CN113925457A - 一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法 - Google Patents

一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，包括步骤一、采用承接装置承接鸟类胚胎试样；二、采用传感器检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号；三、采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建；四、通过对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真，验证电流源偶极子分布场重建精度。本发明方法步骤简单，实现方便，通过检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号，并采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建，再通过有限元仿真验证电流源偶极子分布场重建精度，实现对鸟类胚胎定性观察与定量分析，能够有效用于人类血管疾病药物研发与性能评估，效果显著，便于推广。

Description

一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法
技术领域
本发明属于药物研发动物实验技术领域，具体涉及一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法。
背景技术
众所周知，心血管疾病发作时，如果没有及时治疗，将对生命造成极大威胁。尽管现代医学水平已极大延长了人类寿命，但心血管疾病诊疗仍是一大难题。
近些年来，随着经济持续发展与工业化不断深入，心血管疾病患者人数呈逐年增加趋势，因此对心血管疾病诊疗也越来越受到重视。由于生活节奏的加快，越来越多的人吸烟、酗酒、熬夜，导致心血管不堪重负，心血管疾病患者数目也越来越多。心血管疾病的致病因素是多方面，包括遗传、吸烟、肥胖、饮酒、精神因素、外界压力、高胆固醇等，其中最主要的三个致病因素是高血压、吸烟、高胆固醇。对于数以亿计的全球心血管疾病患者,尤其是心血管病高危患者来说，如何通过有效的干预手段，降低心血管疾病发病率与死亡率，已成为一个日益迫切的重大公共卫生问题。
快速增长的心血管疾病患者人数给心血管疾病药物研发带来巨大的需求。从上市率看，相比生物药，目前化学药研发仍然占据心血管疾病药物研发的主导地位。新药研发的主要目的是预防和治疗疾病，保障健康。新药筛选包括体外试验、体内试验和临床研究三个阶段。体外试验使用动物或人细胞系，观察致死性损伤。如果药物体外有效，则转入体内筛选，主要使用动物模型，动物实验在药物研发中起着不可估量的作用。临床前研究是指药物进入临床研究之前所进行的化学合成或天然产物提纯研究、药物分析研究以及药效学、药动学和毒理学研究以及药剂学研究。在临床前试验中新药筛选主要是在啮齿类动物身上进行。小鼠是临床前试验研究中最常用的动物模型，然而因为人鼠间关键性遗传学、分子学、生物学和细胞学差异，使得小鼠并不适宜作为模拟人类疾病的动物模型，因此这一动物模型无法成为寻求治疗方法的有效载体。
鸟类(包括家禽)胚胎相对而言性价比较高，且比小鼠实验更容易操作，因此可采用鸟类胚胎辅助人类血管疾病药物研发。但是，鸟类胚胎血管直径非常小(<1mm)，并且鸟类胚胎血管运动幅度非常小(<1mm)、运动频率也非常高(>200次/分钟)，导致对鸟类胚胎定性观察与定量分析的难度非常大。现有技术中，还缺乏行之有效的用于辅助人类血管疾病药物研发与性能评估的鸟类(包括家禽)胚胎分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其方法步骤简单，实现方便。本发明基于电流源偶极子分布场重建对鸟类胚胎进行分析，通过检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号，并采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建，再通过有限元仿真验证电流源偶极子分布场重建精度，实现对鸟类胚胎定性观察与定量分析，能够有效用于人类血管疾病药物研发与性能评估，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，包括以下步骤：
步骤一、采用承接装置承接鸟类胚胎试样；
步骤二、采用传感器检测所述鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号；
步骤三、采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建；
步骤四、通过对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真，验证电流源偶极子分布场重建精度。
上述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，步骤一中所述承接装置的形状为空心半椭球形，所述空心半椭球形的侧面均匀设置有多个用于安装所述传感器的插孔。
上述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，步骤二中所述采用传感器检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号的具体过程包括：
步骤201、将传感器采集的鸟类胚胎弱电势信号放大M倍；
步骤202、高通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的直流分量；
步骤203、将高通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号放大N倍；
步骤204、陷波衰减鸟类胚胎弱电势信号中的工频干扰信号；
步骤205、低通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的元器件噪声；
步骤206、将低通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号进行电平抬升；
步骤207、将电平抬升后的信号进行电压-电流转换，驱动光耦的发光二极管；
步骤208、光耦的发光二极管产生近似正比于发光二极管光强的电流，进行电流-电压转换，并将电压信号传输至模数转换模块。
上述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，步骤三中所述采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建的具体过程包括：
步骤301、假定分布场所在空间中某一体素的位置为P1(x,y,z)；
步骤302、假定某一传感器的位置为P2(v,p)，其中，v表示承接装置上的第v个角度，p表示第v个角度上的第p个传感器，承接装置上共有v×p个传感器；
步骤303、计算P1到P2距离r＝|P1-P2|；
步骤304、根据P1处沿着x、y和z方向的单位强度的电流密度分别计算P2处电势；
步骤305、根据所有传感器位置处检测到的弱电势信号，计算P1处电流密度矢量c；
步骤306、计算P1处电流密度矢量c导致的所有传感器位置处的电势信号；
步骤307、计算电流密度矢量c导致的电势信号与传感器采集的弱电势信号间的误差；
步骤308、根据最小误差准则，确定出最优P1及其电流密度矢量c；
步骤309、当分布场中包含多个电流源偶极子时，类似于单个电流源偶极子方法进行重建。
上述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，步骤四中所述对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真的具体过程包括：
步骤401、选择求解器类型；
步骤402、建立半椭球体模型；
步骤403、设置材料属性，半椭球体内部设置为纯水，激励源设置为导体；
步骤404、设置激励源和边界条件，激励源设置为电流源偶极子，边界条件设置为默认值；
步骤405、在几何结构突变处、计算场量变化大处，对剖分网络进行加密处理；
步骤406、进行电势场有限元仿真。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明方法步骤简单，实现方便。本发明基于电流源偶极子分布场重建对鸟类胚胎进行分析，通过检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号，并采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建，再通过有限元仿真验证电流源偶极子分布场重建精度，实现对鸟类胚胎定性观察与定量分析，能够有效用于人类血管疾病药物研发与性能评估，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明承接装置的结构示意图；
图3为本发明电流源偶极子分布场导致的电势信号的有限元仿真图；
图4为本发明用于有限元仿真的电流源偶极子各分量(z＝0处)结果图；
图5为本发明有限元仿真得到的电流源偶极子导致的电势信号结果图；
图6为本发明传感器采集图5中电势信号结果图；
图7为本发明重建得到的电流源偶极子各分量(z＝0处)结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，包括以下步骤：
步骤一、采用承接装置承接鸟类胚胎试样；
本实施例中，如图2所示，所述承接装置的形状为空心半椭球形，所述空心半椭球形的侧面均匀设置有多个用于安装所述传感器的插孔。
具体实施时，承接装置能够采用模具制造，也能够采用3D打印增材制造，为了固定传感器，空心半椭球形的承接装置侧面均匀布置了P排(P＝4)V列(V＝10)的插孔。
步骤二、采用传感器检测所述鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号；
本实施例中，具体过程包括：
步骤201、将传感器采集的鸟类胚胎弱电势信号放大M倍；
具体实施时，M的取值为100。
步骤202、高通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的直流分量；
具体实施时，通过高通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的直流分量，避免直流分量在后面的放大中导致饱和。
步骤203、将高通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号放大N倍；
具体实施时，N的取值为100，将高通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号放大100倍，得到一个峰峰值约1V的电压信号。
步骤204、陷波衰减鸟类胚胎弱电势信号中的工频干扰信号；
具体实施时，采用VCVS陷波器对50Hz工频干扰信号进行衰减，避免50Hz交流市电的干扰。
步骤205、低通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的元器件噪声；
具体实施时，通过低通滤波，去除元器件的噪声，将高频信号衰减到几乎为零，以防止模数转换模块采样信号发生混叠。
步骤206、将低通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号进行电平抬升；
具体实施时，通过电平抬升，将-5～+5V的信号，抬升到0～5V。
步骤207、将电平抬升后的信号进行电压-电流转换，驱动光耦的发光二极管；
具体实施时，将0～5V的交流电压转换为相应的电流，以驱动光耦的发光二极管。
步骤208、光耦的发光二极管产生近似正比于发光二极管光强的电流，进行电流-电压转换，并将电压信号传输至模数转换模块。
具体实施时，将电流信号转换为电压信号，用于ADC测量。
步骤三、采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建；
本实施例中，具体过程包括：
步骤301、假定分布场所在空间中某一体素的位置为P1(x,y,z)；
步骤302、假定某一传感器的位置为P2(v,p)，其中，v表示承接装置上的第v个角度，p表示第v个角度上的第p个传感器，承接装置上共有v×p个传感器；
步骤303、计算P1到P2距离r＝|P1-P2|；
步骤304、根据P1处沿着x、y和z方向的单位强度的电流密度分别计算P2处电势；
步骤305、根据所有传感器位置处检测到的弱电势信号，计算P1处电流密度矢量c；
步骤306、计算P1处电流密度矢量c导致的所有传感器位置处的电势信号；
步骤307、计算电流密度矢量c导致的电势信号与传感器采集的弱电势信号间的误差；
步骤308、根据最小误差准则，确定出最优P1及其电流密度矢量c；
步骤309、当分布场中包含多个电流源偶极子时，类似于单个电流源偶极子方法进行重建。
步骤四、通过对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真，验证电流源偶极子分布场重建精度。
本实施例中，具体过程包括：
步骤401、选择求解器类型；
步骤402、建立半椭球体模型；
步骤403、设置材料属性，半椭球体内部设置为纯水，激励源设置为导体；
步骤404、设置激励源和边界条件，激励源设置为电流源偶极子，边界条件设置为默认值；
步骤405、在几何结构突变处、计算场量变化大处，对剖分网络进行加密处理；
步骤406、进行电势场有限元仿真。
具体实施时，采用有限元仿真软件,对电流源偶极子分布场导致的电势信号进行有限元仿真，对电流源偶极子分布场重建算法进行验证，保证算法正确性与重建精度，仿真结果如图3所示。
为了验证本发明方法的合理性，进行了有限元仿真试验。用于仿真的电流源偶极子各分量(z＝0处)如图4所示，仿真得到的电流源偶极子导致的电势信号如图5所示，传感器采集图5中电势信号结果如图6所示，重建得到的电流源偶极子各分量(z＝0处)如图7所示。
将图4中所示的各仿真分量(构成仿真电流密度矢量c1)与图7中所示的各重建分量(构成重建电流密度矢量c2)相比较，定量计算重建误差e＝||c1-c2||/||c1||×100％，其中||||为矢量二范数，用于反映重建精度，计算得到的重建误差e＝0％，验证了本发明匹配法重建电流源偶极子分布场的正确性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采用承接装置承接鸟类胚胎试样；
步骤二、采用传感器检测所述鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号；
步骤三、采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建；
步骤四、通过对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真，验证电流源偶极子分布场重建精度。
2.按照权利要求1所述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其特征在于，步骤一中所述承接装置的形状为空心半椭球形，所述空心半椭球形的侧面均匀设置有多个用于安装所述传感器的插孔。
3.按照权利要求1所述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其特征在于，步骤二中所述采用传感器检测鸟类胚胎试样电流源偶极子分布场导致的弱电势信号的具体过程包括：
步骤201、将传感器采集的鸟类胚胎弱电势信号放大M倍；
步骤202、高通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的直流分量；
步骤203、将高通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号放大N倍；
步骤204、陷波衰减鸟类胚胎弱电势信号中的工频干扰信号；
步骤205、低通滤波，滤除鸟类胚胎弱电势信号中的元器件噪声；
步骤206、将低通滤波后的鸟类胚胎弱电势信号进行电平抬升；
步骤207、将电平抬升后的信号进行电压-电流转换，驱动光耦的发光二极管；
步骤208、光耦的发光二极管产生近似正比于发光二极管光强的电流，进行电流-电压转换，并将电压信号传输至模数转换模块。
4.按照权利要求2所述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其特征在于，步骤三中所述采用匹配法进行电流源偶极子分布场重建的具体过程包括：
步骤301、假定分布场所在空间中某一体素的位置为P1(x,y,z)；
步骤302、假定某一传感器的位置为P2(v,p)，其中，v表示承接装置上的第v个角度，p表示第v个角度上的第p个传感器，承接装置上共有v×p个传感器；
步骤303、计算P1到P2距离r＝|P1-P2|；
步骤304、根据P1处沿着x、y和z方向的单位强度的电流密度分别计算P2处电势；
步骤305、根据所有传感器位置处检测到的弱电势信号，计算P1处电流密度矢量c；
步骤306、计算P1处电流密度矢量c导致的所有传感器位置处的电势信号；
步骤307、计算电流密度矢量c导致的电势信号与传感器采集的弱电势信号间的误差；
步骤308、根据最小误差准则，确定出最优P1及其电流密度矢量c；
步骤309、当分布场中包含多个电流源偶极子时，类似于单个电流源偶极子方法进行重建。
5.按照权利要求1所述的一种基于电流源偶极子分布场重建的鸟类胚胎分析方法，其特征在于，步骤四中所述对电流源偶极子分布场导致的弱电势信号进行有限元仿真的具体过程包括：
步骤401、选择求解器类型；
步骤402、建立半椭球体模型；
步骤403、设置材料属性，半椭球体内部设置为纯水，激励源设置为导体；
步骤404、设置激励源和边界条件，激励源设置为电流源偶极子，边界条件设置为默认值；
步骤405、在几何结构突变处、计算场量变化大处，对剖分网络进行加密处理；
步骤406、进行电势场有限元仿真。
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