細(xì)胞收縮性量化分析系統(tǒng)

細(xì)胞收縮力和電生理學(xué)參數(shù)同步高通量量化分析的儀器設(shè)備

背景及系統(tǒng)重要性

心血管疾病是球死亡的重要原因。為了開發(fā)新的治療策略，許多研究將分離的心肌細(xì)胞（CM）作為藥物發(fā)現(xiàn)的平臺(tái)或作為研究心臟病潛在機(jī)制的體外模型。

分離的心肌細(xì)胞也被廣泛用于回答有關(guān)心臟細(xì)胞生理學(xué)的基本問題，并表征疾病發(fā)展過程中發(fā)生的興奮-收縮耦合的變化。

分析分離CM的一個(gè)重要參數(shù)是收縮性，它提供了反映其細(xì)胞功能的信息。收縮力的測(cè)量已被廣泛用于成人和新生兒肌細(xì)胞的研究

細(xì)胞膜變形是許多生理過程中發(fā)生的重要特征，其研究已被很好地用于研究心肌細(xì)胞功能。目前市面上沒單一平臺(tái)設(shè)備上提供一種直接的方法來獲取、處理和量化這種類型的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)。

我們引進(jìn)歐美進(jìn)口的CMWave系統(tǒng)在單個(gè)平臺(tái)中結(jié)合了一種強(qiáng)大的方法，內(nèi)置的用戶友好、簡(jiǎn)潔直觀的界面，通過圖像捕獲和光流獲取、可視化、分析和量化不同發(fā)育階段的心肌細(xì)胞的收縮參數(shù)。

高性能算法可以快速準(zhǔn)確地自動(dòng)處理大數(shù)據(jù)圖像文件。此外， 還提供了一種創(chuàng)新方法，可以同時(shí)顯示在與運(yùn)動(dòng)矢量及其各自的圖形表示相關(guān)的收縮-松弛周期中獲得的細(xì)胞圖像。

因此，該系統(tǒng)將高處理能力和靈活性與用戶友好界面相結(jié)合，提供了涉及藥物篩選和心臟病建模的實(shí)驗(yàn)室和生物技術(shù)公司所需的解決方案。

用戶能夠通過圖像捕獲和密集光流算法在收縮-松弛循環(huán)期間獲取細(xì)胞收縮性的膜動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)�？捎糜跈z查疾病動(dòng)物模型中心肌細(xì)胞收縮力的變化以及藥物發(fā)現(xiàn)期間的藥理學(xué)和毒理學(xué)篩選。

該系統(tǒng)可以讓用戶以簡(jiǎn)單直觀的格式可視化、量化和分析細(xì)胞收縮參數(shù)。應(yīng)用密集光流同時(shí)測(cè)量細(xì)胞收縮力和電生理學(xué)參數(shù)。

系統(tǒng)特性：

1、使用密集光流量化細(xì)胞收縮性-精準(zhǔn)、快速、信息豐富：

      光流是物體在連續(xù)序列幀之間的運(yùn)動(dòng)，由物體和相機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起，密集光流為每幀的每個(gè)像素計(jì)算光流矢量，提供了更準(zhǔn)確的結(jié)果和更密集的結(jié)果。

       光流標(biāo)記視頻素材準(zhǔn)確計(jì)算出圖像中每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到亞像素精度，光流場(chǎng)是所觀察場(chǎng)景的巨大信息寶庫，看到光流與計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)的應(yīng)用很有趣、很豐富。

光流技術(shù)可以準(zhǔn)確量化與電生理學(xué)結(jié)果密切相關(guān)的 CM 收縮力參數(shù)。隨后基于圖像的研究通過使用基于光流的不同算法來表征 CM 收縮參數(shù)。

 該系統(tǒng)通過對(duì)在明場(chǎng)顯微鏡下觀察到的單個(gè)CM進(jìn)行延時(shí)圖像分析來測(cè)量收縮性。為了獲取細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)光流原理計(jì)算生成圖像的收縮性，計(jì)算密集光流。

該系統(tǒng)的密集光流方法具有以定向矢量的形式報(bào)告運(yùn)動(dòng)方向和以u(píng)m/s為單位的速度校準(zhǔn)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。不需要高斯濾波器來獲取細(xì)胞位移，并且與像素強(qiáng)度原理相比，該分析對(duì)光照條件的敏感性較低，后者可以影響收縮幅度參數(shù)。

2、不同于通過使用捕獲與細(xì)胞收縮和松弛相關(guān)的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)無需精密的儀器、經(jīng)驗(yàn)豐富的分析師、高額的財(cái)務(wù)投資和耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)。以更準(zhǔn)確和非侵入性地評(píng)估細(xì)胞收縮力，細(xì)胞無損傷。

3、不同于通過測(cè)量細(xì)胞邊界運(yùn)動(dòng)的邊緣檢測(cè)法，該系統(tǒng)能捕獲整個(gè)細(xì)胞區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，而不只是分析用戶定義的特定感興趣區(qū)域，在采集和分析處理過程中給結(jié)果無偏差。

4、 多線程允許同時(shí)處理多個(gè)大型數(shù)據(jù)集。此外，可以實(shí)時(shí)跟蹤圖像處理的進(jìn)度，并且可以在處理新數(shù)據(jù)集的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

5、可以靈活調(diào)整設(shè)置：

      具有可用于大多數(shù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的光流默認(rèn)設(shè)置，但該程序允許用戶根據(jù)圖像質(zhì)量或細(xì)胞類型調(diào)整和選擇蕞佳實(shí)驗(yàn)參數(shù) 。為了以物理單位 (um/s) 提供細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的測(cè)  

      量值，用戶需要插入實(shí)驗(yàn)設(shè)置，例如每秒幀數(shù)和像素大小 (um)。

6、讓用戶可以選擇單個(gè)收縮周期或多個(gè)周期的平均值。在波檢測(cè)窗口中，一旦做出選擇，將顯示二個(gè)顯示所選間隔的縮放版本的圖以幫助用戶選擇檢測(cè)到的感興

      趣的波進(jìn)行分析。

7、細(xì)胞收縮力和電生理學(xué)參數(shù)同步高通量量化分析：

8、使用戶能夠通過圖像捕獲在收縮-松弛循環(huán)期間獲取有關(guān) 心肌細(xì)胞CM 膜動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)

(A) 樣本圖像顯示在成人 CM 的收縮-松弛周期中，通過視覺和數(shù)字強(qiáng)度尺度檢測(cè)的幅度和矢量場(chǎng)檢測(cè)膜運(yùn)動(dòng)。比例尺，40 微米。

(B) 左側(cè)，從電刺激 CM 中的一個(gè)收縮-松弛周期中獲取的樣本平均速度波。(B) 中用羅馬數(shù)字標(biāo)識(shí)的所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 (A) 中定義的收縮周期的階段。

右圖是在收縮-放松周期中獲得的收縮波形參數(shù)總結(jié)。

9、可以獲取成人 CM 細(xì)胞長(zhǎng)度的縮短百分比

10、提供了一種創(chuàng)新的解決方案，可滿足在收縮-松弛周期中量化心臟細(xì)胞生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)所需的高處理能力和靈活性。

使用密集光流算法，與舊的光流方法相比，它對(duì)“窗口大小”的選擇不太敏感。這意味著不需要為每個(gè)類似的應(yīng)用程序優(yōu)化光流參數(shù)的顯著變化。

此外，該算法的二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它計(jì)算圖像中所有像素的位移，從而提高靈敏度。