RU2357659C1

RU2357659C1 - Method of detection of frequency and heart beat amplitude of daphnia

Info

Publication number: RU2357659C1
Application number: RU2007139560/14A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Усанов (RU); Дмитрий Александрович Усанов; Анатолий Владимирович Скрипаль (RU); Анатолий Владимирович Скрипаль; Антон Валерьевич Абрамов (RU); Антон Валерьевич Абрамов; Александр Владимирович Скрипаль (RU); Александр Владимирович Скрипаль; Андрей Дмитриевич Усанов (RU); Андрей Дмитриевич Усанов
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-06-10

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention pertains to biology, ecology and cardiology. Video sequence of magnified image of daphnia's heart is produced. Whereat video sequence is produced in the visual field fixed by microscope, video materials are introduced at the speed of 30 shots per second and analysed. Borders of daphnia's heart are defined on every shot; area, restricted by the defined borders is calculated; time dependence of the square areas in every shot is calculated. Heart beat is defined by the value of the mean period value of the stated dependence, and amplitude - by the value of the mean amplitude value of the stated dependence.

EFFECT: method widens range of means of detection of heart beat rate and amplitude of daphnia's heart.

3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области биологии, экологии и кардиологии и может быть использовано для контроля параметров биений сердца биологических тест-объектов.The invention relates to the field of biology, ecology and cardiology and can be used to control the parameters of the heartbeat of biological test objects.

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).A known method and device for determining the frequency of heartbeats in daphnia, based on the change in light flux and measuring the electrical signal from the photosensor (see Kolupaev B.I., Andreev A.A., Samoilenko Y.K. Optical method for recording heart rhythm in daphnia . - Hydrobiological Journal, vol. XIII, issue 3, 1977, p.119-120).

Однако способ не может однозначно определять частоту сердцебиений, поскольку не удается контролировать область, через которую проходит световой поток.However, the method cannot unambiguously determine the heart rate, since it is not possible to control the area through which the light flux passes.

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).A known method of measuring the heart rate of daphnia, in which the radiation of the light source is focused by a lens into the region of the heart of daphnia, placed in a channel on a transparent table, into which the water habitat of daphnia is poured. A microscope is used to direct radiation into the region of the heart of daphnia. Part of the radiation was directed to a photodetector, the signal from which goes through an amplifier and an analog-to-digital converter to a computer, and after recording the oscillograms of Daphnia heart oscillations, the spectrum of the detected signal is calculated using the fast Fourier transform method (see Usanov D.A., Shishkin G.G. , Skripal A.V., Usanov A.D. Effect of low-intensity alternating magnetic fields on the heart rate of daphnia waves // Biomedical Technologies and Radioelectronics. 2003. No. 3. P. 59-62).

Недостатком способа является отсутствие достоверности регистрации колебаний именно сердца, а не других органов дафнии, а также невозможность определения амплитуды биений сердца дафнии.The disadvantage of this method is the lack of reliability of registration of fluctuations of the heart, and not other organs of daphnia, as well as the inability to determine the amplitude of the heartbeat of daphnia.

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).There is a method for determining the frequency and amplitude of Daphnia heartbeats from an external auto-detection signal when a part of the radiation reflected from a controlled object is returned to a semiconductor laser resonator, in which, after calculating the spectrum of the autodyne signal, the oscillation period of the Daphnia heart is determined by the frequency of the main signal, and the beat amplitude Daphnia heart (see Usanov D.A., Skripal A.V., Vagarin A.Yu., Skripal A.V., Potapov V.V., Shmakova T.T., Mosiyash S.S. Laser autodyne inter ferrometry of dynamic parameters of bioobjects // Letters to ZhTF. 1998. V.24. Issue 5. P.39-43 and RF patent for invention №2155335, IPC 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.However, this method is very time-consuming and cannot unambiguously determine the parameters of the heartbeats, because it is not possible to control the area through which the light flux passes.

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).The closest in technical essence to the proposed solution is a method for controlling the frequency of a daphnia heartbeat, in which the radiation of a light source is focused by a lens into the area of a daphnia heart, placed in a channel on a transparent table, into which the water habitat of daphnia is poured. To direct radiation to the heart of Daphnia, a microscope with a video camera is used, the signal from the video camera is transmitted through an analog-to-digital converter to a computer, and the heart rate of Daphnia is calculated using a specially developed video image analysis program that includes visual calculation of the number of periods of movement of the controlled area per unit time (see Lyapina E.P., Lyapin M.N., Golovko E.M., Usanov A.D., Usanov D.A. Daphnia as an experimental model for studying the features of action homeopathically x drugs).

Однако данный способ является очень трудоемким и не позволяет проводить измерения при высокой частоте сердцебиений.However, this method is very time-consuming and does not allow measurements at a high heart rate.

Задача настоящего изобретения заключается в увеличении точности при расширении функциональных возможностей, а именно обеспечение возможности измерения амплитуды сердцебиений.The objective of the present invention is to increase accuracy while expanding functionality, namely the provision of the ability to measure the amplitude of the heartbeats.

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.The problem is achieved in that in a method for determining the frequency and amplitude of a heart beat of Daphnia, including obtaining a sequence of video frames of an enlarged image of a heart of Daphnia and analyzing them, according to the invention, the analysis is carried out by frame-by-frame processing of a sequence of video frames, for this purpose, the boundaries of the heart of Daphnia are extracted, the area limited by the selected boundaries, determine the dependence of the areas on each frame from time to time, the heart rate is determined by the average value cheniya period said relationship and amplitude - the magnitude of said average value of the amplitude.

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.The originality of the proposed solution lies in the use of automated control, continuous recording of heart rate and the possibility of data reprocessing while expanding the functionality, namely, providing the ability to measure the amplitude of heartbeats.

Подобная совокупность действий, влекущая возможность определять частоты и амплитуды биений сердца дафнии, неизвестна.A similar set of actions, entailing the ability to determine the frequency and amplitude of the heartbeat of daphnia, is unknown.

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.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a diagram of an experimental setup, Fig. 2 shows the allocation of Daphnia heart borders using a border finding algorithm, Fig. 3 shows the time dependence of Daphnia heart area, where 1 is a light source; 2 - lens; 3 - daphnia; 4 - chamber for daphnia; 5 - a transparent table; 6 - a microscope; 7 - video camera; 8 - video capture card; 9 - computer.

Способ заключается в следующем.The method is as follows.

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.The light source 1 is focused using a lens 2 into the region of the heart of daphnia 3 located in a thin layer of water 4 on a transparent stage 5 of the microscope 6. Daphnia (Fig. 1) is placed on a transparent stage 5 of the microscope with a video camera 7. An enlarged image of the heart of daphnia is recorded using video cameras 7. The video signal from the camera is fed through the video capture card 8 to the digital media of the personal computer 9. Frame-by-frame processing of the sequence of video frames is carried out, for this purpose, the boundaries of the heart of Daphnia are extracted on each frame using the algorithm waiting for boundaries. The area limited by the selected boundaries is determined by calculating the ratio of the number of points of the selected daphnia heart to the total number of points in the image. The dependence of the area in each frame on time, which has a quasiperiodic character, is determined. The heart rate is determined by the average value of the period of the indicated dependence, and the amplitude is determined by the average value of the amplitude of the specified dependence.

Пример практической реализации способаAn example of a practical implementation of the method

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.As a biological object, freshwater Daphnia crustaceans (Daphnia magna Straus), cultivated under standard laboratory conditions, were used. In the experiments, individuals of 0.7-1.5 mm in size were used.

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.A single daphnia from an aquarium culture was placed on a transparent plate and fixed on a microscope stage. After pointing the Daphnia heart region using a Biolam-10 microscope, video was recorded by a Sony camcorder onto a computer hard drive using a Matrox Marvell G400 video capture card that supports full-format video input at 30 frames per second, and the software for capturing video images supplied with it AVI file format.

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.Frame-by-frame processing of the sequence of video frames was carried out; for this, the borders of the heart of Daphnia were identified on each frame. The area limited by the selected boundaries was determined by counting the ratio of the number of points of the selected daphnia heart to the total number of points in the image. The dependence of the area in each frame on time, having a quasiperiodic character, is shown in Fig.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.The daphnia heart rate was determined by the average value of the period of the indicated dependence and was ~ 6.2 Hz, and the amplitude was determined by the average value of the amplitude of the indicated dependence, which was 0.12 mm. The accuracy of calculating the amplitude and frequency can be improved by increasing the recording time of the image of the heart of daphnia.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет достоверно и с высокой точностью определять частоту сердцебиений дафнии, а также обеспечивает возможность измерения амплитуды сердцебиений дафнии.Thus, the proposed method allows reliably and with high accuracy to determine the heart rate of daphnia, and also provides the ability to measure the amplitude of the heart rate of daphnia.

Claims

A method for determining the frequency and amplitude of a daphnia heartbeat, including obtaining a sequence of video frames of an enlarged image of a daphnia heart and analyzing them, characterized in that the sequence of video frames is obtained in a field of view fixed with a microscope, video materials are introduced at a speed of 30 frames per second and the analysis is performed by frame processing sequences of video frames, for this, on each frame, the borders of the heart of Daphnia are distinguished, the area limited by the selected borders is determined, determined t is the dependence of the areas in each frame on time, the heart rate is determined by the average value of the period of the indicated dependence, and the amplitude is determined by the average value of the amplitude of the specified dependence.