一种多物理场科学实验系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体而言，涉及一种多物理场科学实验系统。

背景技术

目前，大量的研究发现物理能量场可以在不同水平上对生物的功能进行调控。而因其成本低、微创、绿色副作用小、无剂量限制，可控性强，特别一部分物理能量的已被充分证实的明确效果，一些确定的能量模式已被逐步应用在肿瘤、心脑血管疾病治疗、手术中凝血以及切割、包括皮下脂肪消融的美容整形，通过与材料的结合也被应用在低温保存之后组织复温以及细菌病毒杀灭等领域。

在细胞层面上，研究发现一些特殊的高能量的射频、微波和连续激光等作用后，会使细胞出现凋亡或者坏死，会释放RNA、DNA、热休克蛋白(HSP70)等免疫原性的胞内物质，同时也会刺激产生促炎性细胞因子(如IL-1和IL-6)和趋化因子；而与这些特殊的高能且产生高温效应的射频产生杀伤效果不同的是，其他特定频率的射频，可以调控细胞的功能，如500kHz的射频能量，可以调控真皮层成纤维细胞产生胶原纤维，间歇性的448kHz的射频被发现可以增加细胞的活性，可以促进细胞的生长恢复；跨膜电势差在500mV左右时的高频电场，可以仅仅打开细胞膜，将特殊基因乃至蛋白导入，从而调节细胞的生长规律，以及细胞的功能等等。在冷冻治疗中，胞外冰晶的产生会导致胞内渗透压上升，细胞逐渐失水皱缩，而在复温阶段，胞外冰晶先融合，会使得胞内变成高渗状态，细胞吸水，进而破裂，破裂的细胞碎片也可以作为抗原诱发免疫响应；不可逆电穿孔技术中，脉冲的电场主要作用于细胞膜，因此，在细胞层面，会出现细胞的破裂，细胞内的抗原(包括蛋白质等)会完整的、不失活地释放出来。

在组织层面上，射频、微波和连续激光等作用后，射频诱导组织内带电粒子如Na+,K+,Cl-,Ca2+等往复运动摩擦产生热量，微波能量会驱使组织中有固有的偶极子的极性分子(例如水分子)，随着不断变化的电磁场不断翻转，提高局部组织温度，激光与生物组织中的水或者血红蛋白相互作用产生热量，根据不同的波形，不同的温度和作用时间，可以实现组织切割(100摄氏度以上)和热凝，在热凝组织边缘区域产生充血，造成局部的氧含量上升，刺激产生活性氧，造成间接杀伤，同时热凝释放出来的抗原会诱发巨噬细胞、树突细胞、T细胞等免疫细胞浸润组织，激活免疫响应；同时高温(大于60摄氏度)也会对组织中的胶原纤维进行塑性，改变组织的形态，提拉皮肤，对血管组织进行塑性，撑开狭窄血管或者闭合曲张的静脉(取决于作用的温度不同)等；而低温可以直接损伤组织血管结构，可以增加血管通透性，同时也会导致血小板聚集，形成微血栓，同时因为冷冻后，细胞释放出来的抗原也会诱发免疫细胞的浸润，激活机体免疫响应。低温还可以降低生物组织的新陈代谢，维持细胞组织的结构和功能，长期保持组织器官的功能。

总之，目前的生物医学方面的研究已经发现特定模式的物理能量场(功率、频率、电场强度、脉冲强度、波形和相位以及冷冻温度)在作用于细胞和生物组织，会产生截然不同的作用效果，可用于进行某些生物组织功能的调节和改变。

因此，本发明鉴于不同物理场能量可在不同水平上对细胞、组织和生物实验方面的调控能力，克服现有技术瓶颈，提出了多物理科学实验系统的设计，将多种物理场结合于一台系统上面，并且能够独立的任意调控不同物理场发生的能量大小并传输到科学实验装置中。将为更多的生物学家、医学家们的创新性科学基础研究提供研究手段，不仅将促进发展出一系列的新的原创性的面向人类健康和生物技术的新方法和新技术，在研究本项目过程中发展出的能量发生和精准控制技术还将大大提升现有的技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多物理场科学实验系统，其可将不同形式的物理场能量精准的作用到特定生物组织、细胞、分子中，调控其功能，同时还可以实现在一个生物实验装置中的不同位置施加不同的物理场，有助于实验过程中的对比实验分析。

在第一方面，本发明实施例提供一种多物理场科学实验系统，包括：多物理场发生装置，用于产生至少一种形式的物理场；多物理场控制系统，用于控制多物理场工作方式，实时监测物理场参数及实验过程；以及生物实验装置，被配置为承载生物样本，通过所述生物实验装置接收所述多物理场发生装置所传输的所述物理场以调控所述生物样本的功能。

在一些实施例中，还包括控制模块，用于控制所述多物理场发生装置，所述多物理场传输模块和所述生物实验装置的工作状态。

在一些实施例中，所述控制模块包括工控计算机。

在一些实施例中，还包括图像获取模块，所述图像获取模块连接所述控制模块，用于实时记录所述生物实验装置中所述生物样本的实际变化过程的影像。

在一些实施例中，所述图像获取模块包括安装在共聚焦显微镜上的CCD图像采集装置。

在一些实施例中，还包括指令录入模块，用于供使用者录入所述多物理场科学实验系统的工作参数。

在一些实施例中，所述指令录入模块包括触控显示屏。

在一些实施例中，所述的生物实验装置包括了作用域实验样本的探头、腔体、平台。

在一些实施例中，所述生物实验装置还包括细胞培养皿。

在一些实施例中，所述细胞培养皿配置有制冷模块。

在一些实施例中，所述细胞培养皿配置有温度监测模块。

在一些实施例中，所述细胞培养皿配置有除霜通道。

本实施例提供的多物理场科学实验系统，其操作简单，使用方便，能够在生物技术、医学研究过程中，将不同形式的物理场能量精准的作用到特定生物组织、细胞、分子中，调控其功能，同时还可以实现在一个科学实验装置中的不同位置施加不同的物理场，有助于实验过程中的对比实验分析。

此外，由于采用图像获取模块实时记录实验过程，可以提高科学实验过程中的可观察性与后续数据分析。

采用本实施例提供的多物理场科学实验系统将有利于促进人类健康和生物技术的新方法和新技术研究，为生物学家、医学家们的创新性科学基础研究提供研究手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一实施例提供的多物理场科学实验系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的多物理场发生装置的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的科学实验装置之一的细胞培养装置的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的液氮相变换控制模块结构示意图。

图标：1-生物实验装置，2-多物理场发生装置，3-多物理场控制系统，31-控制模块，32-录入显示模块，33-存储模块，34-数据分析单元，35-图像获取模块，36-数据采集模块，11-细胞培养皿，12-多物理场电极阵列，13-温度传感器阵列，14-液氮相变换热通道，15-除霜通道，21-多物理场系统电源模块，211-电源前处理模块，212-DC模块，213-高压可调电源模块，214-可调射频电源模块，215-尖峰波电源模块，216-可调恒流源，22-微控制器，23-多物理场发生模块，231-高压脉冲发生模块，232-射频发生模块，233-尖峰波发生模块，234-直流加热模块，235-液氮相变控制模块，24-多物理场选择输出模块，25-多物理场传输模块，251-电信号物理场传输通道，252-低温场传输通道，2355-小型液氮罐，2352-液氮流入管路，2351-氮气排出通道，2353-负压电磁阀，2354-气体三通阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合图1至图4进行说明，对本实施例提供的一种多物理场科学实验系统的结构进行说明。

本实施例提供的多物理场科学实验系统包括了生物实验装置1，多物理场发生装置2，多物理场控制系统3。

多物理场发生装置2用于产生各种不同形式的物理场，从而精准的将其传输到生物实验装置1中，不同形式的物理场主要包括了射频的电场、脉冲电场、微波场、射频磁场，脉冲磁场、微波磁场、高温热场、低温热场等。

生物实验装置1用于接收多物理场发生装置2传递过来的物理场能量，通过多物理场传输模块25将相应的物理场能量传输到生物实验装置1中的特定位置，调控生物样本的功能。

多物理场控制系统3用于控制多物理场的工作状态，录入控制参数，采集实验过程信息，以及数据的存储、分析等，主要包括了多物理场控制系统3包括了控制模块31(可以是工控计算机)，录入显示模块32(可以是触控显示屏)，存储模块33，数据分析单元34，图像获取模块35，数据采集模块36。

图像获取模块35可安装在共聚焦显微镜上，图像获取模块用于实时观察和记录生物实验装置1中生物样本的实际变化过程。

控制模块31作为多物理场精准控制算法的载体，控制整个系统工作的过程，同时采集与处理图像采集模块35传输过来的图像信息，并且驱动录入显示模块32将图像信息显示在屏幕上，并且将图像信息存储在存储模块33中。

录入显示模块用于设置该多物理场科学实验系统的工作参数，并且显示实验过程中的物理场信息、温度信息、实验过程图像信息等。

在本实施例中，多物理场发生装置2，主要包括了多物理场系统电源模块21，微控制器22，多物理场发生模块23，多物理场选择输出模块24，多物理场传输模块25。

其中，多物理场系统电源模块21包括了电源前处理模块211，DC模块212，高压可调电源模块213，可调射频电源模块214，尖峰波电源模块215，可调恒流源216。

多物理场发生模块23包括了高压脉冲发生模块231，射频发生模块232，尖峰波发生模块233，直流加热模块234，液氮相变控制模块235。

多物理场传输模块25包括了电信号物理场传输通道251，低温场传输通道252。

微控制器22控制和选择多物理场系统电源模块21中的多路可调电源模块，通过控制可调电源的输出，控制多物理场发生模块23相应物理场输出功率、电压、电流等，再通过控制多物理场选择输出模块24选择至少一种物理场的输出，最后通过多物理场传输模块25将物理场能量传输到生物实验装置1中用于科学实验研究。

在本实施例中，高压脉冲模块231通过微控制器22的高级定时器采用PWM的控制方式，输出高压脉冲的频率、脉宽、脉冲个数、脉冲周期等控制信息，同时通过微控制器22控制高压可调电源模块213的输出，控制高压脉冲模块的输出电压幅值与功率。脉冲电压幅值为0-5KV可调，用于适应不同形式的物理场能量的输出。比如形成高压的陡脉冲电场、方波的电场与射频消融场等。

在本实施例中，射频发生模块232通过微处理器22的控制DDS信号输出响应频率的射频基频信号，输入到射频放大器进行功率放大后输出，再通过微控制器22控制可调射频电源模块214，控制射频功率放大器的输出功率，同时通过微处理器22控制射频的调制频率，改变射频的输出方式，从而改变射频热场，或射频电场，或射频电磁场的作用方式。

在本实施例中，液氮相变控制模块235采用了多组微细液氮相变通道控制的设置，包括了液氮进液通道、液氮排出通道、负压调控比例阀、气体三通阀、小型液氮瓶，其工作过程中将与科学实验装置1中的微小相变换热通道相连，负压调控比例阀，调控氮气排出通道的负压量，调节液氮进液通道的流速，控制液氮在科学实验装置1中微小相变换热通道的气液比例，从而控制相变换热通道的温度，即控制科学实验装置1中对应位置的调控温度。

在本实施例中，生物实验装置1包括了组织实验的探针、多物理场球囊、导管、实验腔体、细胞培养装置等形式的生物实验装置。

在本实施例中，生物实验装置1中细胞培养装置至少包括细胞培养皿11、多物理场电极阵列12、温度传感器阵列13、多路液氮相变换热通道14、除霜通道15。

多路液氮相变换热通道14均匀分布在细胞培养皿11上，用于液氮的相变换热产生低温，然后在上面设计有导热玻璃，同时在玻璃上面加工设计有多物理场电极阵列12，用于传输不同形式的物理场能量，同时在电极附近的特定位置设计有温度传感器阵列13用于实时采集细胞培养过程中的温度；在培养皿的侧面设计有除霜通道15，将相变换热后的氮气流入通道，避免在冷冻过程的结霜，影响实验观察视野。

在本实施例中，多物理场电极阵列12采用了透明导电玻璃ITO材料，利用微尺度加工技术，将其雕刻在玻璃上面，且每个电极相互独立，采用微细导丝引出，传输多种物理场能量。

在本实施例中，液氮相变换热通道14采用了液氮相变换热通道控制装置对其液氮换热过程的控制。将其连接到低温场传输通道252,中，通过液氮相变控制模块235控制其相变换热过程。从而控制相应位置细胞的培养温度。

在本实施例中，液氮相变换热控制模块235的氮气排出通道上设置有气体三通阀，可以通过控制气体三通阀，将换热后的氮气流通到细胞培养装置中除霜，抑制低温细胞培养过程中，培养皿内部的结霜，影响培养过程中观察视野。

在本实施例中，多物理场科学实验系统中细胞培养科学实验，可选配高清CCD摄像头，将其安装在共聚焦显微镜的镜头上，可实时拍摄实验过程中细胞的生长情况，更直观的用于数据分析。

本实施例提供的多物理场科学实验系统，其操作简单，使用方便，能够在生物科学实验过程中，将不同形式的物理场能量精准的作用到特定生物样本中，调控其功能，同时还可以实现在一个科学实验装置中的不同位置施加不同的物理场，有助于科学实验的对比分析。同时采用了高清图像获取模块实时记录实验过程，提高了科学实验过程中的可观察性与后续数据分析。通过本实施例将有利于促进人类健康和生物技术的新方法和新技术研究，为生物学家、医学家们的创新性科学基础研究提供研究手段。

以下结合图1至图4进行说明，对本实施例提供的一种多物理场科学实验系统的工作过程进行说明。

如图1，多物理场控制系统3的录入显示模块31根据实验需求设置系统实验参数与选择实验模式，传输到控制模块31中，控制模块31根据设置的实验参数与模式，采用多物理场精准控制算法，计算出多物理场控制参数与控制方法，下达多物理场发生模块2控制相应的物理场工作的命令，使得多物理场发生模块2精准将物理场能量作用到生物实验装置1中的特定位置，生物实验装置1内部的相关传感器实时采集实验过程中的数据，传输到多物理场放生装置2中预处理后，传到控制模块31，进行输出处理分析，并存储在存储模块33中。

同时可选的将生物实验装置1可置于共聚焦显微镜中，在显微镜上配置图像获取模块35，或直接在实验视野中配置图像获取模块35，实时获取生物实验装置1中生物实验过程的图像信息，再经过数据采集模块36进行图像数据采集后，传输到控制模块31处理分析，再将图像信息显示再录入显示模块32上，并存储再存储模块33中。

实验结束后，实验员可操作多物理场控制系统3的数据分析单元34，调用存储模块33中的实验过程图像信息与实验过程中的相关数据进行数据分析。

如图2所示，多物理场发生模块2包括了多物理场系统电源模块21，微控制器22，多物理场发生模块23，多物理场选择输出模块24，多物理场传输模块25。

多物理场系统电源模块21包括了为微控制器供电直流DC模块212，用于系统供电滤波的电源前处理模块211，为多物理场提供电能的高压可调电源模块213，可调射频电源模块214，尖峰波电源模块215和可调恒流源216。

多物理场发生模块23主要包括高压脉冲发生模块231，射频发生模块232，尖峰波发生模块233，直流加热模块234，液氮相变控制模块235，其中高压脉冲发生模块231，可以产生0-5KV幅值可调，频率可调、脉宽可调的脉冲方波，用于形成脉冲的电磁场、电场、方波射频电流场等，射频发生模块232用于产生高频的射频电场、电磁场，可选的可用于无线能量传输，还可以使用射频电流场形成热场，所属的尖峰波发生模块233用于实现不规则高频射频场；直流加热模块234连接加热丝，形成热场，液氮相变控制模块235用于控制液氮相变换热的过程从而控制科学实验装置中的低温热场。微控制器22，控制和选择多物理场系统电源模块21中的多路可调电源模块，通过控制可调电源的输出，控制多物理场发生模块23相应物理场输出功率、电压、电流等，再通过控制多物理场选择输出模块24选择至少一种物理场的输出，最后通过多物理场传输模块25将物理场能量传输到科学实验装置1中用于科学实验研究。

如图3所示，科学实验装置1至少包括细胞培养皿11，多物理场电极阵列12，温度传感器阵列13(作为温度监测模块使用)，液氮相变换热通道14，除霜通道15。

在细胞培养皿11上面设置了多个液氮相变换热通道14，然后在液氮相变换热通道13上面设置有有机玻璃，同时采用微流控技术在有机玻璃上雕刻有ITO材料地透明电极阵列，即多物理场电极阵列12，其用于传输不同的物理场能量；在多物理场电极阵列12的附近分布有微细热电偶传感器阵列，用于实时采集培养过长中的温度，再在其上面设计有细胞培养基，可适应于细胞培养的环境，细胞培养皿11侧面分布有若干个除霜通道15，用于在低温冷冻过程中通入氮气进行除霜，防止结霜影响观察视野。工作过程中，多物理场能量通过多物理场电极阵列12将诸如射频热能、微波热能、高频电场能、高频电磁能等传输到细胞培养的特定位置，同时相应位置的温度传感器阵列13实时采集附近的温度信息；液氮流入到液氮相变换热通道14，进行相变换热，吸收附近细胞的能量，使其处于低温状态，同时液氮相变换热后转化的氮气又可通过除霜通道15对低温区域进行除霜，温度传感器阵列13实时采集温度反馈到工控计算机4后，工控计算机4实时精准的控制低温区的温度与降温速率。

如图4所示，液氮相变控制模块235至少包括小型液氮罐2355，液氮流入管路2352，氮气排出通道2351，负压电磁阀2353，气体三通阀2354。系统需要进行低温冷冻的过程中，首先启动负压电磁阀2353控制氮气排出通道2351的压力，使整个管路中呈负压状态，小型液氮罐2355中液氮将通过液氮流入管路2352传输到液氮相变换热通道14，进行相变换热转化成高温氮气排出，当氮气流出到气体三通阀2354时可选择将氮气排出到除霜通道15对细胞培养皿11进行除霜处理，也可以选择直接将氮气排出去。

本实施例提供的多物理场科学实验系统采用了多电极输出的方式，可将脉冲高压、射频模块、尖峰波发生模块、直流电能的能量传输出去，然后在输出端配合相应的能量传输装置，可将其转化成多路不同波形的高频电场、高频电磁场、高温热场等，将其作用到生物组织、细胞的生物样本中，调控其功能，同时利用了液氮相变换热原理，通过采用负压控制液氮出气口，使得液氮主动流入到相变换热装置中，使其在相变换热装置中形成低温的热场。

系统的低温场能通过精确控制负压电磁的工作，实时控制氮气排出通道的负压度，从而实时调节液氮流入的速率，调整液氮在相变换热通道的换热量，从而实时调节相变换热通道的温度，同时通过附近的温度传感器实时反馈的温度，调整控制算法，实时控制科学实验过程中的温度与降温过程。

在细胞培养装置中的多物理场能量的传递采用了多个微细电极阵列与多个温度传感器阵列，或采用多个微细液氮换热通道进行物理能量传递，并且每个能量传输通道都是相互独立，可以独立控制，从而实现一个培养皿中的细胞处于不同的温度、物理场的范围。有利于对比研究不同物理场对细胞培养的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。