用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统

1.本发明属于生物电磁学实验技术领域，特别涉及一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统。


背景技术：

2.在生物电磁学中，“热效应”指电磁能量被生物样品吸收、转化为热能，导致温度明显升高所引起的生物效应。“非热效应”则是电磁场能量直接引发的生物效应，与温度变化无关。电磁辐照下细胞的非热效应是生物电磁学的研究热点，可以深入揭示电磁波刺激与细胞反应的机理，为安全、有利地开发与应用各类电磁设备提供支持。
3.长期以来，电磁辐照细胞非热效应实验普遍存在着结果矛盾、效应的可重复性差的问题，主要原因之一是传统的电磁辐照实验装置可产生的非热效应很微弱，难以用现有的设备和技术成功检测。如adair r k在其发表的论文“biophysical limits on athermal effects of rf and microwave radiation[j].bioelectromagnetics,2003,24(1):39-48”中所述，为了避免温度明显升高，实验允许的辐照剂量较低，导致生物样品获得的电磁能量与正常生命活动的热噪声能量基本持平，不能有效地激发非热效应。为了增强非热效应到可被成功检测的水平，实验需要显著加大辐照剂量，如将电磁波的入射功率密度提高到10mw/cm2以上，但由此引发的热效应会严重干扰对非热效应的甄别与检测。
[0004]
为了避免热效应，目前的电磁辐照实验系统普遍采用热交换抑制细胞温升。schuderer j等人在其发表的论文“in vitro exposure systems for rf exposures at 900 mhz[j].ieee transactions on microwave theory and techniques,2004,52(8):2067-2075”中描述了瑞士it’is基金会研制的sxc900电磁辐照细胞实验系统，实验系统产生温度稳恒为细胞培养温度的气流，冷却波导谐振腔中的细胞样品，在电磁辐照下，细胞样品各处的温升受到抑制，每单位的辐照剂量，如1w/kg的sar(specific absorption rate，比吸收率，即单位质量细胞样品吸收的电磁功率)造成的细胞温升为0.014℃～0.019℃，当非热效应的温度变化阈值取0.1℃时，实验系统所允许的最大辐照剂量约为5w/kg。但这样的稳恒温控只用到温度的正向变化与调控，没有利用温度的负向变化与调控，对电磁辐照细胞非热效应实验允许的最大辐照剂量的提升程度很有限。
[0005]
调变温控同时利用了温度的正向和负向的变化与调控。如zhao j等人在其发表的论文“adaptive temperature control applied to a 900-mhz in vitro exposure setup for nonthermal effects of a high-level sar[j].ieee transactions on microwave theory and techniques,2022,70(3):1658-1673”中所述，用实验系统产生自适应温控气流，冷却tem谐振腔中的细胞样品，细胞样品局部的温度上升，局部的温度下降，其最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，即对消了细胞温升。以细胞样品中的平均sar作为辐照剂量参考，调变温控相较于稳恒温控，将电磁辐照细胞非热效应实验允许的最大辐照剂量提高至
约2.43倍。但是，调变温控目前通过自适应温控实现，自适应温控经多步迭代生成的气流温度变化曲线在辐照开始阶段会出现明显的振荡，曲线形状复杂，实现这样的气流温度变化曲线需要大量的实验和调试，工作难度大，耗时长，可行性不佳。


技术实现要素：

[0006]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法及系统。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0008]
第一方面，本发明公开了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，包括以下步骤：
[0009]
s1、电磁建模仿真，使用电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的sar分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据；
[0010]
s2、温度建模仿真，使用温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，使用s1所得的sar分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；
[0011]
s3、平均sar的上限的计算，记录s1所得的sar分布数据，以及稳恒温控即气流温度稳定不变时s2所得的细胞样品的最高、最低温度变化曲线及其稳定值，根据非热效应的温度变化阈值与最高温度变化的稳定值的比值，以及最高温度变化的稳定值与平均sar之间的正比关系，计算稳恒温控时最高温度变化的稳定值达到非热效应的温度变化阈值时，非热效应实验允许的平均sar的上限，根据最高、最低温度变化的稳定值之差与平均sar之间的正比关系，再取最高、最低温度变化的稳定值分别为非热效应的温度变化阈值及其相反值，即取最高、最低温度变化的稳定值之差为非热效应的温度变化阈值的2倍，计算调变温控即气流温度随时间调整时非热效应实验允许的平均sar的上限；
[0012]
s4、指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围的计算，取平均sar小于调变温控允许的上限，使用指数型温控函数生成指数型温控的气流温度变化曲线，基于s2的温度建模仿真，计算电磁辐照实验过程中细胞样品的最高、最低温度变化曲线，调整温度利用系数和温变时间常数，使最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，同时最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，以此获得在所选的平均sar下，对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围；
[0013]
s5、指数型温控的实现，进行电磁辐照实验，在细胞样品中产生s4所选的平均sar，调控细胞样品附近的气流温度，使气流温度变化曲线落于s4所得的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围之内。
[0014]
第二方面，本发明公开了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统，包括以下功能模块：
[0015]
温度传感器100，用于采集大剂量电磁辐照细胞非热效应实验中指数型细胞温度调控方法及系统所需的温度数据，所述温度数据至少包括细胞样品附近的气流温度数据；
[0016]
上位机200，用于运行电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的sar分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据；还用于运行温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，结合电磁建模仿真所得的sar分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；还用于结合电磁建模仿真所得的sar分布数据和稳恒温控时温度建模仿真所得的温度变化分布数据，计算稳恒、调变温控时非热效应实验允许的平均sar的上限；还用于选定调变温控时细胞样品的平均sar，计算与之对应的温度利用系数的上下限、温变时间常数的上下限以及对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围；还用于获取温度传感器100实测所得的电磁辐照实验过程中细胞样品附近的气流温度变化曲线，设置并调整温度控制参数，使实测曲线落入计算所得的对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围内；
[0017]
温度调控模块300，用于获取上位机200产生的温度控制参数，根据温度控制参数产生温度控制电压；
[0018]
温控气流发生模块400，用于产生气流，并用于获取温度调控模块300产生的温度控制电压，根据温度控制电压调整气流的温度，气流流入电磁辐照实验装置，流经细胞样品，与之热交换后流出。
[0019]
作为优选，所述温控气流发生模块400包括：
[0020]
半导体电热堆401，用于获取温度调控模块300产生的温度控制电压，根据温度控制电压的方向和大小进行制冷或制热并调整功率；
[0021]
风扇402，用于生成气流，气流流经半导体电热堆401，产生温控气流；
[0022]
绝热管403，用于将温控气流送入电磁辐照实验装置。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明提出了一种新型的调变温控，即指数型温控，通过对电磁辐照实验过程进行电磁建模仿真和温度建模仿真，取平均sar小于调变温控允许的上限，计算对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围，调控细胞样品附近的气流温度，使气流温度变化曲线落于该范围。电磁辐照实验过程中，经过气流的热交换，细胞样品的最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值。本发明获得一定的气流温度变化曲线的冗余范围，显著提高了温控的可行性。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例中提供的一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法的流程示意图。
[0026]
图2为本发明实施例中细胞样品的最高、最低温度变化曲线示意图；其中，(a)对应采用稳恒温控，且辐照剂量为sar
stationary
；(b)对应采用稳恒温控，且辐照剂量为(c)对应采用调变温控，且辐照剂量为
[0027]
图3为本发明实施例中采用指数型温控时，细胞样品的最高、最低温度变化曲线及气流温度变化曲线的冗余范围示意图。
[0028]
图4为本发明实施例中提供的一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统的结构示意框图。
[0029]
图5为本发明实施例中提供的一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统中温控气流发生模块的结构示意框图。
[0030]
图6为本发明实施例中提供的一种采用指数型温度调控的大剂量电磁辐照细胞非热效应实验系统的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
需要说明的是，在本技术中，所述电磁辐照实验装置在形式上不作限制(如tem小室、波导谐振腔和天线等)，至少包含样品承托介质组件(如培养皿、培养皿支架等)和信号功率源，主要用于非热效应容易受到热效应干扰的电磁辐照波段(300mhz～100ghz)。
[0032]
还需说明的是，在本技术中，出现的“示例性地”一词用于表示作为例证、说明或示意，使用“示例性地”意图以直观、具体的方式呈现相关概念，而不应该被理解为比其他实施例或设计方案更具优势。
[0033]
以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步的详细描述：
[0034]
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控方法，包括以下步骤：
[0035]
s1、电磁建模仿真，使用电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的sar分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据。
[0036]
示例性地，电磁建模仿真采用基于maxwell方程组的fdtd算法电磁建模仿真软件xfdtd，搭建装载细胞样品的电磁辐照实验装置的cad模型，自适应剖分成网格模型，为了兼顾计算精度与效率，对培养皿空间剖分为0.2mm网格，其余空间剖分为1mm网格，设置网格模型中各组成材料的电磁参数(如电导率σ和相对介电常数εr)，设置细胞样品的质量密度ρ，设置信号功率源的频率、入射功率(需要折算为电源的电压振幅和内阻)、辐照时间，对电磁辐照实验过程进行仿真，输出各个网格的稳定电场振幅，用于计算细胞样品的sar分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据。在细胞样品的网格中，sar由其组成材料的电导率σ、质量密度ρ和网格中心的电场振幅计算，xfdtd可以直接输出sar结果，在样品承托介质组件的网格中，吸收功率由其组成材料的电导率σ和网格中心的电场振幅计算，需要用xfdtd输出电场振幅，自行编写程序计算吸收功率。
[0037]
s2、温度建模仿真，使用温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，使用s1所得的sar分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化。
[0038]
示例性地，温度建模仿真采用基于pennes生物热传导方程的fdtd算法温度建模仿真软件，使用s1搭建的细胞样品、样品承托介质组件的网格模型，设置网格模型中各组成材
料的热力学参数(如比热容c和导热系数λ)，气流与材料间的热交换设置为热传导系数h，h通过实验测量获得，设置发热源和气流温度，对电磁辐照实验过程进行温度仿真，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，在各个时刻，逐网格寻找细胞样品的最高温度变化和最低温度变化。所述设置发热源，即采用s1所得的sar分布数据和吸收功率分布数据计算发热功率的分布，细胞样品网格的发热功率等于其sar乘以质量密度ρ，样品承托介质组件网格的发热功率等于其吸收功率。
[0039]
s3、平均sar的上限的计算，记录s1所得的sar分布数据，以及稳恒温控即气流温度稳定不变时s2所得的细胞样品的最高、最低温度变化曲线及其稳定值，根据非热效应的温度变化阈值与最高温度变化的稳定值的比值，以及最高温度变化的稳定值与平均sar之间的正比关系，计算稳恒温控时最高温度变化的稳定值达到非热效应的温度变化阈值时，非热效应实验允许的平均sar的上限，根据最高、最低温度变化的稳定值之差与平均sar之间的正比关系，再取最高、最低温度变化的稳定值分别为非热效应的温度变化阈值及其相反值，即取最高、最低温度变化的稳定值之差为非热效应的温度变化阈值的2倍，计算调变温控即气流温度随时间调整时非热效应实验允许的平均sar的上限。
[0040]
稳恒温控时非热效应实验允许的平均sar的上限的计算公式如下：
[0041][0042]
式中，δt
th
为非热效应的温度变化阈值，和sar
stationary
分别为稳恒温控时细胞样品的最高温度变化的稳定值与平均sar。
[0043]
调变温控时非热效应实验允许的平均sar的上限的计算公式如下：
[0044][0045]
式中，为稳恒温控时细胞样品的最低温度变化的稳定值。
[0046]
由式1和式2推算可知：即相较于稳恒温控，理想条件下的调变温控至少可以使细胞电磁辐照非热效应实验允许的最大辐照剂量提升一倍。
[0047]
示例性地，如图2中(a)～(c)所示，横轴为时间t，纵轴为温度变化，温度变化均以细胞培养温度为参考，包括气流温度变化δt
air
(t)，稳恒温控时细胞样品的最高、最低温度变化δt
max,stationary
(t)、δt
min,stationary
(t)以及调变温控时细胞样品的最高、最低温度变化δt
max,variable
(t)、δt
min,variable
(t)。(a)为稳恒温控的结果，δt
air
(t)＝0，辐照剂量设为sar
stationary
。辐照开始后，δt
max,stationary
(t)和δt
min,stationary
(t)均上升并渐趋稳定，δt
max,stationary
(t)稳定到(b)仍为稳恒温控的结果，辐照剂量改为上限δt
max,stationary
(t)和δt
min,stationary
(t)的高度随辐照剂量等比变化，有(c)为调变温控的结果，δt
air
(t)在辐照开始时从0阶跃到一个负值，辐照剂量设为上限辐照开始后，δt
max,variable
(t)上升并稳定，稳定值为δt
min,variable
(t)下降并稳定，稳定值为需要说明，
(c)为理想温控的结果，实际中δt
air
(t)不能阶跃，只能在辐照剂量sar
variable
小于时，用渐变型温控函数如指数型温控函数生成气流温度变化曲线，获得指数型温控的结果。
[0048]
s4、指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围的计算，取平均sar小于调变温控允许的上限，使用指数型温控函数生成指数型温控的气流温度变化曲线，基于s2的温度建模仿真，计算电磁辐照实验过程中细胞样品的最高、最低温度变化曲线，调整温度利用系数和温变时间常数，使最高温度变化始终不大于非热效应的温度变化阈值，同时最低温度变化始终不小于非热效应的温度变化阈值的相反值，以此获得在所选的平均sar下，对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围。
[0049]
指数型温控函数如下：
[0050][0051]
式中，t为时间，t≥0，k为温度利用系数，k≥1，τ为温变时间常数，τ＞0，sar
variable
为调变温控时细胞样品的平均sar。
[0052]
示例性地，如图3所示，横轴为时间t，纵轴为温度变化，温度变化均以细胞培养温度为参考，包括气流温度变化δt
air
(t)，以及调变温控时细胞样品的最高、最低温度变化δt
max,variable
(t)、δt
min,variable
(t)，δt
air
(t)取指数型温控函数，辐照剂量设为sar
variable
，略低于上限辐照开始后，δt
max,variable
(t)上升到一个峰值之后下降并稳定到δt
min,variable
(t)略微上升后随即下降并稳定到如果温度利用系数k取其下限k
min
＝1，则随温变时间常数τ的增大而增大，增大到δt
th
时获得τ的下限τ
min
，δt
min,variable
(t)则始终大于-δt
th
；当τ大于τ
min
时，k相应增大使减小到δt
th
，同时δt
min,variable
(t)减小；τ继续增大，k继续相应增大，直至等于-δt
th
时，获得τ的上限τ
max
和k的上限k
max
。k和τ的取值范围给出了气流温度变化曲线的冗余范围，冗余范围的大小与sar
variable
的选取有关，sar
variable
越接近冗余范围越小，sar
variable
越远离冗余范围越大。
[0053]
s5、指数型温控的实现，进行电磁辐照实验，在细胞样品中产生s4所选的平均sar，调控细胞样品附近的气流温度，使气流温度变化曲线落于s4所得的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围之内。
[0054]
示例性地，在气流温度变化曲线的冗余范围内，等时间间隔取每个时刻的冗余区间的中值，将中值连线，得到用折线近似的目标曲线；对每段折线，采用比例－积分－微分算法，根据温度传感器测量的细胞样品附近的气流温度，调整半导体电热堆的温度控制电压的方向和大小，使气流温度变化曲线逼近目标曲线，落于冗余范围之内。
[0055]
如图4所示，本发明实施例提供了一种用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统，用于执行上述指数型细胞温度调控方法，包括以下功能模块：
[0056]
温度传感器100，用于采集大剂量电磁辐照细胞非热效应实验中指数型细胞温度调控方法及系统所需的温度数据，所述温度数据至少包括细胞样品附近的气流温度数据；
[0057]
上位机200，用于运行电磁建模仿真软件，对装载细胞样品的电磁辐照实验装置建立电磁参数模型，仿真电磁辐照实验过程，获得电磁辐照实验装置中的电磁场场型和能量分布，计算细胞样品的sar分布数据和样品承托介质组件的吸收功率分布数据；还用于运行温度建模仿真软件，对气流作用下的细胞样品和样品承托介质组件建立热力学参数模型，结合电磁建模仿真所得的sar分布数据和吸收功率分布数据，仿真电磁辐照实验过程中细胞样品和样品承托介质组件的发热、导热以及与气流的热交换，计算细胞样品在各个时刻的温度变化分布数据，获得各个时刻的细胞样品的最高温度变化和最低温度变化；还用于结合电磁建模仿真所得的sar分布数据和稳恒温控时温度建模仿真所得的温度变化分布数据，计算稳恒、调变温控时非热效应实验允许的平均sar的上限；还用于选定调变温控时细胞样品的平均sar，计算与之对应的温度利用系数的上下限、温变时间常数的上下限以及对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围；还用于获取温度传感器100实测所得的电磁辐照实验过程中细胞样品附近的气流温度变化曲线，设置并调整温度控制参数，使实测曲线落入计算所得的对消细胞温升所需的指数型温控的气流温度变化曲线的冗余范围内；
[0058]
温度调控模块300，用于获取上位机200产生的温度控制参数，根据温度控制参数产生温度控制电压；
[0059]
温控气流发生模块400，用于产生气流，并用于获取温度调控模块300产生的温度控制电压，根据温度控制电压调整气流的温度，气流流入电磁辐照实验装置，流经细胞样品，与之热交换后流出。
[0060]
在本系统中，如图5所示，温控气流发生模块400包括：半导体电热堆401，用于获取温度调控模块300产生的温度控制电压，根据温度控制电压的方向和大小进行制冷或制热并调整功率；风扇402，用于生成气流，气流流经半导体电热堆401，产生温控气流；绝热管403，用于将温控气流送入电磁辐照实验装置。
[0061]
示例性地，一种采用指数型温度调控的大剂量电磁辐照细胞非热效应实验系统如图6所示，图中，虚线框内表示本发明的用于大剂量电磁辐照细胞非热效应实验的指数型细胞温度调控系统1，箭头表示气流方向。在图6所示的实验系统中，谐振腔2水平放置，一对样品承托介质组件3将一对盛有细胞样品的培养皿4水平固定于谐振腔2内，位于磁场最大处。其中，谐振腔2为矩形波导谐振腔，工作频率为1.8ghz，培养皿4的直径为35mm。射频连接器5安装在谐振腔2上方的中心，其外导体短接谐振腔2，内导体连接馈电探针探入谐振腔2。射频连接器5经由同轴线6连接信号功率源7，向谐振腔2内馈入电磁信号和功率，激励起电磁场，细胞样品吸收电磁功率，获得sar。谐振腔2在两头和培养皿4的正上方，开有直径为40mm的气孔8，用8目的铜网做电磁屏蔽。一对温度传感器100放置在谐振腔2的气孔8附近，位于铜网外侧，测量流入和流出气流的温度，取平均值，作为细胞样品附近的气流温度。上位机200与温度调控模块300控制温控气流发生模块400产生气流，气流从两头的气孔8流入谐振腔2，与细胞样品热交换后，从上方的气孔8流出。
[0062]
以上描述为本发明的具体的实施例，并未对本发明设置任何限制，本发明的实施不只限于上述方式，对于其他没有背离本发明原理所做出的改变、替代，均应被视作等效的置换方式，均应该包含在本发明的保护范围内。