多參數(shù)細胞生理自動分析儀器的軟件設(shè)計.pdf

1、現(xiàn)如今，隨著細胞培養(yǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展，采用細胞芯片對活細胞進行無損、長時程檢測的細胞傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是微電極陣列傳感器(microelectrode array sensor，MEA)、細胞阻抗傳感器(electric cell-substrateimpedance sensor，ECIS)以及光尋址電位傳感器(light addressable potentiometricsensor，LAPS)等胞外檢測方法

2、已成為在細胞水平上實時、動態(tài)研究細胞代謝活動和進行藥物研究的重要手段。但傳統(tǒng)的細胞生理檢測儀器只能對單一的細胞生理參數(shù)進行分析，對于綜合評價細胞、藥物或環(huán)境是遠遠不夠的。為此，我們研制了多參數(shù)細胞生理自動分析儀，該儀器可以同時檢測集成MEA、ECIS和LAPS三種傳感器的新型細胞生理檢測芯片，實現(xiàn)在細胞水平上分析藥物對細胞的作用，并對細胞的多種生理參數(shù)進行檢測。
　　 本文的主要任務(wù)是開發(fā)多參數(shù)細胞生理自動分析儀器的軟件系統(tǒng)，通

3、過同時檢測集成芯片的信號，分析得到有關(guān)的細胞生理參數(shù)。軟件系統(tǒng)結(jié)合多參數(shù)細胞生理自動分析儀器，可以實時動態(tài)長時程采集、記錄和分析細胞的各項生理參數(shù)。軟件按照功能分為五大模塊：MEA模塊、ECIS模塊、LAPS模塊、環(huán)境監(jiān)控模塊和流路分析模塊。MEA模塊可以檢測生長在MEA芯片表面的細胞動作電位，記錄細胞電活動；ECIS模塊依靠叉指電極檢測細胞阻抗變化，從而反映出細胞生長、貼附、增殖、凋亡的過程，以及藥物對細胞活性的影響等參數(shù)；LAPS模

4、塊通過檢測光生電流變化，可以計算出細胞外環(huán)境中各種離子濃度的改變，用以反映細胞代謝狀況；環(huán)境監(jiān)控模塊可以實時監(jiān)控細胞培養(yǎng)環(huán)境中溫度、濕度和CO2體積濃度的各種變化，并精確控制培養(yǎng)環(huán)境，保證細胞正常穩(wěn)定生長；流路分析模塊通過控制流路分析系統(tǒng)配合儀器完成培養(yǎng)液和藥物的自動進樣以及清洗，實現(xiàn)細胞生理參數(shù)的自動化檢測與分析。
　　 軟件在界面上也比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件有了很大提高，整體框架基于Microsoft.NET Framework

5、3.5開發(fā)，可以支持Microsoft Windows系列的多種操作系統(tǒng)平臺。采用多任務(wù)的處理方式，使多種功能可以并行檢測，真正實現(xiàn)了多參數(shù)綜合檢測分析。通過模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計理念，將底層的各個功能模塊封裝，極大的擴展了軟件的適用范圍，并降低了二次開發(fā)難度。
　　 此外，本文研究了基于細胞生理多參數(shù)檢測的自動識別算法。針對MEA檢測，設(shè)計了動作電位峰值自動檢測辨識算法，利用移動窗積分的方法實現(xiàn)了實時峰值檢測與提取。針對ECI

6、S檢測，設(shè)計了細胞指數(shù)與藥物半數(shù)抑制濃度的自動判別算法，利用LOGIT模型結(jié)合最小二乘法擬合，可以實現(xiàn)在線藥物半數(shù)抑制濃度計算。針對LAPS檢測，設(shè)計了自動檢測Ⅰ-Ⅴ曲線工作點的算法，通過多次樣條插值與平滑積分濾波相結(jié)合的方法，確定Ⅰ-Ⅴ曲線的工作點，并計算出離子濃度變化。合理利用上述算法，可以實時研究藥物對細胞動作電位形態(tài)和時長的影響，藥物對細胞生長狀態(tài)和細胞數(shù)量的影響，以及對細胞代謝的作用，實現(xiàn)了細胞生理多參數(shù)的準確辨識和預(yù)測，對于

7、藥物篩選和化合物研究都有重要的意義。
　　 通過該儀器對實際藥物和細胞的檢測實驗，驗證了實時峰值提取算法在信噪比為1.5至3.5時的準確率均超過90％，并計算出了檢測閾值的合理取值范圍；利用半數(shù)抑制濃度自動判別算法計算出阿霉素針對大鼠心肌細胞的IC50曲線；通過分析自動工作點檢測算法在多種離子條件下的誤差，確定30mV為最佳采樣間隔，此時的相對誤差為13.5±1.9％。通過對儀器穩(wěn)定性和算法正確性進行了細致的驗證和改進，以及對實