多功能細胞微生理計的軟件與算法設計.pdf

1、細胞傳感器是將固定化的生物活體細胞在外界刺激下產(chǎn)生的電化學變化轉(zhuǎn)換成電系統(tǒng)可以檢測到的電信號的這樣一種裝置，它由兩級換能器組成，第一級換能器即前述的生物活體細胞，第二級換能器是被細胞所貼附的半導體器件。根據(jù)細胞傳感器檢測的細胞生理參數(shù)的不同，常見的二級換能器有微電極陣列(Microelectrodes Array，MEA)，細胞阻抗傳感器(Electric Cell-substrateImpedance Sensor, ECIS)，光尋

2、址細胞電位傳感器(Light AddressablePotentiometric Sensor, LAPS)等。在進行細胞生理實驗時，傳統(tǒng)的細胞微生理參數(shù)檢測儀器只能檢測細胞的單一生理參數(shù)的變化，對細胞生理活動機制的揭示并不全面，為此研制了一種多功能集成細胞傳感器芯片，并基于該芯片開發(fā)了一套多功能細胞微生理計器，本文的主要任務是介紹針對該自動分析儀的軟件系統(tǒng)。
　　 軟件系統(tǒng)集成了MEA、ECIS、LAPS三個細胞生理參數(shù)的檢測

3、模塊、樣本的流路控制模塊、細胞檢測環(huán)境的控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊共六大模塊。細胞生理參數(shù)的檢測模塊可以實時采集、保存并顯示細胞生理參數(shù)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具體包括由MEA檢測到的細胞胞外動作電位變化，由ECIS檢測到的細胞阻抗的變化以及由LAPS檢測到的光生電流的變化。通過對這些參數(shù)的檢測，可以直接或間接地反映細胞的電生理活動、細胞的生長、貼附、增殖和凋亡以及細胞的代謝情況。樣本的流路控制模塊主要負責樣本的進樣和廢液的清洗，軟件系統(tǒng)提供可由

4、用戶操作的流路控制界面，實現(xiàn)流路的自動控制。細胞檢測環(huán)境的控制模塊可實時顯示環(huán)境的溫度、濕度和CO2的監(jiān)測曲線并提供報警功能，保證細胞實驗的順利進行。數(shù)據(jù)處理模塊提供在線的數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)的回放、細胞代謝率的計算、細胞指數(shù)的計算和IC50的擬合。
　　 軟件系統(tǒng)的設計語言采用C＃，整體框架基于Microsoft.NET Framework4.0，可以支持Windows XP/Vista/Windows7等多種操作系統(tǒng)平臺，軟件

5、的設計器采用具有更高視覺品質(zhì)的WPF(Windows Presentation Foundation)，系統(tǒng)采用分層架構集成了前述的六大功能模塊，便于軟件的后續(xù)升級開發(fā)。
　　 本文還研究了細胞生理參數(shù)的智能識別算法。通過研究比較細胞動作電位信號的處理算法，設計了算法復雜度較低的信號去噪、鋒電位提取和離散小波變換分類的方法并成功應用到實驗數(shù)據(jù)的處理中，優(yōu)化了光尋址細胞傳感器自動查找工作電壓的算法，實現(xiàn)了細胞阻抗轉(zhuǎn)化為細胞指數(shù)以及

6、藥物半數(shù)抑制濃度的算法。
　　 最后進行了細胞實驗對軟件系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性進行了測試。將小鼠味覺細胞分別受乙醚、乙醇和丁二酮的刺激后的電位響應信號采用鋒電位提取和分類的算法將三種不同的信號區(qū)分開來，其效果優(yōu)于常用的主成分分析分類法且分類效果基本不受噪聲的影響，為智能識別奠定基礎。通過細胞指數(shù)值反映出活化的肝星狀細胞在藥物作用前后細胞貼附情況的改變從而實現(xiàn)對藥物的評價。采用Ca2+，C(I-)，K+三種離子，共九個濃度梯度的溶液標