[发明专利]用于测定或者监测组织或细胞跨膜电位变化的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及可用于生理或病理学细胞膜电位检测的技术，利用电压敏感染料将细胞或组织的膜电位变化信号转化成光学信息进行记录并重构出功能图像。是在生物医学工程领域将光学技术、图像信息处理技术相结合而发明的一项应用研究，尤其是一种用于测定或者监测组织或细胞跨膜电位变化的方法及装置。

背景技术

生物体在生命活动过程中所表现的电现象称为生物电（bioelectricity），几乎所有生理功能的实现都伴随有某种生物电的变化。这些生物电的常用检测仪器有近红外光内源信号成像（Near Infrared，NIR），功能核磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI），正电子发射断层成像（Positron Emission Computed Tomography，PET），X光断层成像（Computed Tomography，CT）,心电图（Eletrocardiogram，ECG），脑电图（Electroecephalogram，EEG），脑磁图（Magnetoencephalogram，MEG），膜片钳（Patch Clamp）等，他们在人们的生理病理检查中起到相当重要的作用，从宏观到微观揭示了生命的奥秘。但是由于生命现象的复杂性，对于重要生命过程的信息，需要快速实时的观察动态过程，实时记录电生理的变化，比如在心脏电击除颤时刻心肌动作电位的变化和心肌表面电场分布情况，老鼠胡须探索障碍物时与大脑皮层中对应信号的关系等等。在研究这些生理机制的动态过程中，在空间分辨率上需要我们同时研究局部的微观变化（微米/纳米级）和整个组织的整体响应（厘米级），在时间分辨率上需要我们同时研究细胞膜内外电信号的变化（微秒级），以及整个组织的电生理功能响应（分钟量级）。上述设备在某些领域表现非凡，但是难以同时满足这些要求，比如PET、fMRI、ECG/EEG等在组织/器官水平应用广泛，而膜片钳和电镜则是从分子、细胞水平进行研究，人们迫切需要同时从宏观和微观的水平上动态、连续的观察细胞膜动作电位的变化以及整个组织中电兴奋的传导过程，满足研究人员的要求。近年来一种新的研究探测手段：基于电压敏感染料（Voltage-Sensitive Dyes，VSDs）的荧光功能成像标测技术迅速的发展起来。

光学标测（Optical Mapping）技术是利用电压敏感染料将细胞膜电位的变化转化成光学信号进行记录的一种新的光学功能成像（optical imaging）技术。其基本原理是将电压敏感染料作为分子转换器（Molecular Transduser）对记录细胞或者目标组织进行灌注染色，当膜电位变化而造成膜两侧电场力变化时，嵌在膜上的染料分子价键也随电场的作用发生细微的改变，从而造成染料的发射光谱随之移动，这样就可以通过记录荧光强度的变化而间接计算得到膜电位变化。该技术作为电生理研究的一种新的记录方法有以下特点：

1．多位点同时记录：可以同时测量多个细胞（细胞群）或从多侧面记录单个细胞的电活动，动态显示膜电位的传导过程；

2．时间分辨率高：时间分辨率跨度超过9个数量级，可以从微秒级到小时级；

3．空间分辨率高：空间分辨率跨度超过5个数量级，可以从微米量级到分米级，可以记录细胞与细胞间的电传导；

4．广泛适用性：可以同时从不同层次着手研究：分子水平、细胞水平、组织水平到整个神经中枢，可以用于各种细胞和组织的电生理研究，并能克服电刺激造成的伪迹，研究心脏除颤中电场对细胞的影响，膜局部极化与激动波之间复杂的作用机制，可为电除颤和心律失常的临床治疗提供重要的指导性建议。这种方法还可通过脑部动作电位来在体研究视觉神经、嗅觉神经编码，提高人们对脑结构和功能的科学认知水平，为研究人员提供一个极为有力的技术工具，提供其他方法无法比拟的更加丰富的信息。