胞培养瓶的自由度。

3.根据权利要求1所述的一种生物细胞物理特性测试装置，其特征在于，所述的传感器支架，包括活动安装在支撑架（8）上的第三传感器支架（11），垂直的第三传感器支架（11）绕自身轴心线转动；第一传感器支架（3）和第二传感器支架（14）组成水平的伸缩支架，一端固定在第三传感器支架（11）上，另一端铰接传感器夹具（5）。

4.一种生物细胞物理特性测试装置测试方法，其特征在于，采用权利要求1到3任一项所述的生物细胞物理特性测试装置，包括以下步骤：

（1）测试前对磁屏蔽球进行消磁，最大程度减小因为加工残余应力或强磁干扰在磁屏蔽球内产生的剩余磁场；

（2）将细胞测试样品安装在夹具内，利用无磁螺栓固定；

（3）将磁屏蔽球和金属外壳闭合后，对传感器（4）中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；

（4）之后对传感器（4）和细胞测试样品周围的磁场进行三轴补偿，将测试空间范围内的磁场补偿到近零磁状态；

（5）对此时的传感器（4）状态进行标定，标定出测试线性范围；

（6）准备工作完成之后，利用电机（20）输出的扭矩，通过传动轴（19）和旋转平台（6），带动细胞测试样品实现定频转动；

（7）在细胞测试样品定频转动的同时，采集传感器（4）感受到的空间磁场，并进行记录；对采集到的数据进行处理，得到细胞测试样品的磁场数值以及磁场梯度分布；

（8）测试结束，停止电机（20）转动，关闭传感器（4）电源，打开测试装置并取出样品。

5.根据权利要求4所述的一种生物细胞物理特性测试装置测试方法，其特征在于，步骤（7）中数据采集处理方法具体包括以下子步骤：

（a）设置相应的生物细胞物理特性测试装置运行参数；

（b）传感器（4）为测试模块，执行单元驱动测试模块；

（c）采集测试模块运行参数；

（d）利用运行参数反馈，进行判定，对比采集数据与实际测量到的数据是否相同，若相同，继续进行下一步，若不同，返回步骤2重新开始，直到满足要求；

（e）根据采集到的样品磁场信号，按照数据处理算法中的理论模型，得到磁场在时域和频域下的变化曲线，输出计算结果，测试结束。