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随着医疗水平的不断提高,人们对医疗仪器设备的小型化、智能化提出新要求。骨折和软骨损伤疾病一直是困扰人们的难题,其病程长、自愈难、引发疼痛,严重影响患者的生活质量。临床上,常用的治疗办法有药物治疗和手术干预,但药物治疗一般难以达到理想效果,而手术干预的创面过大。超声治疗具有无创、方便、可控等优点。目前,国外已有批准用于临床的骨折愈合治疗仪,它是一种运用低强度脉冲超声波（Low intensity pulsed ultrasound,LIPUS）治疗新鲜骨折和骨不连的手段,研究报道,每天1次,每次20分钟的LIPUS治疗可加速38%的新鲜骨折愈合和86%的骨不连[1-3]。但骨折愈合治疗仪的参数固定,对软骨损伤等疾病的治疗效果有限,因此,需要开发一种针对软骨修复的便携式仪器。本文介绍了一种便携式参数可调的低强度脉冲超声仪的设计方法,并利用自主研制的超声仪输出不同参数的LIPUS处理原代软骨细胞和胚胎期跖骨组织,研究LIPUS对软骨的功能状态的影响。研究方法第一部分:1.系统硬件主要由低功耗的单片机、信号激励模块、功放模块、空载保护模块和电源模块组成,其中MSP430F149单片机是整个硬件结构的核心,负责输出信号控制、空载监测和报警、按键响应和显示屏输出等。信号激励和功放模块负责信号的产生、电压放大、功率放大以及换能器的谐振匹配,实现有效地驱动超声换能器输出额定能量。空载保护模块负责采样输出端电压信号反馈给单片机,在换能器空载时,进行声光报警。电池供电装置通过DC-DC电源隔离模块为数字和模拟电路提供不同隔离工作电源和电压转换。2.便携式低强度超声仪的软件设计:系统程序在IAR-EW for MSP430开发环境下编写调试。通过按键输入选择参数、单片机控制不同强度、占空比、时间的超声波输出,并在换能器空载时,自动切断输出、启动报警,避免换能器因空载引起的过度发热而损坏。3.仪器系统测量评估:利用示波器测试电信号,评估仪器系统的频率精度和工作稳定性;毫瓦级超声功率计测试评估换能器输出的声功率;换能器空载条件下,测试仪器系统的应对性能和灵敏度。第二部分:1.采用自主研制的便携式低强度超声仪输出频率1.5MHz的低强度脉冲超声波,调节输出声参数组合为LIPUSⅠ:强度30mW/cm2、占空比20%,LIPUSⅡ:强度30mW/cm2、占空比40%,LIPUSⅢ:声强度50mW/cm2、占空比20%的超声波,设计3种LIPUS处理组和对照组进行实验。2.利用上述参数的LIPUS连续处理新生小鼠的原代软骨细胞3天,CCK-8检测软骨细胞活性情况。3.利用上述参数的LIPUS连续处理新生小鼠的原代软骨细胞3天,第3天处理结束后,EdU掺入法检测软骨细胞的增殖情况、定量PCR检测软骨细胞相关基因II型胶原（Col2）、蛋白聚糖（Acan）、X型胶原（ColX）、TUNEL法检测软骨细胞的凋亡情况;4.利用上述参数的LIPUS连续处理体外培养的骨胚组织7天,在第0天和第7天,拍照观察组织形态,并测量计算7天的软骨增长率和全长增长率。实验结果1.低强度脉冲超声仪的硬件设计查找满足研究要求的各功能模块的主要芯片类型,熟悉芯片结构和应用,进行硬件设计,绘制并焊接PCB电路板,分别调试各模块的功能。2.低强度脉冲超声仪的软件设计熟悉MSP430的内部架构和C语言指令集,根据确立的技术指标设计软件流程,在IAR-EW开发平台上编写程序,进行软硬件调试。3.测试评估仪器系统各项性能稳定,输出参数符合技术指标规定对仪器系统的工作频率、输出功率和空载保护性能进行测量评估,均可满足研究设计要求。4.LIPUS能促进软骨细胞活性、增殖以及Col2、Acan基因的表达LIPUS处理后的第1天,各组细胞之间活性无明显差异;自LIPUS处理的第2天起,各处理组的软骨细胞活性较对照组增强;LIPUS连续处理3天后,各处理组的EdU阳性细胞率明显高于对照组;荧光定量PCR结果显示,LIPUS上调软骨基质相关基因Col2、Acan的mRNA表达水平,其中LIPUSⅡ组效果最为明显。5.LIPUS能抑制软骨细胞ColX基因的表达以及细胞凋亡荧光定量PCR检测LIPUS处理3天后的软骨细胞,发现LIPUS可降低软骨细胞成熟分化的相关基因ColX的表达水平;TUNEL检测结果显示,各LIPUS处理组的软骨细胞凋亡率较对照组有所降低;其中LIPUSⅡ组效果最为明显。6.LIPUS可促进骨和软骨的生长利用跖骨体外培养7天评估各LIPUS处理组对骨生长的作用,提示LIPUSⅡ、Ⅲ组可促骨和软骨生长,而LIPUSⅠ组处理后与对照组相比无明显差异。结论1.研制出便携式、可调节参数、输出稳定、安全性高的低强度脉冲超声仪。2.LIPUS连续处理软骨细胞3天,可促进其活性、增殖及软骨基质相关基因Col2、Acan基因的表达、抑制ColX表达和软骨细胞凋亡。3.LIPUS连续处理培养跖骨7天,可促进骨和软骨生长。4.LIPUS的处理效果与参数有关,强度30mW/cm2、占空比40%的LIPUS是三组中的最佳参数。