Semi-automático de análise de pulsação óptica de pequenos corações

Olá, sou Karen er. Olá, sou Anthony Kado e fazemos parte do programa de Desenvolvimento e Envelhecimento no Burnham Institute for Medical Research. Vamos demonstrar nosso programa de análise semi-automatizada de batimentos cardíacos para compreender e quantificar parâmetros cardíacos em sistemas modelo com corações pequenos.

Este é um filme em alta velocidade de um coração de drosófila batendo. Informações sobre a morfologia cardíaca e a contratilidade podem ser obtidas medindo os diâmetros cardíacos durante os ciclos de contração e relaxamento. Para isso, as bordas do coração precisam ser identificadas e marcadas durante a diástole e a sístole máximas.

No painel de pré-processamento, selecione o filme ou os filmes que deseja analisar. Vamos selecionar o filme que você acabou de ver de um coração de uma mosca jovem. As gravações ópticas podem ser avançadas em velocidades lentas e até mesmo quadro a quadro, permitindo a identificação precisa dos quadros em que ocorrem a contração e o relaxamento máximos do coração.

Faça um par de marcas para identificar essas bordas. Avance o vídeo até um quadro em que o coração esteja completamente contraído. Faça outro par de marcas para identificar as bordas sistólicas.

Podem ser feitas marcas em duplicata em diferentes localizações horizontais. Ao longo do coração, os diâmetros cardíacos obtidos aqui serão utilizados para calcular a fração de encurtamento percentual, que fornece uma estimativa da contratilidade do coração. Esta medida representa o grau em que as bordas do coração se movem uma em direção à outra durante uma contração.

O percentual de encurtamento fracionário é calculado como a diferença entre os diâmetros diastólico e sistólico dividida pelo diâmetro diastólico, e essa fração é multiplicada por 100. Para esta mosca selvagem, o percentual de encurtamento fracionário é de 45%. Aqui está um exemplo de um coração de uma mosca que possui uma mutação na proteína muscular miosina em comparação com o coração de mosca selvagem que você acabou de ver. Este coração é visivelmente mais estreito.

Além disso, ele não se contrai tanto quanto o coração do tipo selvagem. Deve ficar claro pelas posições das bordas marcadas que este coração também não consegue relaxar tão bem quanto o coração da mosca jovem do tipo selvagem. A porcentagem de encurtamento fracional, calculada a partir dos diâmetros medidos aqui, é de apenas 15%, um valor drasticamente menor do que o obtido para o coração da mosca do tipo selvagem.

Os pontos identificados neste módulo são utilizados apenas para as medições de diâmetro e encurtamento fracionado e não são usados para a detecção de movimento. A detecção de movimento é feita automaticamente pelo programa e utiliza dois algoritmos diferentes para analisar o movimento em cada vídeo. O primeiro algoritmo é o algoritmo de escuridão média do quadro, que emprega uma abordagem quadro a quadro.

A intensidade geral de escuridão é calculada para um quadro inteiro do vídeo. Os valores são normalizados para um intervalo entre zero e um, e os valores são plotados para cada quadro do vídeo. O segundo método de detecção de movimento é o algoritmo pixel a pixel, que calcula a intensidade de escuridão para cada pixel em um quadro de vídeo e, em seguida, compara esses valores com os do quadro seguinte.

Esta é a saída para um filme do coração de uma mosca jovem com uma semana de idade. Embora a detecção de movimento seja realizada automaticamente, a saída deve ser verificada quanto à precisão. A saída de cada um dos dois algoritmos de detecção de movimento é exibida neste módulo, com a saída média de escuridão apresentada acima da janela de saída pixel a pixel.

Para garantir que os intervalos de detecção estejam de acordo com o movimento observado no filme real, o programa exibe um rastro de borda ou modo M gerado diretamente a partir dos quadros analisados, logo abaixo das janelas de saída do algoritmo. O modo M é criado digitalmente cortando fatias com largura de um pixel através do coração em cada quadro do filme e alinhando-as horizontalmente, fornecendo uma imagem instantânea dos movimentos das bordas cardíacas ao longo do tempo. Na janela pixel a pixel, os intervalos diastólicos identificados são indicados por uma linha horizontal verde, com o número de quadros que contribuem para aquele intervalo.

Acima dos intervalos sistólicos são identificados como o intervalo entre duas diástoles sucessivas. O início de uma sístole é indicado no modo M por uma linha vertical azul, e o fim é indicado por uma linha vertical vermelha. Com esta exibição, é relativamente fácil verificar se a saída do algoritmo está de acordo com os movimentos cardíacos reais.

Para este coração, os intervalos de contração identificados pelo programa coincidem com a contração observada no traçado em modo M, portanto essa saída é aceita. Aqui está a saída de um vídeo obtido de um coração de uma mosca relativamente idosa. A saída do algoritmo pixel a pixel não coincide com o padrão de contração observado no modo M.

Isso ocorre porque as contrações cardíacas são mais sustentadas do que em moscas mais jovens. O algoritmo detecta tanto o movimento de contração quanto o movimento de relaxamento e interpreta esses dois movimentos como batimentos separados. Nesse caso, podemos adicionar informações do algoritmo de escuridão média do quadro clicando na caixa de seleção de escuridão utilizada.

Isso permite que o programa identifique todo o intervalo de contração como um único evento, utilizando corretamente as informações do algoritmo de escuridão média dos quadros, identificando alguns, mas não todos, os eventos de contração. Isso ocorre porque uma flutuação de baixa frequência subjacente na escuridão coloca alguns dos picos de contração fora da janela utilizada para identificar os picos. Essa onda lenta pode ser eliminada com o uso de um filtro passa-alta integrado.

Uma vez que todos os picos estejam dentro da janela, o programa identifica corretamente todos os intervalos de contração. Neste momento, você pode aceitar a saída do algoritmo clicando em dados.Okay. Se, após verificar a caixa de escuridão utilizada e aplicar os filtros, a saída do algoritmo não puder ser conciliada com a função cardíaca real exibida no modo M.

Certifique-se de clicar em descartar dados. Isso evita que números incorretos sejam incluídos no seu conjunto de dados. Uma vez que a saída para um determinado vídeo tenha sido aceita, o programa pode ser instruído a usar essas informações para calcular automaticamente uma série de parâmetros.

A saída estatística é fornecida individualmente para cada filme, e esses dados estão localizados na pasta de estatísticas do FHM. No arquivo do filme. Subdiretórios de estatísticas para os dados completos também são gerados, e essas informações estão localizadas na pasta de visão geral do FHM.

Essas informações são fornecidas na forma de um arquivo de valores separados por vírgulas chamado overview csv. Esse arquivo pode ser aberto na maioria dos programas de planilha eletrônica, como o Microsoft Excel. As estatísticas de saída incluem a frequência cardíaca, o período cardíaco, os intervalos diastólico e sistólico, os diâmetros do coração durante a diástole e a sístole e a porcentagem de encurtamento fracional.

O programa possui um módulo de histograma de atualização, que exibirá todos os dados sobre os intervalos cardíacos de um conjunto de dados no formato de histograma. Como as frequências cardíacas tendem a variar de animal para animal, os dados são normalizados. Como a distribuição dos intervalos de período cardíaco não é simétrica em torno da média, utilizamos o valor do intervalo mediano para a normalização.

Os valores de todos os intervalos entre batimentos cardíacos no conjunto de dados também são fornecidos como um arquivo TXT que pode ser importado para uma planilha. Essa funcionalidade mostrou-se muito útil para demonstrar diferenças na ritmicidade entre corações de moscas do tipo selvagem e corações de moscas com mutações em um canal de potássio. A distribuição de todos os intervalos medidos foi muito dispersa nos mutantes em comparação com os controles.

Esta é uma das várias maneiras pelas quais tentamos quantificar a arritmia cardíaca em nosso programa. O módulo modo M gera um rastro de borda, também chamado de modo M, que mostra o movimento das bordas do coração ao longo do tempo. Aqui apresentamos rastros de modo M de cinco segundos de um coração de drosófila selvagem, dois corações de drosófila com mutações na proteína muscular miosina e um coração de larva de peixe-zebra.

Os modos M são úteis para mostrar qualitativamente qual é o padrão de contração de um coração ao longo do tempo. Aqui, um modo M está sendo gerado a partir de um filme feito de um coração.

Em uma larva de peixe-zebra em desenvolvimento, podemos alterar a linha de pixels que será usada para produzir o modo M clicando em diferentes locais na imagem. Uma pré-visualização do modo M nesse local é então exibida. Uma vez identificado um local adequado, você pode escolher quantos dos quadros deseja incluir ou simplesmente escolher a duração do tempo.

Aqui selecionaremos 10 segundos. O modo M é produzido como um arquivo TIFF localizado no subdiretório do modo FHMM. O módulo de filme de movimento produz automaticamente uma versão desacelerada de 22 segundos de qualquer filme analisado, mostrando todos os pixels identificados como alterados em vermelho.

Este recurso é utilizado principalmente com fins ilustrativos. Esses filmes estão localizados no subdiretório de filmes de movimento FHM. Este é o filme de movimento obtido do coração original da mosca jovem que utilizamos no início deste vídeo.

Esse sistema analítico pode ser aplicado a filmes de alta velocidade de outros modelos com corações pequenos, como o coração embrionário de camundongo. Este é um filme de um coração de um embrião de camundongo com oito dias de idade. O tamanho reduzido dificulta a análise por meio de metodologias tradicionais com a nossa metodologia.

Os mesmos parâmetros que foram quantificados para o coração da mosca também podem ser obtidos para o coração do camundongo. Acabamos de mostrar como usar nosso programa de análise óptica cardíaca semi-automatizado. Lembre-se de, ao realizar esta análise, clicar em descartar dados se o programa não identificar com precisão todas as batidas cardíacas no seu vídeo; no entanto, para aquelas que forem identificadas com precisão, o programa calculará os parâmetros de cada batimento no vídeo e fornecerá uma grande quantidade de informações sobre a função cardíaca em seu sistema modelo.

Então é isso. Obrigado por assistir. Boa sorte com sua análise.