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专利名称：一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程领域，涉及一种可用于生理或病理学细胞膜电位检测，尤其是一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，主要根据光学标测系统获取的荧光信号进行重构得到生理功能信息的方法。
背景技术：
生物电指生物体的生命活动中表现的电活动现象，它普遍存在于各种生理功能的实现过程，因此生物电的检测显得相当重要。随着科技发展，检测这些生物电的工具有功能核磁共振成像、正电子发射断层成像、X光断层成像、心电图、脑电图、膜片钳技术等，它们从宏观到微观不同层面揭示了生命的奥秘。但需要快速实时地记录电活动过程，才能观察到生命活动中的重要信息，比如心律失常时心脏的心肌动作电位变化、电击除颤瞬间心脏功能变化等。在这些生理机制动态过程中，研究微观变化时，要求达到一定的空间分辨率(微米/纳米级)和时间分辨率(微秒级)，研究宏观变化时，要求空间分辨率(厘米级)和时间分辨率(分钟量级)。然而上述的检测工具虽各有优势，但也很难同时满足时间空间要求。因此，近年来发展起一种同时满足以上要求，且可连续动态进行观察的新型技术:基于电压敏感染料的荧光功能成像标测技术。光学标测技术是一种基于电压敏感性染料的光学记录膜电位的方法，即荧光染料感受局部电场变化，细胞膜与染料分子相互作用，膜内外染料分子重新排列和旋转。在一定波长的光源激发下，荧光物质的能级发生变化，释放出光子和能量，这种发射光可被相关的检测装置记录下来。该技术具有多位点同时记录、时间空间分辨率高、广泛适用性等优于传统方法的特点，可以同时从不同层次着手研究各种细胞和组织的生理机制，也可通过脑部动作电位在体研究视觉神经、嗅觉神经，提高人们对脑部结构和功能的认知水平，提供丰富的研究信息。尤其对电除颤和心律失常的临床治疗有一定的指导意义。目前国内尚无该方面的专利。国外专利中美国专利N0.7611863德国申请，2009年11月3日授权，美国专利N0.7173130，美国申请，2007年2月6日授权，这些方法或者关注于染料的合成方法，或者使用复杂的荧光共振能量转移来进行检测。近年来国外的一些公开发表的文献比如Brown NH, Dobrovolny HM, Gauthier DJ, etal “Afiber—basedratiometric optical cardiac mapping channel using a diffractiongrating andsplit detector”.Biophys j，2007，93:254-263 利用光纤和光栅来进行波长选择，系统比较复杂，Zhang H, Wang J等“Short-term memory andelectrical restitutionin the canine transmural ventricle”Physiol.Meas.2011，32:207 - 222 利用光学标测技术进行心脏短期记忆研究。这些都未能实现系统的简便易用，造价昂贵，使得该技术的应用得到了限制。本发明利用光学标测系统所获取得到的荧光信息，经过处理后重构得到电生理研究中所需要的各种功能信息图像，利用这些功能图像，可以对离体动物心脏生理信息进行研究，从而为研究人员提供了 一种新的技术手段。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，该方法利用镶嵌在细胞膜上的电压敏感染料将细胞跨膜电位转变成荧光信号，然后根据荧光信号重构功能图像，其定位离体心脏表层膜电位荧光并重构各种功能图像，为抗心律失常药物开发、除颤器起搏器等开发提供参考手段。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:这种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，包括以下步骤:I)通过光学标测系统得到离体心脏的实时荧光光强分布；2)对于步骤I)得到的实时荧光光强分布进行反解，求解得出膜电位Vm ；光标测检测到的荧光光强F的变化量Λ F与细胞跨膜电位Vm的变化Λ Vm成线性关系，因此通过AF/F反解出光学动作电位；使用的荧光窗是>570nm，使用以下公式计算光学动作电位:Vn=-(F-F )/F上式中，Vn表示某时刻某一点的细胞跨膜电位Vm，Fn表示该时刻该点荧光强度，F表示该细胞静息时刻的平均荧光强度；通过公式计算得到每个点的细胞跨膜电位Vm，然后得到Vni随时间变化的曲线，当计算出一帧图像中每个点的动作电位，则重构出一个三维的图像序列，其中一维以时间为轴，另外两维表示心脏组织不同细胞跨膜电位的空间分布，这个图像序列中的某一帧表示该时刻的心脏组织的等电势图；3)根据步骤2)获得的等电势图，经过滤波后处理并加伪彩得等电势伪彩图像。进一步，以上基于连续多帧图像的计算在图像采集间隙中计算完成。上述重构得到的三维图像序列，须经时空统一滤波算法处理后方可用于其他反映细胞或组织生理功能的重构功能图像计算方法，所述时空统一滤波算法是带权值的时空统一中值滤波。本发明利用光学标测系统所获取得到的荧光信息，经过处理后重构得到电生理研究中所需要的各种功能信息图像，利用这些功能图像，可以对离体动物心脏生理信息进行研究，从而为研究人员提供了 一种新的技术手段。


图1是本发明重构得到的各种功能图像；其中(a)是跨膜动作电位Vm、(b)是等电势图、(C)是等时图、Cd)是相位图、Ce)是空间频谱图、Cf)时间频谱图。图2是本发明在电生理研究中的一个应用举例，其中(a)是不同周期长度Bsi刺激下的动作电位，(b)是S1S2刺激后的APD局部恢复曲线，可以根据图1中的等时图计算得到。(c)是动态恢复曲线，可以根据图1中的等时图和频谱图通过计算图(b)中曲线的斜率和Aro时程的关系得到。(d)是心脏短期记忆(Ms)和刺激周期关系图。
具体实施方式
本发明的心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，包括以下步骤:I)通过光学标测系统得到离体心脏的实时荧光光强分布；2)对于步骤I)得到的实时荧光光强分布进行反解，求解得出膜电位Vm ；光标测检测到的荧光光强F的变化量Λ F与细胞跨膜电位Vm的变化Λ Vm成线性关系，因此通过AF/F反解出光学动作电位；使用的荧光窗是>570nm，使用以下公式计算光学动作电位:
权利要求
1.一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)通过光学标测系统得到离体心脏的实时荧光光强分布； 2)对于步骤I)得到的实时荧光光强分布进行反解，求解得出膜电位Vm； 光标测检测到的荧光光强F的变化量△ F与细胞跨膜电位Vm的变化△ Vm成线性关系，因此通过AF/F反解出光学动作电位；使用的荧光窗是>570nm，使用以下公式计算光学动作电位:
2.根据权利要求1所述的心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，其特征在于，基于连续多帧图像的计算在图像采集间隙中计算完成。
3.根据权利要求1所述的心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，其特征在于，所述重构得到的三维图像序列，须经时空统一滤波算法处理后方可用于其他反映细胞或组织生理功能的重构功能图像计算方法，所述时空统一滤波算法是带权值的时空统一中值滤波。
全文摘要
本发明公开了一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，该重构方法主要解决目前在医学研究中图像时空分辨率低，传导旁路等病理现象不容易确认的难题。该方法的技术要点是利用嵌在细胞膜上的电压敏感染料将细胞跨膜电位转变成荧光信号，然后结合优化算法反推出电兴奋的大小与时序，得到膜电位的实时分布，最后通过计算机图形处理进行显示。特别对于异常传导可以准确快速通过各种功能图形予以识别，为药物开发、电生理研究、除颤器和起搏器设计等提供参考手段。
文档编号G01N21/64GK103207168SQ20121057551
公开日2013年7月17日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者王晶, 张镇西, 徐正红, 梅建生, 隆弢 申请人:西安交通大学