[發(fā)明專利]利用熒光信號差值測量斑馬魚心率的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010012808.7
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111466902B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 匡登峰;黃曾鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: A61B5/024
• 分類號: A61B5/024;A61B5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種對生物體損害更小、更穩(wěn)定、更精確的非接觸式斑馬魚心跳頻率的測量方法。基因標記的斑馬魚心臟中的GFP熒光蛋白對應(yīng)激發(fā)波長的激光照明后，會發(fā)出熒光信號。利用搭配濾光片的倒置式顯微鏡濾除激發(fā)光的信號(488nm)采集熒光信號(507nm)，并且利用高速CCD相機采集一段時間內(nèi)的心跳圖像形成一個視頻。將得到的視頻逐幀提取并對幀與幀之間的差值區(qū)域面積進行統(tǒng)計繪圖，得到差值隨時間的變化曲線。通過統(tǒng)計波峰出現(xiàn)的平均間隔幀數(shù)和波谷出現(xiàn)的平均間隔幀數(shù)的平均值得到心臟跳動周期，利用已知的視頻幀率即可求得心跳的頻率。該方法在生物測量、生物活體顯微成像等方面有重要的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)、生物測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及微光學(xué)器件加工、顯微成像系統(tǒng)設(shè)計以及 生物活體成像。其特點是使用逐幀做差的方法提取心臟跳動的信號，能較完整的復(fù)原心臟 跳動。

背景技術(shù)

斑馬魚由于其發(fā)育迅速，透明度較高等特點被廣泛應(yīng)用于生物實驗中，其心率的測量 在生物實驗以及相關(guān)的藥物研究方面起著重要的作用。目前測量斑馬魚心率的方法有以下 幾種。

一、針刺法測量斑馬魚的心電圖：該方法是將兩個電極刺入斑馬魚的心臟檢測電信號， 經(jīng)過放大處理后得到斑馬魚的心電圖。該方法對斑馬魚的損害較大，對于未成年的斑馬魚 也無法測量，且電極的刺入會導(dǎo)致心臟頻率的改變。

二、利用CCD相機拍攝的測量方法：該方法是直接用CCD相機拍攝斑馬魚的心臟區(qū)域，利用后續(xù)圖像處理的方法求出各幀圖片之間的相關(guān)性來評價斑馬魚的心跳。該方法對生物體的影響較小但是應(yīng)用條件較為復(fù)雜，對成像質(zhì)量的要求較高并且無法得到精確的斑馬魚心跳信號。

三、綠色熒光蛋白的標記方法：該方法使用綠色熒光蛋白標記斑馬魚的心臟，一般利 用共聚焦顯微系統(tǒng)或者其他熒光顯微系統(tǒng)測量斑馬魚的心率。該方法未提供較好的后期處 理的相關(guān)技術(shù)。

目前存在的方法難以提高測量的精度，本發(fā)明在算法上做出改進，可以得到更多心跳 信號的細節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種對生物體損害更小，更穩(wěn)定，更精確的非接觸式斑馬魚心 跳頻率的測量方法。

斑馬魚心臟中的熒光蛋白對應(yīng)激發(fā)波長的激光照明后，會激發(fā)出熒光信號。利用搭配 濾光片的倒置式顯微鏡濾除激發(fā)光的信號(488nm)采集熒光信號(507nm)，并且利用高速 CCD相機采集一段時間內(nèi)的心跳圖像形成一個視頻。

將得到的視頻做后續(xù)處理：首先利用自主編寫的程序?qū)⒁曨l逐幀提取為圖片并得到視 頻的幀率(fps)，僅提取視頻中綠色通道進一步減少激發(fā)光的影響。選取適當?shù)幕叶乳撝?對所有圖片進行二值化處理，閾值選取時需考慮既不影響心臟細節(jié)又能有效的去除心臟之 外的其他信號。選取某一幀f₀作為初始圖像，后續(xù)每一幀f_i對初始幀做差，對幀與幀之間 的差值區(qū)域面積f_i-f₀進行統(tǒng)計繪圖，每一幀與初始幀的差值作為心臟狀態(tài)的表征。當?shù)?i幀與初始幀的差最小時認為進行了一個完整的周期，得到差值隨時間的變化曲線。尋找 到上述曲線中的波峰坐標和波谷坐標，去除干擾的次級波峰，統(tǒng)計波峰出現(xiàn)的平均間隔幀 數(shù)T_p和波谷出現(xiàn)的平均間隔幀數(shù)T_v，二者求平均值得到心臟跳動周期，利用已知的視頻幀 率即可求得心跳的頻率。