基于光學標測技術的心臟電信號處理與分析.pdf

1、心臟電活動的光學標測技術是將心肌細胞膜電位的變化轉化成光學信號進行記錄的一種新的功能成像技術，是從細胞水平上來研究心肌細胞動作電位及其在細胞間傳導的電特性。光學標測技術把電壓敏感染料灌注于待觀測的細胞或組織，用激勵光照射其表面，當其細胞膜電位受刺激而發(fā)生變化時，膜表面染料會同步出現(xiàn)熒光或吸光變化。熒光強度的變化和用電極記錄到的膜電位變化呈線性關系，利用電壓敏感染料的光學記錄膜電位技術已經成為一種比較理想的新手段。因此，對光學標測技術采集

2、的信號進行處理與分析，可以有效地研究細胞的結構和狀態(tài)。
　　 本文介紹光學標測系統(tǒng)的構成，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)和計算機處理方法等5個部分。光學標測系統(tǒng)對離體兔心進行標測，完成心臟電活動的記錄，采集和存儲圖像數(shù)據(jù)，在計算機處理數(shù)據(jù)的過程中提出多種新方法分析心臟電活動的特征，得到多項反映膜電位變化的結果，并與計算機仿真的心臟電信號進行比較，證明光學標測技術的可行性和優(yōu)越性。
　　

3、本文主要以各種形式顯示細胞膜電位的變化情況，分析其生物現(xiàn)象。對心臟電信號處理與分析的過程中，由CCD相機采集的信號是原始熒光圖像，進行圖像增強處理后能清晰顯示心臟細胞的結構。圖像信息是反映熒光光強的變化，光強的變化則對應于膜電位的變化，所以計算圖像像素的灰度相對變化率，可以得出熒光強度的變化，能以二維圖像的形式顯示心臟細胞興奮傳導的過程。當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)，實現(xiàn)以一維波形顯示的動作電位時程圖。

4、此時提取的信號疊加很大的干擾，需要濾除噪聲，本文分別采用自適應濾波器和小波去噪器進行濾波處理，同時比較兩種方法的結果，得出小波去噪器處理的效果明顯，具有與計算機模型仿真的動作電位時程圖相同的特性。以前的研究采用二次微分的方法對仿真的動作電位時程圖定位極化過程，本文提出數(shù)值計算方法對光學標測技術實測的動作電位時程圖進行定位細胞除極的開始時刻和復極的結束時刻，有效分析細胞極化過程的狀態(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

5、的變化，包括等勢圖，偽彩圖和頻域圖等等，這些圖像從另一側面反映細胞膜電位的變化，細胞與細胞間的電傳導關系，并提供更直觀的視覺來觀察細胞的生物現(xiàn)象。
　　 綜上所述，本文對光學標測系統(tǒng)標測離體兔心的實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，分別顯示各種圖像和波形，反映實在的心臟電信號活動，并與計算機模擬的信號進行比較，結合心臟電生理計算機模擬技術，探索心臟纖顫的發(fā)生機制和電擊除顫的機理，并利用實測的實驗數(shù)據(jù)完善心臟電生理的計算機模型。各種功能圖像更