Name: Półautomatyczna optyczna analiza bicia serca małych serc (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-09-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 10 s
Description: Poznaj półautomatyczną optyczną analizę bicia serca SOHA dla fizjologii układu krążenia z wykorzystaniem Drosophila, Danio rerio i serc mysich. Ta metoda umożliwia badaczom precyzyjne pomiary morfologii i kurczliwości serca.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

KO i AC są wspierani przez grant i stypendium z American Heart Association. SIB i RB są wspierani przez granty z NIH.

<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1435/SOHA_overview.pdf">Kliknij tutaj, aby przejrzeć opis procedury półautomatycznej analizy rytmu serca (SOHA).</a>
Półautomatyczna optyczna analiza tętna
1. Obróbka wstępna -
Ten etap dostarcza informacji na temat rozkurczowej i skurczowej średnicy serca.
Krawędzie serca są identyfikowane i zaznaczane podczas maksymalnego rozkurczu i skurczu. Nagrania optyczne można odtwarzać z niską prędkością, a nawet klatka po klatce, co pozwala na precyzyjne zidentyfikowanie klatek, w których następuje maksymalny skurcz i rozkurcz serca. Wykonuje się jedną parę oznaczeń wskazujących krawędzie w rozkurczu oraz jedną parę wskazującą krawędzie w skurczu. Oznaczenia można również wprowadzać podwójnie w różnych poziomach wzdłuż serca.
Średnice serca uzyskane na tym etapie służą również do obliczenia dodatkowego parametru, który pozwala oszacować kurczliwość serca. Miarą tą jest procentowe skrócenie frakcyjne (%FS), które określa zakres, w jakim krawędzie serca zbliżają się do siebie podczas skurczu. Wzór stosowany do obliczenia %FS to:
(((średnica rozkurczowa - średnica skurczowa)/średnica rozkurczowa) x 100)
Uwaga – punkty zidentyfikowane w tym zestawie służą wyłącznie do pomiarów średnicy i skrócenia frakcyjnego i nie są wykorzystywane do wykrywania ruchu.
Przykład: U Drosophila mutacje punktowe w domenie transduktora ciężkiego łańcucha miozyny, regionie znanym z modulowania aktywności enzymatycznej silnika molekularnego, prowadzą do powstania serc rozszerzonych lub zwężonych, w zależności od tego, czy hamują one, czy nasilają aktywność ATPase miozyny (Cammarato, et al. 2008). Tego rodzaju pomiary nie mogą być wykonywane u nienaruszonych much, ponieważ zazwyczaj nie jest możliwe zidentyfikowanie krawędzi serca wzdłuż całej długości rurki serca przez kutykulę i tłuszcz (porównać tryby M dla Wildtype, D45 i Mhc5 na poniższym „Rysunku trybu M”), które normalnie otaczają serce. Pomiary wykonywane podczas wizualizacji serca u nienaruszonych much przy użyciu innych powszechnie stosowanych metod są zazwyczaj ograniczone do najbardziej przedniej części serca, czyli regionu komory stożkowej. Nie jest również możliwe uzyskanie takiego pomiaru dynamicznego w utrwalonej tkance.
2. Detekcja ruchu-
Ten krok jest wykonywany automatycznie przez program i wykorzystuje dwa różne algorytmy do analizy ruchu w każdym filmie. W skrócie, pierwszy algorytm, tzw. algorytm „średniej ciemności klatki” (Average Frame Darkness), stosuje podejście klatka po klatce. Algorytm ten oblicza średnią intensywność ciemności dla całej klatki filmu, normalizuje tę wartość do przedziału od 0 do 1 i nanosi na wykres znormalizowaną średnią dla każdej klatki filmu w funkcji czasu. Drugie podejście, algorytm „piksel po pikselu” (Pixel by Pixel), analizuje zmianę ciemności wszystkich poszczególnych pikseli z jednej klatki do następnej. Piksele wykazujące zmiany intensywności powyżej zadanego progu są sumowane dla każdej klatki i naniesione na wykres dla każdej klatki filmu w funkcji czasu.
3. Interwały kontrolne-
Wyniki z dwóch algorytmów detekcji ruchu są wyświetlane w tym module, przy czym wynik „Average Darkness” prezentowany jest w oknie powyżej okna wyniku „Pixel by pixel”. Aby upewnić się, że przedziały detekcji są zgodne z ruchem w rzeczywistym filmie, bezpośrednio poniżej okien wyników algorytmów wyświetlamy ślad krawędzi lub obraz w trybie M (M-mode) utworzony z analizowanych klatek. Obraz M-mode powstaje poprzez cyfrowe wycinanie z każdej klatki filmu plastrów o szerokości jednego piksela przechodzących przez serce i ustawianie ich poziomo, co zapewnia przekrój ruchów krawędzi serca w czasie. W oknie „Pixel by pixel” zidentyfikowane przedziały rozkurczowe są oznaczone poziomą zieloną linią, a bezpośrednio nad nią znajduje się liczba klatek wchodzących w skład tego przedziału. Przedziały skurczowe są identyfikowane jako odstęp między dwoma następującymi po sobie rozkurczami. Początek skurczu w trybie M-mode jest zaznaczony pionową niebieską linią, a koniec – pionową czerwoną linią. Dzięki takiemu sposobowi wyświetlania stosunkowo łatwo jest ocenić, czy wyniki algorytmu są zgodne z rzeczywistymi ruchami serca.
Choć detekcja ruchu odbywa się automatycznie, wynik należy sprawdzić pod kątem dokładności. Wynika to z kilku przyczyn; jedną z nich jest często występująca w tle powolna fluktuacja poziomu światła, niezwiązana z ruchem serca. Można ją zazwyczaj wyeliminować za pomocą wbudowanego filtra górnoprzepustowego. Druga przyczyna wiąże się z czułością podejścia „Pixel by pixel”. Wynikiem działania tego algorytmu są zazwyczaj dwa ślady ruchu: jeden dla skurczu, a drugi dla rozkurczu. U starszych much oraz u niektórych mutantów czas pomiędzy tymi dwoma ruchami ulega wydłużeniu, przez co program próbuje zinterpretować je jako dwa oddzielne uderzenia. Można to skorygować, prosząc program o porównanie wyników algorytmu Pixel by Pixel z wynikami algorytmu Average Frame Darkness poprzez zaznaczenie pola „Use darkness”.
Przykład (patrz w filmie): U much w wieku od 5 do 7 tygodni odstępy skurczowe są zazwyczaj znacznie dłuższe niż u młodych much. Te długie odstępy są początkowo wykrywane jako dwa oddzielne skurcze przedzielone krótkim rozkurczem. Można to skorygować, zaznaczając pole wyboru „Use darkness”. W takim przypadku program porówna odstęp rozkurczowy zidentyfikowany przez algorytm Pixel by Pixel z wynikiem Average Frame Darkness. Jeśli wynik Average Frame Darkness ma wartość dodatnią, każdy odstęp rozkurczowy zidentyfikowany w algorytmie Pixel by Pixel zostanie zignorowany, a odstępy zostaną określone prawidłowo. Cały film można skanować w 10-sekundowych segmentach i akceptować (klikając „Data OK”) lub odrzucać (klikając „Discard Data”). Czułość filtrów górno- i dolnoprzepustowych (Hi and Lo pass filter) można dostosować ręcznie, aby dokładniej zdefiniować odstępy skurczowe przy zastosowaniu algorytmu Darkness.
4. Statystyki wyjściowe-
Po zaakceptowaniu wyników dla danego filmu program wykorzysta te informacje do automatycznego obliczenia szeregu parametrów. Obejmują one odstępy rozkurczowe i skurczowe, okres pracy serca i częstość akcji serca, kierunek i prędkość fali skurczu, średnice serca oraz %FS. Dodatkowo program posiada wiele metod ilościowego określania arytmii odzwierciedlających nierównomierne cykle skurczu i rozkurczu (patrz Fink et al, 2009). Wyniki statystyczne są dostarczane dla każdego filmu z osobna oraz dla całego zestawu danych w formie pliku wartości rozdzielonych przecinkami (.csv), który można otworzyć w programach do arkuszy kalkulacyjnych, takich jak Microsoft Excel.
Tabela 1- 
<img src="/files/ftp_upload/1435/1435table1.jpg" alt="tabela 1" /> Przykład wyników wygenerowanych przez program Semi-automated Optical Heart Analysis.
5. Aktualizacja histogramów- 
Ta część programu wyświetla wszystkie dane dotyczące odstępów między uderzeniami serca dla danego zestawu danych w formie histogramu. Ponieważ częstość akcji serca jest zmienna, normalizujemy dane wyjściowe histogramu. Jednak ze względu na to, że rozkład odstępów nie jest symetryczny względem średniej, do normalizacji wykorzystujemy medianę wartości odstępów.
Przykład (patrz wideo): Muchy z mutacją kanału potasowego KCNQ wykazują niezwykle nieregularne odstępy rozkurczowe i skurczowe. Zazwyczaj odstępy skurczowe są znacznie dłuższe i bardziej nieregularne niż u much dzikich w tym samym wieku. Można to wyraźnie zauważyć, prezentując dane w formie histogramu (patrz również Ocorr et al. 2007).
6. Tryb M-
Ten moduł generuje tryby M, które można utworzyć z dowolnej pozycji wzdłuż serca w klatce filmu. Można również określić długość trybu M. Tryby M są przydatne do jakościowego przedstawienia pracy serca w filmie.
Przykład (patrz w wideo): Film przedstawiający serce 3-dniowej larwy zebrafish z widoczną przednią częścią komory, która służy do wygenerowania obrazu w trybie M. Pionowy wycinek pikseli, który zostanie elektronicznie wycięty z każdej klatki filmu, zaznaczono czerwoną linią.
Rycina M-mode: Przykłady obrazowania w trybie M u muszki owocówki (Drosophila) i rybki zebrafish. Jedna z omówionych w kroku wstępnego przetwarzania mutacji miozyny prowadzi do powstania silnika molekularnego o szybszej kinetyce enzymatycznej, co skutkuje restrykcją serca, a sporadycznie blokiem przewodzenia. Oba parametry można przedstawić jakościowo za pomocą trybu M. <img src="/files/ftp_upload/1435/1435fig1.jpg" alt="Przykłady trybu M" /> Obrazowanie w trybie M wykonane w tym samym obszarze serca u much dzikich i mutantów wyraźnie pokazuje fenotyp restrykcyjny u mutanta Mhc5 oraz powiększone średnice i arytmiczne cykle skurczów u mutanta D45 (który wykazuje ekspresję miozyny o obniżonej kinetyce enzymatycznej) (zmodyfikowano na podstawie Cammarato et al., 2008).
Tryb M wykonany z serca larwy Zebrafish, pokazujący przednią część komory (ten sam film z sercem, który zaprezentowano w demonstracji, Fink et.al. 2009).
7. Film Red Dot-
Ten moduł automatycznie generuje spowolnioną (1:4), 20-sekundową wersję analizowanego filmu, w której wszystkie piksele zidentyfikowane jako zmieniające się są zaznaczone na czerwono. Funkcja ta służy przede wszystkim do celów ilustracyjnych.
Film 1 - „Film z czerwonymi kropkami” przedstawiający piksele, w których algorytmy programu zidentyfikowały zmiany intensywności zaciemnienia, zaznaczone kolorem czerwonym. Prędkość filmu została zmniejszona czterokrotnie w stosunku do oryginału. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1435/redmove.avi">Kliknij tutaj, aby pobrać Film 1.</a>
8. Dodatkowe zastosowania-
Zaczęliśmy stosować ten system analityczny do filmów wysokich prędkości innych modeli z małymi sercami, które często są trudne do analizy przy użyciu tradycyjnej metodologii. Z sukcesem zastosowaliśmy tę analizę zarówno do serc larwalnych danio pręgowanego, jak i do embrionalnych serc myszy (Fink et al, 2009).
Film 2 - Film przedstawiający serce myszy wraz z ryciną interwałów kontrolnych i wynikiem danych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1435/Mouse%20heart%20clip%201.avi">Kliknij tutaj, aby pobrać Film 2.</a> <img src="/files/ftp_upload/1435/1435fig2.jpg" alt="Kontrola interwałów serca myszy" />

<ol><li>Cammarato, A., Dambacher, C. M., Reedy, M. C., Knowles, A. F., Kronert, W. A., Bodmer, R., Ocorr, K., Bernstein, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Myosin+Transducer+mutations+differentially+affect+motor+function%2C+myofibril+structure%2C+and+the+performance+of+skeletal+and+cardiac+muscles%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Biol+Cell%22%5BJournal%5D)">Myosin Transducer mutations differentially affect motor function, myofibril structure, and the performance of skeletal and cardiac muscles.</a> Mol Biol Cell. 19 (2), 553-562 (2008).</li>
<li>Ocorr, K., Reeves, N., Wessells, R. J., Fink, M., Chen, H. -S. V., Akasaka, T., Yasuda, S., Metzger, J., Giles, W., Posakony, J. W., Bodmer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((KCNQ+potassium+channel+mutations+cause+cardiac+arrhythmias+in+Drosophila+that+mimic+the+effects+of+aging%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">KCNQ potassium channel mutations cause cardiac arrhythmias in Drosophila that mimic the effects of aging.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 3943-3948 (2007).</li>
<li>Fink, M., Callol-Massot, C., Chu, A., Ruiz-Lozano, P., Izpisua Belmonte, J. C., Giles, W., Bodmer, R., Ocorr, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+method+for+the+detection+and+quantification+of+heartbeat+parameters+in+Drosophila%2C+zebrafish+and+embryonic+mouse+hearts%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechniques%22%5BJournal%5D)">A new method for the detection and quantification of heartbeat parameters in Drosophila, zebrafish and embryonic mouse hearts.</a> Biotechniques. 46, 101-113 (2009).</li>
</ol>

Autorzy nie zgłaszają żadnych konfliktów interesów.

Model Drosophila okazał się potężnym narzędziem genetycznym, które wykorzystywano do badania różnorodnych kwestii naukowych, od rozwoju embrionalnego po procesy uczenia się i pamięć. Ostatnio ten wszechstronny organizm modelowy został zastosowany do badania genetyki funkcji serca. Wiele prób ilościowej oceny fizjologii serca u dorosłych Drosophila opierało się na obserwacjach przeprowadzanych u nienaruszonych much poprzez kutykulę odwłoka. Większość tych podejść opiera się na obserwacji wizualnej lub rejestracji zmian na...

<table><tbody><tr><td>Oprogramowanie MatLab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Wymagane środowisko dla oprogramowania analitycznego.</td></tr><tr><td>Cyfrowa kamera EM-CCD</td><td>Hamamatsu Corp.</td><td>9100 lub 9300</td><td>Inne szybkie kamery cyfrowe również będą odpowiednie.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do akwizycji danych obrazowych HC</td><td>Hamamatsu Corp.</td><td></td><td>Inne oprogramowanie do akwizycji obrazu, które generuje pliki wideo w formacie avi, również będzie odpowiednie.</td></tr><tr><td>Mikroskop świetlny z obiektywem 10x</td><td>Leica Microsystems</td><td></td><td>Zastosowanie obiektywu immersyjnego, który eliminuje granicę faz powietrze-woda, znacznie poprawia rozdzielczość</td></tr></tbody></table>

półautomatyczna optyczna analiza rytmu serca w przypadku małych serc

Semi-automated Optical Heartbeat Analysis of Small Hearts

Opracowaliśmy metodę analizy szybkich zapisów optycznych zDrosophila, serca danio pręgowanego oraz embrionalne serca myszy (Fink, et. al., 2009). Nasza metoda Półautomatycznej Optycznej Analizy Tętna (SOHA) wykorzystuje nowatorski algorytm detekcji ruchu, który jest w stanie wykryć ruchy serca związane z poszczególnymi zdarzeniami skurczowymi i rozkurczowymi. Program dostarcza szereg fizjologicznie istotnych odczytów, w tym odstępy skurczowe i rozkurczowe, częstość akcji serca, a także jakościowe i ilościowe miary arytmii tętna. Program oblicza również pomiary średnicy serca podczas rozkurczu i skurczu, na podstawie których wyliczane są procentowe skrócenie frakcyjne oraz zmiany powierzchni frakcyjnej. Wyniki są dostarczane w formie pliku cyfrowego kompatybilnego z większością programów do arkuszy kalkulacyjnych. Pomiary są dokonywane dla każdego uderzenia serca w zapisie, co zwiększa moc statystyczną wyników. Prezentujemy każdy z etapów wymagających wprowadzenia danych przez użytkownika oraz pokazujemy zastosowanie naszej metodologii w analizie funkcji serca we wszystkich trzech genetycznie modyfikowalnych modelach serca.

Opracowaliśmy półautomatyczną metodę optycznej analizy bicia serca (SOHA) do analizy szybkich nagrań optycznych z serc Drosophila, rybek danio oraz embrionów myszy. Prezentujemy zastosowanie naszej metodologii w analizie funkcji serca muszki owocowej oraz embrionów myszy.

Półautomatyczna optyczna analiza rytmu serca w przypadku małych serc

Opracowaliśmy metodę analizy szybkich rejestracji optycznych z serc *Drosophila*, rybek danio oraz myszy w stadium zarodkowym (Fink, et al., 2009). Nasz ...

Witam, jestem Karen er. Witam, jestem Anthony Kado i jesteśmy częścią programu Rozwoju i Starzenia w Burnham Institute for Medical Research. Zaprezentujemy nasz półautomatyczny program analizy bicia serca, służący do zrozumienia i ilościowego określenia parametrów bicia serca w systemach modelowych z małymi sercami.Jest to film w wysokiej prędkości obrazowania przedstawiający bijące serce muszki owocówki. Informacje o morfologii i kurczliwości serca można uzyskać poprzez pomiar średnic serca podczas cykli skurczu i rozkurczu. Aby to osiągnąć, krawędzie serca muszą zostać zidentyfikowane i zaznaczone podczas maksymalnego rozkurczu i skurczu.W oknie wstępnej obróbki wybierz film lub filmy, które chcesz przeanalizować. Wybierzemy film z sercem młodej muszki, który przed chwilą był prezentowany. Nagrania optyczne można odtwarzać z niską prędkością, a nawet klatka po klatce, aby umożliwić precyzyjną identyfikację klatek, w których następuje maksymalny skurcz i rozkurcz serca.Wykonaj jedną parę oznaczeń, aby zidentyfikować te krawędzie. Przewiń film do klatki, w której serce jest maksymalnie skurczone. Wykonaj kolejną parę oznaczeń, aby zidentyfikować krawędzie w fazie skurczu.Znaki mogą

semi-automated-optical-heartbeat-analysis-of-small-hearts

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Półautomatyczna analiza optycznego tętna małych serc

Niniejszy artykuł opisuje technikę o wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej do obrazowania optycznego przemieszczania się potencjału czynnościowego na powierzchni serca szczura perfundowanego metodą Langendorffa z wykorzystaniem barwnika potencjometrycznego (di-8-ANEPPS).

Mapowanie optyczne serc szczurzych perfundowanych metodą Langendorffa

Niniejszy artykuł opisuje podstawowe procedury przeprowadzania eksperymentów mapowania optycznego w sercu królika perfundowanym metodą Langendorffa z wykorzystaniem panoramicznego systemu obrazowania oraz podwójnej modalności obrazowania (napięciowego i wapniowego).

Multiparametryczne mapowanie optyczne serca królika perfundowanego metodą Langendorffa

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje procedurę sekcji, konfigurację aparatury oraz warunki eksperymentalne podczas mapowania optycznego potencjału błonowego (Vm) i wewnątrzkomórkowych przejściowych zmian stężenia wapnia (CaT) w nienaruszonych, izolowanych sercach myszy perfundowanych metodą Langendorffa.

Mapowanie optyczne potencjałów czynnościowych i przejściowych zmian stężenia wapnia w sercu myszy

W sercu, zdarzenia molekularne koordynują funkcję elektryczną i kurczliwą narządu. Zaprezentowany tu zestaw technik mikroskopii fluorescencyjnej pola lokalnego umożliwia rejestrację zmiennych komórkowych w nienaruszonych sercach. Identyfikacja mechanizmów definiujących czynność serca ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jak serce działa w sytuacjach patologicznych.

Mikroskopia fluorescencyjna w polu lokalnym: obrazowanie sygnałów komórkowych w nienaruszonych sercach

Tutaj przedstawiamy metodę użycia wewnątrzkomorowego cewnika optycznego w perfundowanych sercach do wykonywania spektroskopii absorbancji przez ścianę serca. Uzyskane dane dostarczają solidnych informacji na temat napięcia tlenu w tkankach, a także wykorzystania substratu i potencjału błonowego jednocześnie z pomiarami wydolności serca w tym wszechobecnym preparacie.

Wewnątrzsercowy cewnik świetlny do bocznego zapłonu do monitorowania metabolizmu komórkowego za pomocą przezściennej spektroskopii absorpcji perfundowanych serc ssaków

Celem tego badania było ustalenie metody badania dynamiki serca za pomocą translacyjnego modelu zwierzęcego. Opisane podejście eksperymentalne obejmuje optokardiografię podwójnej emisji w połączeniu z badaniem elektrofizjologicznym w celu oceny aktywności elektrycznej w izolowanym, nienaruszonym modelu serca świni.

Badania optokardiograficzne i elektrofizjologiczne serca perfundowanego ex vivo Langendorffem

Przedstawiamy metodę mezoskopowej rekonstrukcji całego serca myszy poprzez połączenie nowych osiągnięć w transformacji tkanek i barwieniu z rozwojem osiowo skanowanego mikroskopu świetlnego.

Mezoskopowe obrazowanie optyczne całego serca myszy

Ten protokół wprowadza dwubarwne optyczne mapowanie serc myszy uzyskanych od zwierząt typu dzikiego i knock-in dotkniętych katacholaminergicznym polimorficznym częstoskurczem komorowym, w tym elektrofizjologiczne pomiary napięcia transbłonowego i wewnątrzkomórkowych stanów przejściowych Ca2+ o wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej.

Podwójnie barwnikowe mapowanie optyczne serc z myszy RyR2R2474S Knock-In z kataecholaminergicznym polimorficznym częstoskurczem komorowym

Protokół wykorzystuje zaawansowaną mikroskopię świetlną wraz z dostosowanymi metodami oczyszczania tkanek do badania skomplikowanych struktur serca w sercach gryzoni, co ma ogromny potencjał dla zrozumienia morfogenezy i przebudowy serca.

Obrazowanie w arkuszach świetlnych w celu ujawnienia struktury serca w sercach gryzoni

Ten protokół przedstawia kompleksowy potok do analizy próbek pobranych z ludzkich serc, które obejmują mikroskopijne i makroskopowe skale.

Rurociąg do wieloskalowych trójwymiarowych badań anatomicznych ludzkiego serca

Poznaj półautomatyczną optyczną analizę bicia serca SOHA dla fizjologii układu krążenia z wykorzystaniem Drosophila, Danio rerio i serc mysich. Ta metoda umożliwia badaczom precyzyjne pomiary morfologii i kurczliwości serca.

Półautomatyczna optyczna analiza rytmu serca w przypadku małych serc

Przeglądaj więcej filmów