專利名稱：一種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種可用于生理或病理學(xué)細(xì)胞膜電位檢測，尤其是一種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，主要根據(jù)光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)獲取的熒光信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)得到生理功能信息的方法。
背景技術(shù)：
生物電指生物體的生命活動(dòng)中表現(xiàn)的電活動(dòng)現(xiàn)象，它普遍存在于各種生理功能的實(shí)現(xiàn)過程，因此生物電的檢測顯得相當(dāng)重要。隨著科技發(fā)展，檢測這些生物電的工具有功能核磁共振成像、正電子發(fā)射斷層成像、X光斷層成像、心電圖、腦電圖、膜片鉗技術(shù)等，它們從宏觀到微觀不同層面揭示了生命的奧秘。但需要快速實(shí)時(shí)地記錄電活動(dòng)過程，才能觀察到生命活動(dòng)中的重要信息，比如心律失常時(shí)心臟的心肌動(dòng)作電位變化、電擊除顫瞬間心臟功能變化等。在這些生理機(jī)制動(dòng)態(tài)過程中，研究微觀變化時(shí)，要求達(dá)到一定的空間分辨率(微米/納米級(jí))和時(shí)間分辨率(微秒級(jí))，研究宏觀變化時(shí)，要求空間分辨率(厘米級(jí))和時(shí)間分辨率(分鐘量級(jí))。然而上述的檢測工具雖各有優(yōu)勢，但也很難同時(shí)滿足時(shí)間空間要求。因此，近年來發(fā)展起一種同時(shí)滿足以上要求，且可連續(xù)動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀察的新型技術(shù):基于電壓敏感染料的熒光功能成像標(biāo)測技術(shù)。光學(xué)標(biāo)測技術(shù)是一種基于電壓敏感性染料的光學(xué)記錄膜電位的方法，即熒光染料感受局部電場變化，細(xì)胞膜與染料分子相互作用，膜內(nèi)外染料分子重新排列和旋轉(zhuǎn)。在一定波長的光源激發(fā)下，熒光物質(zhì)的能級(jí)發(fā)生變化，釋放出光子和能量，這種發(fā)射光可被相關(guān)的檢測裝置記錄下來。該技術(shù)具有多位點(diǎn)同時(shí)記錄、時(shí)間空間分辨率高、廣泛適用性等優(yōu)于傳統(tǒng)方法的特點(diǎn)，可以同時(shí)從不同層次著手研究各種細(xì)胞和組織的生理機(jī)制，也可通過腦部動(dòng)作電位在體研究視覺神經(jīng)、嗅覺神經(jīng)，提高人們對(duì)腦部結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知水平，提供豐富的研究信息。尤其對(duì)電除顫和心律失常的臨床治療有一定的指導(dǎo)意義。目前國內(nèi)尚無該方面的專利。國外專利中美國專利N0.7611863德國申請(qǐng)，2009年11月3日授權(quán)，美國專利N0.7173130，美國申請(qǐng)，2007年2月6日授權(quán)，這些方法或者關(guān)注于染料的合成方法，或者使用復(fù)雜的熒光共振能量轉(zhuǎn)移來進(jìn)行檢測。近年來國外的一些公開發(fā)表的文獻(xiàn)比如Brown NH, Dobrovolny HM, Gauthier DJ, etal “Afiber—basedratiometric optical cardiac mapping channel using a diffractiongrating andsplit detector”.Biophys j，2007，93:254-263 利用光纖和光柵來進(jìn)行波長選擇，系統(tǒng)比較復(fù)雜，Zhang H, Wang J等“Short-term memory andelectrical restitutionin the canine transmural ventricle”Physiol.Meas.2011，32:207 - 222 利用光學(xué)標(biāo)測技術(shù)進(jìn)行心臟短期記憶研究。這些都未能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡便易用，造價(jià)昂貴，使得該技術(shù)的應(yīng)用得到了限制。本發(fā)明利用光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)所獲取得到的熒光信息，經(jīng)過處理后重構(gòu)得到電生理研究中所需要的各種功能信息圖像，利用這些功能圖像，可以對(duì)離體動(dòng)物心臟生理信息進(jìn)行研究，從而為研究人員提供了 一種新的技術(shù)手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，該方法利用鑲嵌在細(xì)胞膜上的電壓敏感染料將細(xì)胞跨膜電位轉(zhuǎn)變成熒光信號(hào)，然后根據(jù)熒光信號(hào)重構(gòu)功能圖像，其定位離體心臟表層膜電位熒光并重構(gòu)各種功能圖像，為抗心律失常藥物開發(fā)、除顫器起搏器等開發(fā)提供參考手段。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:這種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，包括以下步驟:I)通過光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)得到離體心臟的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布；2)對(duì)于步驟I)得到的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布進(jìn)行反解，求解得出膜電位Vm ；光標(biāo)測檢測到的熒光光強(qiáng)F的變化量Λ F與細(xì)胞跨膜電位Vm的變化Λ Vm成線性關(guān)系，因此通過AF/F反解出光學(xué)動(dòng)作電位；使用的熒光窗是>570nm，使用以下公式計(jì)算光學(xué)動(dòng)作電位:Vn=-(F-F )/F上式中，Vn表示某時(shí)刻某一點(diǎn)的細(xì)胞跨膜電位Vm，F(xiàn)n表示該時(shí)刻該點(diǎn)熒光強(qiáng)度，F(xiàn)表示該細(xì)胞靜息時(shí)刻的平均熒光強(qiáng)度；通過公式計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)的細(xì)胞跨膜電位Vm，然后得到Vni隨時(shí)間變化的曲線，當(dāng)計(jì)算出一幀圖像中每個(gè)點(diǎn)的動(dòng)作電位，則重構(gòu)出一個(gè)三維的圖像序列，其中一維以時(shí)間為軸，另外兩維表示心臟組織不同細(xì)胞跨膜電位的空間分布，這個(gè)圖像序列中的某一幀表示該時(shí)刻的心臟組織的等電勢圖；3)根據(jù)步驟2)獲得的等電勢圖，經(jīng)過濾波后處理并加偽彩得等電勢偽彩圖像。進(jìn)一步，以上基于連續(xù)多幀圖像的計(jì)算在圖像采集間隙中計(jì)算完成。上述重構(gòu)得到的三維圖像序列，須經(jīng)時(shí)空統(tǒng)一濾波算法處理后方可用于其他反映細(xì)胞或組織生理功能的重構(gòu)功能圖像計(jì)算方法，所述時(shí)空統(tǒng)一濾波算法是帶權(quán)值的時(shí)空統(tǒng)一中值濾波。本發(fā)明利用光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)所獲取得到的熒光信息，經(jīng)過處理后重構(gòu)得到電生理研究中所需要的各種功能信息圖像，利用這些功能圖像，可以對(duì)離體動(dòng)物心臟生理信息進(jìn)行研究，從而為研究人員提供了 一種新的技術(shù)手段。


圖1是本發(fā)明重構(gòu)得到的各種功能圖像；其中(a)是跨膜動(dòng)作電位Vm、(b)是等電勢圖、(C)是等時(shí)圖、Cd)是相位圖、Ce)是空間頻譜圖、Cf)時(shí)間頻譜圖。圖2是本發(fā)明在電生理研究中的一個(gè)應(yīng)用舉例，其中(a)是不同周期長度Bsi刺激下的動(dòng)作電位，(b)是S1S2刺激后的APD局部恢復(fù)曲線，可以根據(jù)圖1中的等時(shí)圖計(jì)算得到。(c)是動(dòng)態(tài)恢復(fù)曲線，可以根據(jù)圖1中的等時(shí)圖和頻譜圖通過計(jì)算圖(b)中曲線的斜率和Aro時(shí)程的關(guān)系得到。(d)是心臟短期記憶(Ms)和刺激周期關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，包括以下步驟:I)通過光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)得到離體心臟的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布；2)對(duì)于步驟I)得到的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布進(jìn)行反解，求解得出膜電位Vm ；光標(biāo)測檢測到的熒光光強(qiáng)F的變化量Λ F與細(xì)胞跨膜電位Vm的變化Λ Vm成線性關(guān)系，因此通過AF/F反解出光學(xué)動(dòng)作電位；使用的熒光窗是>570nm，使用以下公式計(jì)算光學(xué)動(dòng)作電位:
權(quán)利要求
1.一種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)通過光學(xué)標(biāo)測系統(tǒng)得到離體心臟的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布； 2)對(duì)于步驟I)得到的實(shí)時(shí)熒光光強(qiáng)分布進(jìn)行反解，求解得出膜電位Vm； 光標(biāo)測檢測到的熒光光強(qiáng)F的變化量△ F與細(xì)胞跨膜電位Vm的變化△ Vm成線性關(guān)系，因此通過AF/F反解出光學(xué)動(dòng)作電位；使用的熒光窗是>570nm，使用以下公式計(jì)算光學(xué)動(dòng)作電位:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，其特征在于，基于連續(xù)多幀圖像的計(jì)算在圖像采集間隙中計(jì)算完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，其特征在于，所述重構(gòu)得到的三維圖像序列，須經(jīng)時(shí)空統(tǒng)一濾波算法處理后方可用于其他反映細(xì)胞或組織生理功能的重構(gòu)功能圖像計(jì)算方法，所述時(shí)空統(tǒng)一濾波算法是帶權(quán)值的時(shí)空統(tǒng)一中值濾波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種心肌細(xì)胞膜電位功能信息光學(xué)重構(gòu)方法，該重構(gòu)方法主要解決目前在醫(yī)學(xué)研究中圖像時(shí)空分辨率低，傳導(dǎo)旁路等病理現(xiàn)象不容易確認(rèn)的難題。該方法的技術(shù)要點(diǎn)是利用嵌在細(xì)胞膜上的電壓敏感染料將細(xì)胞跨膜電位轉(zhuǎn)變成熒光信號(hào)，然后結(jié)合優(yōu)化算法反推出電興奮的大小與時(shí)序，得到膜電位的實(shí)時(shí)分布，最后通過計(jì)算機(jī)圖形處理進(jìn)行顯示。特別對(duì)于異常傳導(dǎo)可以準(zhǔn)確快速通過各種功能圖形予以識(shí)別，為藥物開發(fā)、電生理研究、除顫器和起搏器設(shè)計(jì)等提供參考手段。
文檔編號(hào)G01N21/64GK103207168SQ20121057551
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者王晶, 張鎮(zhèn)西, 徐正紅, 梅建生, 隆弢 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)