Способ определения частоты и амплитуды биений сердца дафнии
Владельцы патента RU 2357659:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к области биологии, экологии и кардиологии. Получают последовательность видеокадров увеличенного изображения сердца дафнии. При этом последовательность видеокадров получают в фиксированном с помощью микроскопа поле зрения, вводят видеоматериалы со скоростью 30 кадров в секунду и осуществляют их анализ. На каждом кадре выделяют границы сердца дафнии, определяют площадь, ограниченную выделенными границами, рассчитывают зависимость площадей на каждом кадре от времени. Частоту сердцебиений определяют по величине среднего значения периода указанной зависимости, а амплитуду - по величине среднего значения амплитуды указанной зависимости. Способ расширяет арсенал средств для определения частоты и амплитуды биений сердца дафнии. 3 ил.
Изобретение относится к области биологии, экологии и кардиологии и может быть использовано для контроля параметров биений сердца биологических тест-объектов.
Известны способ и устройство для определения частоты биений сердца у дафний, основанный на изменении светового потока и измерении электрического сигнала с фотодатчика (см. Колупаев Б.И., Андреев А.А., Самойленко Ю.К. Оптический метод регистрации сердечного ритма у дафний. - Гидробиологический журнал, т.XIII, вып.3, 1977, с.119-120).
Однако способ не может однозначно определять частоту сердцебиений, поскольку не удается контролировать область, через которую проходит световой поток.
Известен способ измерения частоты сердцебиений дафнии, в котором излучение источника света фокусируется линзой в область сердца дафнии, помещенной в канал на прозрачном столике, в который заливается водная среда обитания дафний. Для наводки излучения в область сердца дафнии используется микроскоп. Часть излучения направлялась на фотодетектор, сигнал с которого поступает через усилитель и аналого-цифровой преобразователь в компьютер и после регистрации осциллограммы колебаний сердца дафнии вычисляется спектр продетектированного сигнала с помощью метода быстрого преобразования Фурье (см. Усанов Д.А., Шишкин Г.Г., Скрипаль А.В., Усанов А.Д. Воздействие переменных магнитных полей низкой интенсивности на частоту сердцебиений дафнии волны // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2003. №3. С.59-62).
Недостатком способа является отсутствие достоверности регистрации колебаний именно сердца, а не других органов дафнии, а также невозможность определения амплитуды биений сердца дафнии.
Известен способ определения частоты и амплитуды сердцебиений дафнии по сигналу внешнего автодетектирования при возвращении части отраженного от контролируемого объекта излучения в резонатор полупроводникового лазера, в котором после вычисления спектра автодинного сигнала по частоте основного сигнала определялся период колебаний сердца дафнии, а по соотношению спектральных гармоник - амплитуда биений сердца дафнии (см. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Вагарин А.Ю., Скрипаль Ан.В., Потапов В.В., Шмакова Т.Т., Мосияш С.С. Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. Вып.5. С.39-43 и патент РФ на изобретение №2155335, МПК G01N 33/18).
Однако данный способ является очень трудоемким и не может однозначно определять параметры сердцебиений, поскольку не удается контролировать область, через которую проходит световой поток.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является метод контроля частоты биений сердца дафнии, в котором излучение источника света фокусируется линзой в область сердца дафнии, помещенной в канал на прозрачном столике, в который заливается водная среда обитания дафний. Для наводки излучения в область сердца дафнии используется микроскоп с видеокамерой, сигнал с видеокамеры поступает через аналого-цифровой преобразователь в компьютер, а частота сердечных сокращений дафнии вычисляется с помощью специально разработанной программы для анализа видеоизображений, включающей визуальный подсчет числа периодов движения контролируемой области в единицу времени (см. Ляпина Е.П., Ляпин М.Н., Головко Е.М., Усанов А.Д., Усанов Д.А. Дафния как экспериментальная модель для изучения особенностей действия гомеопатических препаратов).
Однако данный способ является очень трудоемким и не позволяет проводить измерения при высокой частоте сердцебиений.
Задача настоящего изобретения заключается в увеличении точности при расширении функциональных возможностей, а именно обеспечение возможности измерения амплитуды сердцебиений.
Поставленная задача достигается тем, в способе определения частоты и амплитуды биений сердца дафнии, включающем получение последовательности видеокадров увеличенного изображения сердца дафнии и их анализ, согласно изобретению анализ осуществляют путем покадровой обработки последовательности видеокадров, для этого на каждом кадре выделяют границы сердца дафнии, определяют площадь, ограниченную выделенными границами, определяют зависимость площадей на каждом кадре от времени, частоту сердцебиений определяют по величине среднего значения периода указанной зависимости, а амплитуду - по величине среднего значения амплитуды указанной зависимости.
Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании автоматизированного контроля, непрерывной регистрации сердечных сокращений и возможности повторной обработки данных при расширении функциональных возможностей, а именно обеспечении возможности измерения амплитуды сердцебиений.
Подобная совокупность действий, влекущая возможность определять частоты и амплитуды биений сердца дафнии, неизвестна.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема экспериментальной установки, на фиг.2 показано выделение границ сердца дафнии с помощью алгоритма нахождения границ, на фиг.3 - зависимость площади сердца дафнии от времени, где 1 - источник света; 2 - линза; 3 - дафния; 4 - камера для дафнии; 5 - прозрачный столик; 6 - микроскоп; 7 - видеокамера; 8 - плата видеоввода; 9 - компьютер.
Способ заключается в следующем.
Источник света 1 фокусируют с помощью линзы 2 в область сердца дафнии 3, расположенной в тонком слое воды 4 на прозрачном столике 5 микроскопа 6. Дафнию (фиг.1) помещают на прозрачный столик 5 микроскопа с видеокамерой 7. Записывают увеличенное изображение сердца дафнии с помощью видеокамеры 7. Видеосигнал с камеры поступает через плату видеоввода 8 на цифровой носитель персонального компьютера 9. Осуществляют покадровую обработку последовательности видеокадров, для этого на каждом кадре выделяют границы сердца дафнии, с помощью алгоритма нахождения границ. Определяют площадь, ограниченную выделенными границами, путем подсчета отношения числа точек выделенного сердца дафнии к общему числу точек на изображении. Определяют зависимость площади на каждом кадре от времени, имеющую квазипериодический характер. Частоту сердцебиений определяют по величине среднего значения периода указанной зависимости, а амплитуду - по величине среднего значения амплитуды указанной зависимости.
Пример практической реализации способа
В качестве биообъекта использовались пресноводные рачки дафнии (Daphnia magna Straus), культивируемые в стандартных лабораторных условиях. В экспериментах использовали особей размерами 0,7-1,5 мм.
Одиночную дафнию из аквариумной культуры помещали на прозрачную пластину и фиксировали на предметном столике микроскопа. После наведения на область сердца дафнии с помощью микроскопа Биолам-10 осуществляли запись видеоизображения видеокамерой Sony на жесткий диск компьютера, используя плату видеоввода Matrox Marvell G400, поддерживающую полноформатный ввод видеоматериалов со скоростью 30 кадров в секунду, и поставляемое с ней программное обеспечение для захвата видеоизображения в файл формата AVI.
Осуществляли покадровую обработку последовательности видеокадров, для этого на каждом кадре выделяли границы сердца дафнии. Определяли площадь, ограниченную выделенными границами, путем подсчета отношения числа точек выделенного сердца дафнии к общему числу точек на изображении. Зависимость площади на каждом кадре от времени, имеющую квазипериодический характер, приведена на фиг.3.
Частота сердцебиений дафнии определялась по величине среднего значения периода указанной зависимости и составляла ~6,2 Гц, а амплитуда - по величине среднего значения амплитуды указанной зависимости, которая составляла 0,12 мм. Точность вычисления амплитуды и частоты можно повысить путем увеличения времени записи изображения сердца дафнии.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет достоверно и с высокой точностью определять частоту сердцебиений дафнии, а также обеспечивает возможность измерения амплитуды сердцебиений дафнии.
Способ определения частоты и амплитуды биений сердца дафнии, включающий получение последовательности видеокадров увеличенного изображения сердца дафнии и их анализ, отличающийся тем, что последовательность видеокадров получают в фиксированном с помощью микроскопа поле зрения, вводят видеоматериалы со скоростью 30 кадров в секунду и осуществляют анализ путем покадровой обработки последовательности видеокадров, для этого на каждом кадре выделяют границы сердца дафнии, определяют площадь, ограниченную выделенными границами, определяют зависимость площадей на каждом кадре от времени, частоту сердцебиений определяют по величине среднего значения периода указанной зависимости, а амплитуду - по величине среднего значения амплитуды указанной зависимости.
