[发明专利]基于细胞穿孔的人工智能重构长周期胞内电信号方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于细胞穿孔的人工智能重构长周期胞内电信号方法及系统，本发明方法利用一训练好的人工神经网络将采集的细胞胞外电信号作为输入推导重构获得对应的细胞胞内电信号；所述人工神经网络通过采集的若干细胞胞内外电信号作为训练样本，将胞外电信号作为输入，对应胞内信号作为学习目标进行训练。相比于微电极阵列‑电穿孔记录细胞内电信号的方法，本发明所提出的方法可以通过细胞外电信号重构细胞内电信号，避免电穿孔仪器对细胞穿孔时造成的伤害，而且重构的细胞内动作电位具有高度准确性，为细胞研究提供更加可靠的研究信息，本发明系统包括信号采集装置和人工智能重构胞内电信号装置，系统结构简单便于推广应用。

技术领域

本发明涉及生物医学工程与人工智能领域，尤其涉及基于细胞穿孔的人工智能重构长周期胞内电信号方法及系统。

背景技术

生物电信号检测的主要研究对象是心脏和大脑，检测范围涵盖了细胞层面、组织器官、和活体层面。心脏是人最重要器官之一，是循环系统的动力，具有兴奋性、自律性、传导性及收缩性等生理特性。其中兴奋性、自律性及传导性，都是以生物电为基础而表现的兴奋功能总称为心脏电生理特性。心肌细胞作为心脏的重要组成部分，也具有电兴奋特性，且这一特性是心电产生原理和发生各种心律失常的理论基础，因此，通过记录心肌细胞的电生理特性，可以研究各种心律失常等疾病机理，对研究心脏疾病机制及治疗方法都有较高价值的指导意义。另一方面，细胞电信号记录也是心脏病学中药物研发筛选的重要手段：通过分析药物对细胞动作电位峰谱的变化影响，可以了解药物分子对细胞离子通道开闭的调控机制，从而掌握药物治疗效应和毒性效应等有价值信息。对于细胞电信号记录具有如下要求：1)在细胞内部记录高质量信号、高分辨的峰谱细节；2)高通量并行记录多个细胞；3)长时间、稳定地记录细胞内动作电位。

根据细胞电信号记录的这些要求，对于电学传感器的设计需考虑如下因素：1)信号质量(包括信号幅值与信噪比)，与细胞-器件的耦合效率相关。相比于细胞外电信号，跨细胞膜的细胞内信号具有更高的信号质量。细胞内电信号具有更高幅值、信噪比，信号峰谱能反映更多细节动作电位。但是细胞内信号记录的实现极具挑战性，极度依赖于能穿透细胞膜安全介入细胞内部环境的技术。对于微观细胞的介入，为了避免对细胞活性和功能的损坏，要求使用的介入电极具有高精度(直径＜200nm)。2)通过微纳电极阵列传感技术，实现高通量并行记录，有利于同步记录细胞网络中大量细胞的电信号，理解细胞网络间电信号传递机制。而通过微纳电极实现单细胞精度电信号记录，有利于从微观细胞层面精确理解生命信息传递过程。3)非平面的在体组织细胞电信号记录，对于常规刚性硅基衬底的传感器往往难以满足；而新型的柔性微纳器件为满足此要求提供了重要机会。