体外冲击波碎石(ESWL)是一种无创治疗泌尿系结石的医疗技术,临床上有95%以上的成功率,冲击波能量是这种医疗技术成功的关键因素。为此,阐述了冲击波的形成、传播、聚焦,冲击波发生器的电场能量和碎石原理等,然后从ESWL成功率密度分布中分析冲击波最佳能量。ESWL病例入选条件是门诊输尿管结石患者,年龄在18~83岁之间,左、右单侧或双侧输尿管具有放射影像学结石特征,ESWL数据完整,并且输尿管结石ESWL成功者。通过建立能量的ESWL成功率密度分布函数,得到其数学期望和均方差,从而获得ESWL成功的最佳能量。研究结果表明:从入选的5 747例ESWL病例中,获得ESWL成功率密度分布函数的数学期望为535 m J/mm^2,均方差为157 m J/mm^2,最佳能量在418~732 m J/mm^2范围内;该最佳能量可以通过能级来确定,能级一般分为Ⅰ级(约10 m J/mm^2)、Ⅱ级(20~40 m J/mm^2)、Ⅲ级(30~300 m J/mm^2)、Ⅳ级(400~1 200 m J/mm^2);可以根据结石的大小和密度来选择能级。该结果有助于临床医师根据实际情况选择能量,以提高ESWL成功率。
为进行极低频电磁场生物效应及其机制的动态研究,研制了一种实时电磁场细胞暴露系统。该系统由细胞暴露工作台、电磁场细胞暴露仪、荧光显微镜、CCD摄像头、摄像头操作系统、荧光图像处理系统和电脑等组成。细胞暴露工作台上放置一个C形电磁铁芯,细胞皿放置在C形电磁铁芯的细胞槽中。采用CCD摄像头及其操作系统连续采集细胞荧光图像并生成图像集。通过荧光图像处理系统将图像集中目标细胞的荧光亮度转换为时间序列荧光数据值,以实现像线转换。最后电磁场暴露并同步检测活性氧自由基（ROS）、Ca^2＋、线粒体膜电位（MMP）荧光的飞升特性。结果表明：该系统产生的磁感应强度在0.01-25.37 m T内可调,其绝对误差〈5%;磁场频率在0-340 Hz内可调,其绝对误差〈2%;传感器电压在1-200 m V内可调;灵敏度在0.011-0.127内可调;其线性度〈1.566%,精度〈2.694%。因此,所研制的仪器具有较高的线性度和精度。此外,在像线转换中研发的细胞定位、细胞识别、荧光测算、曲线校正等一系列技术可以满足电磁生物效应的实时检测需求。
生物鲁棒性是生物系统抵抗外界扰动或内部参数摄动引起系统行为变化的一种能力。电磁场是一种外界物理因素,可以对生物体产生影响。为了建立一种电磁场扰动下生物系统稳定鲁棒性的研究方法,以Lyapunov理论为基础,用电磁场细胞暴露系统实时记录了在磁感应强度B为0、0.09、0.38、0.76、7.33、14.78 m T的电磁场暴露下细胞内活性氧自由基（ROS）和钙离子（Ca2＋）的含量,分析了电磁场扰动前的细胞状态稳态点和稳定域,以及电磁场扰动后的状态转移和稳定鲁棒域。结果表明：（1）细胞无扰时ROS的稳态点是46.157~120.913,Ca2＋的稳态点是25.430~55.686,ROS的稳定域半径是1.688~10.278,Ca2＋的稳定域半径是2.782~13.345;（2）B〈7.33 m T的电磁场扰动没有提高胞内ROS含量,B为14.78 m T的电磁场扰动可阶跃性提高胞内ROS含量,B为0和0.09 m T的电磁场扰动没有提高胞内Ca2＋含量,B为0.38 m T的电磁场扰动可持续性提高胞内Ca2＋含量。结论是：（1）无电磁场扰动时,细胞内ROS和Ca2＋状态可以保持稳定;（2）电磁场扰动在较高水平（如B为14.78 m T）时,才能改变细胞内ROS和Ca2＋的状态;（3）细胞的鲁棒域与电磁场的磁感应强度无关。
