CN116818719A - 一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 - Google Patents
一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116818719A CN116818719A CN202210345352.5A CN202210345352A CN116818719A CN 116818719 A CN116818719 A CN 116818719A CN 202210345352 A CN202210345352 A CN 202210345352A CN 116818719 A CN116818719 A CN 116818719A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- myocardial
- bragg grating
- fiber bragg
- bundle
- heart tissue
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000008602 contraction Effects 0.000 title claims abstract description 69
- 210000005003 heart tissue Anatomy 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000002107 myocardial effect Effects 0.000 claims abstract description 107
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 83
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 44
- 239000003814 drug Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 34
- 229940079593 drug Drugs 0.000 claims abstract description 30
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 32
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 19
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 claims description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 238000012258 culturing Methods 0.000 claims description 10
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 3
- 239000012930 cell culture fluid Substances 0.000 claims 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 claims 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000012216 screening Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 15
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 12
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 7
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 7
- SGTNSNPWRIOYBX-UHFFFAOYSA-N 2-(3,4-dimethoxyphenyl)-5-{[2-(3,4-dimethoxyphenyl)ethyl](methyl)amino}-2-(propan-2-yl)pentanenitrile Chemical compound C1=C(OC)C(OC)=CC=C1CCN(C)CCCC(C#N)(C(C)C)C1=CC=C(OC)C(OC)=C1 SGTNSNPWRIOYBX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 210000004413 cardiac myocyte Anatomy 0.000 description 6
- DCSUBABJRXZOMT-IRLDBZIGSA-N cisapride Chemical compound C([C@@H]([C@@H](CC1)NC(=O)C=2C(=CC(N)=C(Cl)C=2)OC)OC)N1CCCOC1=CC=C(F)C=C1 DCSUBABJRXZOMT-IRLDBZIGSA-N 0.000 description 6
- 229960005132 cisapride Drugs 0.000 description 6
- DCSUBABJRXZOMT-UHFFFAOYSA-N cisapride Natural products C1CC(NC(=O)C=2C(=CC(N)=C(Cl)C=2)OC)C(OC)CN1CCCOC1=CC=C(F)C=C1 DCSUBABJRXZOMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229960001722 verapamil Drugs 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 4
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 210000004263 induced pluripotent stem cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 3
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 206010048610 Cardiotoxicity Diseases 0.000 description 2
- 231100000259 cardiotoxicity Toxicity 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000007877 drug screening Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 2
- 210000004165 myocardium Anatomy 0.000 description 2
- 239000002547 new drug Substances 0.000 description 2
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 2
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 2
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000013334 tissue model Methods 0.000 description 2
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000012362 drug development process Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000004220 muscle function Effects 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 210000000130 stem cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
本发明提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置，属于生物组织工程和生物医药技术领域。本发明方法包括：形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束；所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。本发明利用布拉格光栅应力形变造成的反射光谱中心波长的改变来测定三维心脏组织的收缩参数，通过光纤布拉格光栅可以灵敏的检测药物加入前后的变化，对药物的效果进行评价，实现对药物的筛选，具有精度高，成本低，高精度力学空间分辨率的优点。
Description
技术领域
本发明属于生物组织工程和生物医药技术领域，具体涉及一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置。
背景技术
心脏是人体最重要的器官之一，与其他组织相比，由于成熟心肌细胞的增殖能力有限，因此构建功能性的心脏替代品具有很高的挑战性。另一方面，心脏毒性是新药在人体测试阶段甚至药物上市后被召回的最常见原因之一，占退出市场药物总数的三分之一，药物开发过程由于药物的心脏毒性造成的高成本引起了广泛关注和重视。
目前，现有技术有采用二维细胞静态培养和动物模型来预测人类对新药的反应，失败率很高，主要是因为这些模型不能真实反映人体内的微环境，来提供人体对药物反应的准确数据，同时动物实验涉及伦理问题。另外，还有的通过图像识别测算三维心脏组织收缩参数，即采用图像识别计算三维心脏组织应力变化，存在算法复杂，计算时间长，无法实时显示力的变化；同时，检测精度受成像质量影响大。
然而，器官芯片技术利用微加工、材料、干细胞和组织工程技术，在体外构建了接近生理功能的微缩人体器官模型。器官芯片不仅可以更加真实地反映出人体的情况，而且能节约药物研发的成本，缩短测试时间，降低风险。同时，它还可以避免动物实验在动物保护方面涉及的道德问题。
因此，本发明提出一种基于光纤布拉格光栅测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置。
本发明的一方面，提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法，具体步骤包括：
形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束；
所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；
通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
可选的，所述形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束之前，还包括：
将弹性悬臂结构的第一端插入含有心肌细胞的凝胶混合液中，在所述心肌束收缩过程中发生弯曲形变，以向所述心肌束提供被动张力，使得所述心肌束中心肌细胞沿着收缩方向排列取向。
可选的，所述形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束，包括：
在所述凝胶混合液中加入光纤布拉格光栅，培养第一预设时间，待凝胶固化后，加入培养基细胞培养液进行培养第二预设时间，凝胶收缩将所述光纤布拉格光栅、所述弹性悬臂结构的第一端包裹在内，以形成心肌束。
可选的，所述弹性悬臂结构包括第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，所述第一弹性悬臂与所述第二弹性悬臂的第一端均包裹在所述心肌束中。
可选的，通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数之前，还包括：
在所述心肌束的培养基细胞培养液中加入药物。
可选的，所述通过测量所述光纤布拉格光栅的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数，包括：
在所述光纤布拉格光栅的两端分别连接光纤，通过所述光纤连接的光纤传感器测量所述光纤布拉格光栅的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
本发明的另一方面，提供一种测量三维心脏组织收缩参数的装置，包括：
包裹有光纤布拉格光栅的心肌束，所述心肌束浸泡在培养基细胞培养液中；
弹性悬臂结构，所述弹性悬臂结构的第一端插置在所述心肌束中，在所述心肌束收缩过程中发生弯曲形变，以向所述心肌束提供被动张力，使得所述心肌束中细胞沿着收缩方向排列取向，所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；
光纤传感器，所述光纤传感器与所述心肌束连接，以测量所述光纤布拉格光栅的光射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
可选的，所述弹性悬臂结构包括第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，所述第一弹性悬臂与所述第二弹性悬臂的第一端均插置在所述心肌束中。
可选的，所述光纤布拉格光栅的两端分别连接有光纤，所述光纤的另一端与所述光纤传感器连接。
可选的，所述培养基细胞培养液还包括有药物。
本发明提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置，其中，本发明方法包括：形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束；所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。本发明的心肌细胞在被动张力下，进行取向和排列，并分化成熟，最终实现同步收缩跳动，进而带动光纤布拉格光栅形变，引起光纤布拉格光栅反射光谱的变化，通过反射光谱的变化可以检测心肌组织的跳动频率和收缩力发生变化，通过光纤布拉格光栅可以灵敏的检测药物加入前后的变化，对药物的效果进行评价，并对药物进行筛选。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种测量三维心脏组织收缩参数的方法的流程框图；
图2为本发明另一实施例的一种测量三维心脏组织收缩参数的装置整体结构示意图；
图3为本发明另一实施例的包含光纤布拉格光栅的心肌束的构建过程图；
图4为本发明另一实施例的一种测量三维心脏组织收缩参数的原理示意图；
图5为本发明另一实施例的心肌束收缩参数的检测示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
需要说明的是，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings，FBG)利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，形成空间的相位光栅。通过拉伸或挤压光栅，导致光栅折射率分布疏密发生变化，进而改变“光栅周期”。光纤布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的。精确匹配两个反射点距离的波长由光栅反射，而其他波长不被反射或被阻止。光纤布拉格光栅传感器信号是每个光栅反射产生的窄光谱。解调仪可以测定独立反射峰的波长。一旦光纤布拉格光栅遭受应力变化，反射点距离将会改变，并且反射不同的波长。这样布拉格波长变化就可以被测量。FBG应用于传感器具有体积小、生物相容性好、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。该技术可应用于压力、温度、位移等多物理参数检测，同时在生物力学参数检测有巨大潜力。由于光纤布拉格光栅的上述特性，本发明提出一种基于光纤布拉格光栅测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置。
如图1所示，本发明的一方面，提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法S100，具体步骤包括S110～S130：
S110、形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束。
具体的，在凝胶混合液的溶液中加入光纤布拉格光栅与培养基细胞培养液进行培养，凝胶收缩形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束，即用于构建三维心脏组织的心肌束。
在一些优选实施例中，在步骤S110之前，还包括：将弹性悬臂结构的第一端插入含有心肌细胞的凝胶混合液中，应当理解的是，由于含有心肌细胞的凝胶混合液固化后形成心肌束，这样，上述弹性悬臂结构的第一端相当于插入至心肌束中，在心肌束收缩过程中发生弯曲形变，以向心肌束提供被动张力，使得心肌束的心肌细胞沿着收缩方向排列取向，使其按照一定频率收缩和舒张。
需要说明的是，本实施例对于弹性悬臂结构、材质及其具体制备方法不作具体限定，例如，该弹性悬臂结构包括间隔设置的第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，该第一弹性悬臂与第二弹性悬臂的第一端均包裹在所心肌束中，且可以使用机械加工的方法制备形成弹性悬臂结构，以及，可以采用聚二甲基硅氧烷作为弹性悬臂的材料，但不仅限于聚二甲基硅氧烷，任何可以制备心肌束的材料都可以应用。
具体的，一并结合图3中的A所示，通过机械加工的方法制备第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的模具，对模具进行清洗，浇注聚二甲基硅氧烷，固化后剥离，制备得到三维心脏组织构建用的弹性悬臂结构。
在另一些优选实施例中，一并结合图3中的B和C所示，本实施例包裹有光纤布拉格光栅的心肌束形成过程如下：将第一弹性悬臂1a与第二弹性悬臂1b的第一端均插入含有心肌细胞的凝胶混合液8中，在凝胶混合液8中加入光纤布拉格光栅3，培养第一预设时间，待凝胶固化后，在培养槽5中加入培养基细胞培养液4进行培养第二预设时间，该培养基细胞培养液4用于给心肌细胞提供营养。在培养过程中，凝胶收缩将光纤布拉格光栅3、第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的第一端均包裹在内，即凝胶收缩至第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的顶端，以形成构建三维心脏组织心肌束2。
需要说明的是，本实施例的第一预设时间范围为0.5h～1.5h，第二预设时间范围为17d～25d。
应当理解的是，本实施例还设置有培养槽，如图2和图3所示，培养槽5用于盛放含有心肌细胞的凝胶混合液8。
进一步需要说明的是，本实施例的细胞需要一定的种类和数量，使细胞种类更接近人体组织，其中心肌细胞采用人源诱导性多能干细胞。
仍需要说明的是，本实施例的凝胶需要一定组成和浓度，以便于凝胶成型、包裹布拉格光栅光纤并收缩至弹性悬臂结构的顶端。
S120、心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化。
本实施例的上述第一弹性悬臂和第二弹性悬臂作为心肌束的支撑物，能够在心肌收缩力的作用下发生位移，同时两个弹性悬臂在心肌束构建的过程中提供被动张力，心肌细胞在第一弹性悬臂和第二弹性悬臂的被动张力下，进行取向和排列，并分化成熟，最终实现同步收缩跳动，进而带动布拉格光栅光纤形变，引起布拉格光栅反射光谱的变化。
S130、通过测量光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
具体的，一并结合图2所示，在光纤布拉格光栅3的两端分别连接有光纤6，通过两个光纤6连接的光纤传感器7测量光纤布拉格光栅3的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
需要说明的是，本实施例的光纤布拉格光栅产生形变后反射光谱发生改变，通过光纤连接光纤传感器，可以快速、灵敏地识别3D心脏组织的形变，实时解析反映心肌组织的跳动频率、收缩力、收缩模式等特征。
进一步的，通过测量光纤布拉格光栅反射光谱以得到心脏组织收缩参数之前，还包括：在心肌束的培养基细胞培养液中加入药物。
本实施例的方法通过检测反射光谱的变化，可得到不同种类药物或者不同浓度药物下三维心脏组织心肌束的跳动频率和收缩力等数据，给出不同种类的药物或不同浓度的药物对三维心脏组织心肌束作用的评估，以实现药物筛选功能。
需要说明的是，本实施例的药物包括维拉帕米或西沙比利。
本实施例心肌束收缩参数检测原理如下：光纤布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的，精确匹配两个反射点距离的波长由光栅反射，而其他波长不被反射或被阻止。解调仪可以测定独立反射峰的波长。一旦光纤布拉格光栅遭受应力变化，反射点距离将会改变，并且反射不同的波长，这样布拉格波长变化就可以被测量。
具体的，如图4和图5所示，其中，图5中的A为心肌束2未发生拉伸和收缩，以及光纤布拉格光栅3未发生形变，图5中的B为心肌束2在第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的被动张力下，进行取向和排列，并分化成熟，成熟的心肌束2同步，进行整体的收缩和舒张，心肌束2沿着轴向拉伸和收缩，带动光纤布拉格光栅3形变，引起光纤布拉格光栅3反射光谱的变化，其反射光谱的结果请参考图5中的C。通过反射光谱的变化可以检测心肌组织的跳动频率和收缩力发生变化，通过光谱分析仪分析反射光谱，并解析为收缩参数，即通过光纤布拉格光栅可以灵敏的检测药物加入前后的变化，对药物的效果进行评价，并对药物进行筛选，包括对不同种类的药物和不同浓度的药物进行筛选。
应当理解的是，心肌的跳动频率和收缩力是评价心肌功能的重要指标，因此，本实施例利用器官芯片技术采用人源诱导性多能干细胞，构建了多种仿生的三维心脏组织模型，并利用光纤布拉格光栅特性，将光纤布拉格光栅包裹于三维心脏组织内，通过拉伸光栅结构改变光栅折射率和光栅周期，从而依靠反射光谱中心波长的改变来测定三维心脏组织的收缩力，收缩频率，收缩力变化模式。
本发明利用布拉格光栅应力形变造成的反射光谱中心波长的改变来测定三维心脏组织的收缩参数，具有精度高，成本低，计算简便实时显示，高精度力学空间分辨率的优点，可以快速、灵敏地识别3D心脏组织的形变，实时解析反映心肌组织的跳动频率、收缩力、收缩模式等特征。
如图2至图5所示，本发明的另一方面，提供一种测量三维心脏组织收缩参数的装置，包括：包裹有光纤布拉格光栅3的心肌束2、弹性悬臂结构以及光纤传感器7；其中，心肌束2，是用于构建三维心脏组织的心肌束，其浸泡在培养基细胞培养液4中，弹性悬臂结构包括第一弹性悬臂1a与第二弹性悬臂1b，是用于三维心脏组织构建用的弹性悬臂，第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的第一端均插置在心肌束2中，在心肌束2收缩过程中发生弯曲形变，以向心肌束提供被动张力，使得心肌束2中心肌细胞沿着收缩方向排列取向，心肌束2按照一定频率收缩和舒张，产生形变后以带动光纤布拉格光栅反射光谱的变化，光纤传感器7用于检测光纤布拉格光栅3的光射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
需要说明的是，本实施例对于弹性悬臂结构、材质及其具体制备方法不作具体限定，例如，该弹性悬臂结构包括间隔设置的第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，该第一弹性悬臂与第二弹性悬臂分别对应光纤布拉格光栅的两端，其端部均包裹在心肌束内，且可以使用机械加工的方法制备形成弹性悬臂结构，以及，可以采用聚二甲基硅氧烷作为弹性悬臂的材料，但不仅限于聚二甲基硅氧烷，任何可以制备心肌束的材料都可以应用。本实施例包裹有光纤布拉格光栅的心肌束形成过程如下：一并结合图3中的B和C所示，将第一弹性悬臂1a与第二弹性悬臂1b的第一端均插入含有心肌细胞的凝胶混合液8中，在凝胶混合液8中加入光纤布拉格光栅3，培养第一预设时间，待凝胶固化后，在培养槽5中加入培养基细胞培养液4进行培养第二预设时间，该培养基细胞培养液4用于给心肌细胞提供营养。在培养过程中，凝胶收缩将光纤布拉格光栅3、第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的第一端均包裹在内，即凝胶收缩至弹性悬臂的顶端，以形成构建三维心脏组织心肌束2。
进一步的，继续参考图2和图3，光纤布拉格光栅3的两端分别连接有光纤6，即设置有两个光纤，每个光纤6的其中一端与光纤布拉格光栅3连接，每个光纤6的另一端与光纤传感器7电连接。通过光纤传感器7测量光纤布拉格光栅3的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
更进一步的，培养基细胞培养液还包括有药物，通过检测反射光谱的变化，可以得到不同种类药物或者不同浓度药物下三维心脏组织心肌束的跳动频率和收缩力等数据，给出不同药物种类或不同浓度药物对三维心脏组织心肌束作用的评估，以实现药物筛选功能，包括对不同种类的药物和不同浓度的药物进行筛选。
需要说明的是，本实施例的药物包括维拉帕米或西沙比利。
下面将以具体实施例对一种测量三维心脏组织收缩参数的方法进行说明：
实施例1
结合图1至图5所示，本示例的三维心脏组织用于维拉帕米的检测，具体过程如下：
1)通过机械加工的方法制备第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的模具。
2)对模具进行清洗，浇注聚二甲基硅氧烷，固化后剥离，制备得到第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b。
3)对第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b进行无菌处理，并放入96孔板中固定位置，加入细胞凝胶混合液8和光纤布拉格光栅3，放入培养箱中培养1h。凝胶固化后加入培养基细胞培养液4进行培养。
4)培养过程中凝胶收缩形成包裹布拉格光栅光纤的心肌束。
5)培养液隔天换一次继续培养3周。
6)心肌束2整体收缩和舒张。
7)加入不同浓度的维拉帕米，心肌束2的收缩行为发生变化，带动光纤布拉格光栅3发生形变，从而引起布拉格光栅反射光谱的变化，通过反射光谱的变化检测心肌束2的跳动频率和收缩力变化，得到不同维拉帕米浓度下心肌束2的跳动频率和收缩力等数据，给出不同浓度维拉帕米对心肌束2作用的评估，实现药物筛选功能。
实施例2
结合图1至图5所示，本示例的三维心脏组织用于西沙比利的检测，具体过程如下：
1)通过机械加工的方法制备第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b的模具。
2)对模具进行清洗，浇注聚二甲基硅氧烷，固化后剥离，制备得到)
3)对第一弹性悬臂1a和第二弹性悬臂1b进行无菌处理，并放入96孔板中固定位置，加入细胞凝胶混合液8和光纤布拉格光栅3，放入培养箱中培养1h。凝胶固化后加入培养基细胞培养液4进行培养。
4)培养过程中凝胶收缩形成包裹布拉格光栅光纤的心肌束。
5)培养液隔天换一次继续培养3周。
6)心肌束2整体收缩和舒张。
7)加入不同浓度的西沙比利，三维心脏组织心肌束2的收缩行为发生变化，带动光纤布拉格光栅3发生形变，从而引起布拉格光栅反射光谱的变化，通过反射光谱的变化检测心肌束2的跳动频率和收缩力变化，得到不同西沙比利浓度下三维心脏组织心肌束2的跳动频率和收缩力等数据，给出不同浓度西沙比利对心肌束2作用的评估，实现药物筛选功能。
本发明提供一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置，相对于现有技术而言具有以下有益效果：
第一、本发明利用布拉格光栅应力形变造成的反射光谱中心波长的改变来测定三维心脏组织的收缩参数，具有精度高，成本低，计算简便实时显示，高精度力学空间分辨率的优点；
第二、本发明采用人源诱导性多能干细胞，构建了接近生理功能的三维心脏组织模型，可以更加真实地反映出人体对药物的反应。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测量三维心脏组织收缩参数的方法，其特征在于，具体步骤包括：
形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束；
所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；
通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束之前，还包括：
将弹性悬臂结构的第一端插入含有心肌细胞的凝胶混合液中，在所述心肌束收缩过程中发生弯曲形变，以向所述心肌束提供被动张力，使得所述心肌束的心肌细胞沿着收缩方向排列取向。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成包裹光纤布拉格光栅的心肌束，包括：
在所述凝胶混合液中加入光纤布拉格光栅，培养第一预设时间，待凝胶固化后，加入培养基细胞培养液进行培养第二预设时间，凝胶收缩将所述光纤布拉格光栅、所述弹性悬臂结构的第一端包裹在内，以形成心肌束。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弹性悬臂结构包括第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，所述第一弹性悬臂与所述第二弹性悬臂的第一端均包裹在所述心肌束中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，通过测量所述光纤布拉格光栅反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数之前，还包括：
在所述心肌束的培养基细胞培养液中加入药物。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述通过测量所述光纤布拉格光栅的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数，包括：
在所述光纤布拉格光栅的两端分别连接光纤，通过所述光纤连接的光纤传感器测量所述光纤布拉格光栅的反射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
7.一种测量三维心脏组织收缩参数的装置，其特征在于，包括：
包裹有光纤布拉格光栅的心肌束，所述心肌束浸泡在培养基细胞培养液中；
弹性悬臂结构，所述弹性悬臂结构的第一端插置在所述心肌束中，在所述心肌束收缩过程中发生弯曲形变，以向所述心肌束提供被动张力，使得所述心肌束的心肌细胞沿着收缩方向排列取向，所述心肌束按照一定频率收缩和舒张，以带动所述光纤布拉格光栅反射光谱的变化；
光纤传感器，所述光纤传感器与所述心肌束连接，以测量所述光纤布拉格光栅的光射光谱以得到三维心脏组织收缩参数。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述弹性悬臂结构包括第一弹性悬臂和第二弹性悬臂，所述第一弹性悬臂与所述第二弹性悬臂的第一端均插置在所述心肌束中。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅的两端分别连接有光纤，所述光纤的另一端与所述光纤传感器连接。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述培养基细胞培养液还包括有药物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210345352.5A CN116818719B (zh) | 2022-04-02 | 2022-04-02 | 一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210345352.5A CN116818719B (zh) | 2022-04-02 | 2022-04-02 | 一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116818719A true CN116818719A (zh) | 2023-09-29 |
| CN116818719B CN116818719B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=88126293
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210345352.5A Active CN116818719B (zh) | 2022-04-02 | 2022-04-02 | 一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116818719B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103674079A (zh) * | 2012-09-26 | 2014-03-26 | 桂林优西科学仪器有限责任公司 | 基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法 |
| CN105378456A (zh) * | 2012-11-15 | 2016-03-02 | 康宁股份有限公司 | 用于评价化学心脏毒性的免标记方法 |
| CN110231468A (zh) * | 2019-06-30 | 2019-09-13 | 东南大学苏州医疗器械研究院 | 一种基于光纤测量的三维心脏芯片及其检测方法 |
| CN110248592A (zh) * | 2017-02-03 | 2019-09-17 | 财团法人峨山社会福祉财团 | 利用导管的传感信息的心脏三维标测系统及方法 |
| EP3725252A1 (en) * | 2019-04-19 | 2020-10-21 | Lake Region Manufacturing, Inc. | Ablation catheter with fiber bragg grating strain sensors |
| CN113081235A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-09 | 武汉理工大学 | 环境误差自补偿的心脏消融导管尖端光纤三维力传感器 |
| CN114111909A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 上海大学 | 一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统 |
-
2022
- 2022-04-02 CN CN202210345352.5A patent/CN116818719B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103674079A (zh) * | 2012-09-26 | 2014-03-26 | 桂林优西科学仪器有限责任公司 | 基于光纤布拉格光栅传感器测量系统的实时测量方法 |
| CN105378456A (zh) * | 2012-11-15 | 2016-03-02 | 康宁股份有限公司 | 用于评价化学心脏毒性的免标记方法 |
| CN110248592A (zh) * | 2017-02-03 | 2019-09-17 | 财团法人峨山社会福祉财团 | 利用导管的传感信息的心脏三维标测系统及方法 |
| EP3725252A1 (en) * | 2019-04-19 | 2020-10-21 | Lake Region Manufacturing, Inc. | Ablation catheter with fiber bragg grating strain sensors |
| CN110231468A (zh) * | 2019-06-30 | 2019-09-13 | 东南大学苏州医疗器械研究院 | 一种基于光纤测量的三维心脏芯片及其检测方法 |
| CN113081235A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-09 | 武汉理工大学 | 环境误差自补偿的心脏消融导管尖端光纤三维力传感器 |
| CN114111909A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 上海大学 | 一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅温度、应力双参数一体式传感及解调系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116818719B (zh) | 2024-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Roriz et al. | Optical fiber temperature sensors and their biomedical applications | |
| Antonovaite et al. | Regional variations in stiffness in live mouse brain tissue determined by depth-controlled indentation mapping | |
| Massaroni et al. | Medical smart textiles based on fiber optic technology: an overview | |
| Milani et al. | Shrinking the hammer: micromechanical approaches to morphogenesis | |
| US10876942B2 (en) | Devices and methods for tension measurements and applications of same | |
| John et al. | Boundary stiffness regulates fibroblast behavior in collagen gels | |
| CN104473615B (zh) | 一种基于光纤光栅的24小时眼压监测传感器 | |
| CN110231468B (zh) | 一种基于光纤测量的三维心脏芯片及其检测方法 | |
| CN110013218A (zh) | 用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器及其制造方法 | |
| Jeon et al. | Measurement of contractile forces generated by individual fibroblasts on self-standing fiber scaffolds | |
| CN116818719B (zh) | 一种测量三维心脏组织收缩参数的方法与装置 | |
| Lieber et al. | Intersarcomere dynamics of single muscle fibers during fixed-end tetani. | |
| Poduval et al. | Precision-microfabricated fiber-optic probe for intravascular pressure and temperature sensing | |
| De Landro et al. | Fiber bragg grating sensors for performance evaluation of fast magnetic resonance thermometry on synthetic phantom | |
| US20220111581A1 (en) | Method of producing a test body for diffusion tensor imaging | |
| Wang et al. | SleepSense: smart pillow with pressure-sensitive FBG-embedded silicone buttons | |
| CN109633495B (zh) | 一种带温度补偿的光栅光纤磁场传感器及制备方法和基于其的分布式测量系统 | |
| Tou et al. | Double-pass Mach–Zehnder fiber interferometer pH sensor | |
| Agero et al. | Bulk elastic properties of chicken embryos during somitogenesis | |
| Li et al. | A portable pen-sized instrumentation to measure stiffness of soft tissues in vivo | |
| CN110954249B (zh) | 基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法 | |
| Dallon et al. | A mathematical model of collagen lattice contraction | |
| Chin et al. | Mechanosensation mediates volume adaptation of cardiac cells and spheroids in 3D | |
| Bradbury et al. | Fibre Bragg grating based interface pressure sensor for compression therapy | |
| Fajkus et al. | Comparison of the FBG sensor encapsulated into PDMS and FBG sensor glued on the plexiglass pad for respiratory and heart rate monitoring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |