[发明专利]一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种可用于生理或病理学细胞膜电位检测，尤其是一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，主要根据光学标测系统获取的荧光信号进行重构得到生理功能信息的方法。

背景技术

生物电指生物体的生命活动中表现的电活动现象，它普遍存在于各种生理功能的实现过程，因此生物电的检测显得相当重要。随着科技发展，检测这些生物电的工具有功能核磁共振成像、正电子发射断层成像、X光断层成像、心电图、脑电图、膜片钳技术等，它们从宏观到微观不同层面揭示了生命的奥秘。但需要快速实时地记录电活动过程，才能观察到生命活动中的重要信息，比如心律失常时心脏的心肌动作电位变化、电击除颤瞬间心脏功能变化等。

在这些生理机制动态过程中，研究微观变化时，要求达到一定的空间分辨率（微米/纳米级）和时间分辨率（微秒级），研究宏观变化时，要求空间分辨率（厘米级）和时间分辨率（分钟量级）。然而上述的检测工具虽各有优势，但也很难同时满足时间空间要求。因此，近年来发展起一种同时满足以上要求，且可连续动态进行观察的新型技术：基于电压敏感染料的荧光功能成像标测技术。

光学标测技术是一种基于电压敏感性染料的光学记录膜电位的方法，即荧光染料感受局部电场变化，细胞膜与染料分子相互作用，膜内外染料分子重新排列和旋转。在一定波长的光源激发下，荧光物质的能级发生变化，释放出光子和能量，这种发射光可被相关的检测装置记录下来。该技术具有多位点同时记录、时间空间分辨率高、广泛适用性等优于传统方法的特点，可以同时从不同层次着手研究各种细胞和组织的生理机制，也可通过脑部动作电位在体研究视觉神经、嗅觉神经，提高人们对脑部结构和功能的认知水平，提供丰富的研究信息。尤其对电除颤和心律失常的临床治疗有一定的指导意义。

目前国内尚无该方面的专利。国外专利中美国专利No.7611863德国申请，2009年11月3日授权，美国专利No.7173130，美国申请，2007年2月6日授权，这些方法或者关注于染料的合成方法，或者使用复杂的荧光共振能量转移来进行检测。近年来国外的一些公开发表的文献比如Brown NH,Dobrovolny HM,Gauthier DJ,etal  “A fiber-basedratiometric optical cardiac mapping channel using a diffraction grating andsplit detector”.Biophys j,2007,93:254-263利用光纤和光栅来进行波长选择，系统比较复杂，Zhang H,Wang J等“Short-term memory andelectrical restitution in the canine transmural ventricle”Physiol.Meas.2011,32:207–222利用光学标测技术进行心脏短期记忆研究。这些都未能实现系统的简便易用，造价昂贵，使得该技术的应用得到了限制。

本发明利用光学标测系统所获取得到的荧光信息，经过处理后重构得到电生理研究中所需要的各种功能信息图像，利用这些功能图像，可以对离体动物心脏生理信息进行研究，从而为研究人员提供了一种新的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，该方法利用镶嵌在细胞膜上的电压敏感染料将细胞跨膜电位转变成荧光信号，然后根据荧光信号重构功能图像，其定位离体心脏表层膜电位荧光并重构各种功能图像，为抗心律失常药物开发、除颤器起搏器等开发提供参考手段。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种心肌细胞膜电位功能信息光学重构方法，包括以下步骤：

1）通过光学标测系统得到离体心脏的实时荧光光强分布；

2）对于步骤1）得到的实时荧光光强分布进行反解，求解得出膜电位V_m；

光标测检测到的荧光光强F的变化量ΔF与细胞跨膜电位V_m的变化ΔV_m成线性关系，因此通过ΔF/F反解出光学动作电位；使用的荧光窗是>570nm，使用以下公式计算光学动作电位：