基于光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)的心臟電信號(hào)處理與分析.pdf

1、心臟電活動(dòng)的光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)是將心肌細(xì)胞膜電位的變化轉(zhuǎn)化成光學(xué)信號(hào)進(jìn)行記錄的一種新的功能成像技術(shù)，是從細(xì)胞水平上來(lái)研究心肌細(xì)胞動(dòng)作電位及其在細(xì)胞間傳導(dǎo)的電特性。光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)把電壓敏感染料灌注于待觀測(cè)的細(xì)胞或組織，用激勵(lì)光照射其表面，當(dāng)其細(xì)胞膜電位受刺激而發(fā)生變化時(shí)，膜表面染料會(huì)同步出現(xiàn)熒光或吸光變化。熒光強(qiáng)度的變化和用電極記錄到的膜電位變化呈線性關(guān)系，利用電壓敏感染料的光學(xué)記錄膜電位技術(shù)已經(jīng)成為一種比較理想的新手段。因此，對(duì)光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)采集

2、的信號(hào)進(jìn)行處理與分析，可以有效地研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。
　　 本文介紹光學(xué)標(biāo)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成，包括電壓敏感染料的光譜特性、染料灌注系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理方法等5個(gè)部分。光學(xué)標(biāo)測(cè)系統(tǒng)對(duì)離體兔心進(jìn)行標(biāo)測(cè)，完成心臟電活動(dòng)的記錄，采集和存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中提出多種新方法分析心臟電活動(dòng)的特征，得到多項(xiàng)反映膜電位變化的結(jié)果，并與計(jì)算機(jī)仿真的心臟電信號(hào)進(jìn)行比較，證明光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。
　　

3、本文主要以各種形式顯示細(xì)胞膜電位的變化情況，分析其生物現(xiàn)象。對(duì)心臟電信號(hào)處理與分析的過(guò)程中，由CCD相機(jī)采集的信號(hào)是原始熒光圖像，進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理后能清晰顯示心臟細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。圖像信息是反映熒光光強(qiáng)的變化，光強(qiáng)的變化則對(duì)應(yīng)于膜電位的變化，所以計(jì)算圖像像素的灰度相對(duì)變化率，可以得出熒光強(qiáng)度的變化，能以二維圖像的形式顯示心臟細(xì)胞興奮傳導(dǎo)的過(guò)程。當(dāng)提取每一幀圖像相同位置的像素灰度值，該灰度值反映膜電位的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)以一維波形顯示的動(dòng)作電位時(shí)程圖。

4、此時(shí)提取的信號(hào)疊加很大的干擾，需要濾除噪聲，本文分別采用自適應(yīng)濾波器和小波去噪器進(jìn)行濾波處理，同時(shí)比較兩種方法的結(jié)果，得出小波去噪器處理的效果明顯，具有與計(jì)算機(jī)模型仿真的動(dòng)作電位時(shí)程圖相同的特性。以前的研究采用二次微分的方法對(duì)仿真的動(dòng)作電位時(shí)程圖定位極化過(guò)程，本文提出數(shù)值計(jì)算方法對(duì)光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)實(shí)測(cè)的動(dòng)作電位時(shí)程圖進(jìn)行定位細(xì)胞除極的開(kāi)始時(shí)刻和復(fù)極的結(jié)束時(shí)刻，有效分析細(xì)胞極化過(guò)程的狀態(tài)。此外，本文還顯示多種功能圖像，能從多角度分析心臟電信號(hào)

5、的變化，包括等勢(shì)圖，偽彩圖和頻域圖等等，這些圖像從另一側(cè)面反映細(xì)胞膜電位的變化，細(xì)胞與細(xì)胞間的電傳導(dǎo)關(guān)系，并提供更直觀的視覺(jué)來(lái)觀察細(xì)胞的生物現(xiàn)象。
　　 綜上所述，本文對(duì)光學(xué)標(biāo)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)測(cè)離體兔心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，分別顯示各種圖像和波形，反映實(shí)在的心臟電信號(hào)活動(dòng)，并與計(jì)算機(jī)模擬的信號(hào)進(jìn)行比較，結(jié)合心臟電生理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，探索心臟纖顫的發(fā)生機(jī)制和電擊除顫的機(jī)理，并利用實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善心臟電生理的計(jì)算機(jī)模型。各種功能圖像更