CN101112307A - 利用高速ccd测量斑马鱼心率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物测量技术领域，具体涉及一种利用高速CCD测量斑马鱼心率的方法。该方法包括，对斑马鱼心脏部分进行成像，用高速CCD进行采集，得到视频文件，然后对视频文件进行图像相关处理，即选择一个感兴趣的一帧图像作为参考图像，将其它图像与该参考图像作相关性计算，即得斑马鱼心率数据。本发明方法对生物体本身不带来任何伤害，属于无接触测量，可提高研究数据的可靠性。

Description

利用高速CCD测量斑马鱼心率的方法

技术领域

本发明属于生物测量技术领域，具体涉及一种测量斑马鱼心率的方法。

背景技术

斑马鱼因为其胚胎发育比较快，故被广泛用于各种生物实验当中(如图1)，其心率测量在生物实验以及新药研制等方面极为重要。国际上目前通常采用绿荧光蛋白或针刺的方法进行心率测量，这两种方法非常繁琐，而且也容易带来干扰，造成心率数据不准确。

1，绿荧光蛋白的方法用于心率测量：

该方法是在胚胎发育过程中通过转基因的方式让鱼的胚胎吸收绿色荧光蛋白，这种蛋白物质会停留在鱼的心脏当中并发出荧光，在心率过程中绿荧光蛋白会随心脏一起发生位移，从而引起接收荧光的强弱发生变化，探测器通过探测这种荧光的变化来判断心率的频率。虽然生物学家认为这种方法并不会对鱼造成副作用，但终究不是一种非破坏性的测量手段。而且因为荧光比较弱导致曝光时间比较长，从而精度各方面都差强人意。

该方法2005年由Burns CG，Milan DJ，Grande EJ等人发表在《自然》下面的一个子刊(NATURE CHEMICAL BIOLOGY)上：题为”High-throughput assay for small molecules thatmodulate zebrafish embryonic heart rate”.期刊号为：1(5)：263-264 OCT 2005.

2，利用针刺的方法测量鱼的心电图：

此方法有点类似人的心电图的测量，是将两根探针插入鱼的体内，将探测到的电信号进行放大并采集即可得到鱼的心电图，这种方法会刺激鱼的交感神经，从而又反过来影响被测鱼的心率，而且没有办法对刚刚发育成型的胚胎进行测量。

该方法2006年由Milan DJ，Jones IL，Ellinor PT等人发表在《美国心脏生理学和循环生理学期刊》(AMERICAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY-HEART AND CIRCULATORYPHYSIOLOGY)上：题为”In vivo recording of adult zebrafish electrocardiogram and assessmentof drug-induced QT prolongation”.期刊号为：291(1)：H269-H273 JUL 2006.

这几种方法都比较难于操作，而且都具有破坏性。从这两点来讲我们的方法是具有革命性的，将会给相关领域的研究带来很大的方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、可靠性好、无接触式测量斑马鱼心率的方法。

心率其实最为直观的是心脏跳动过程中其形态发生了变化，因此我们可以直接分析其形态上变化的幅度便可从本质上得到其心率数据。

本发明在测量心率时，首先需要对被测量的斑马鱼的心脏部位进行成像，然后用高速CCD进行采集(采集速率是250±10帧/秒)得到一个avi的视频文件，然后对该文件进行图象相关处理：

如果视频文件的帧频率为250帧/秒，拍摄时间为2秒，每一帧的图像分辨率为M×N(如480×420)，一般可为(460-520)×(400-440))，则每4毫秒获得一帧图像一共得到500帧，它们组成一个连续的记录斑马鱼的心跳的一个avi视频文件(图2为avi视频文件中记录斑马鱼一次心跳的四帧图像)。我们用i，j来标记图像的帧序，n表示每帧图像上的第n个像素点，一共有M×N(480×420)个像素点，则第i帧和第j帧图像的相关性corr(i，j)可以定义为：

$\mathrm{corr}(i,j)=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_i\left(n\right)I_j\left(n\right)}{\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_i{\left(n\right)}^2\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_j{\left(n\right)}^2}}---\left(1\right)$

上式中I_i(n)，I_j(n)分别表示第i，j帧图象上的第n个像素点的灰度值。

操作过程中我们选取感兴趣的一帧图像作为参考图像，其它所有的图象跟其做以上的操作得到一组数据，即可以很准确的反应出心率。例如我们分别选取第66帧为参考帧，即i＝66，j的取值从0到500，n从0到201600(因为像素分辨率为480×420＝201600)，按照以上公式得到一组数据(如图3)，这组数据即反映了斑马鱼的心跳过程，这就好像是把参考帧作为一把尺子，用这把尺子来测量整个心跳过程。

具体操作步骤可归纳如下：

1、在环境温度为28.5℃下培育斑马鱼的胚胎到需要的时间(一般为18-24小时或者更长)。

2、控制实验环境温度，将高速CCD与显微镜等设备连接起来，开启计算机软件。

3、将待测的斑马鱼放在盖玻片上，然后将放有斑马鱼的盖玻片放在显微镜的载物台上调整好需要的放大倍数(如10倍)进行聚焦(如图2)。

4、利用高速CCD采集心率图象(如图2)。

5、用事先编写好软件对采集到的视频进行处理进而得到心率数据图(如图3)。

这里我们用的显微镜型号是奥林巴司的IX-71，高速CCD的型号是MotionScope PCI8000S.

本发明利用高速CCD成像技术结合我们自己开发的一套基于图像相关性处理的算法可以十分方便而又准确的得到斑马鱼心率数据，另外这种方法对生物体不带来任何伤害完全属于非接触式测量，提高了研究数据的可信性。

附图说明

图1为斑马鱼的发育过程图示。

图2为斑马鱼的一次心率。

图3为斑马鱼的心率数据。

图4为不同温度下斑马鱼的心率数据。

具体实施方式

A：测量不同温度对斑马鱼的心率的影响：

1、培养斑马鱼的胚胎，并将高速CCD连接至显微镜的图象输出端，开启计算机图象采集软件，测试其是否可正常工作。

2、将实验环境温度设置为26℃。

3、在盖玻片上放入少许郝氏液，将被研究的斑马鱼用吸管放入盖玻片的郝氏液中。

4、将上述盖玻片放在载物台上对需要研究的心脏部位成较为清晰的图象。

5、开启高速CCD，采集图象并将得到的视频文件命名为fishdata.avi.

6、按照上述corr(i，j)的计算公式选取一帧图象作为参考帧，如令i＝66，n从0到201600，j的取值从0到500得到一系列心跳数据，将此数据以时间为横坐标，corr(i，j)为纵坐标画图得到如图3的图形。

7、图3中反应了4个完整的心跳周期分别为：0.604-0.268＝0.336，0.980-0.604＝0.376，1.352-0.980＝0.372，1.704-1.352＝0.352计算出平均的周期为(0.336+.0376+0.372+0.352)/4＝0.359，即每359毫秒为一次心跳，则平均心率为1000×60/359＝167次/分钟。

8、改变环境温度重复步骤3到7得到一组关于不同温度下斑马鱼心率的数据如图4。

B：测量不同心脏药物对斑马鱼心率的影响：

1、将待检测的药物加在斑马鱼培养皿中足够长的时间。

2、控制实验环境温度到28.5℃。

其它步骤同A3到A7可以得到在应用此药品后对斑马鱼的心率的影响数据。

Claims (1)

1.一种利用高速CCD测量斑马鱼心率的方法，其特征在于具体步骤如下：

首先对被测量的斑马鱼的心脏部位进行成像，用高速CCD进行采集，得到一个视频文件，然后对该视频进行图象相关处理，即选择感兴趣的一帧图像作为参考图像，记为第i帧，按式(1)计算其它所有的图象与该参考图像的相关性corr(i，j)，得到一组数据，即为斑马鱼的心率数据，

$\mathrm{corr}(i,j)=\frac{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_i\left(n\right)I_j\left(n\right)}{\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_i{\left(n\right)}^2\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{I}_j{\left(n\right)}^2}}---\left(1\right)$

其中i，j表示图象的帧序，n表示每帧图像上的第n个像素点，I_i(n)，I_j(n)分别表示第i，j帧图象上的第n个像素点的灰度值。

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