Высокопроходимый анализ оптических картографических данных с помощью ElectroMap
4 июня 2019 г.
Этот протокол описывает настройку и использование ElectroMap, программной платформы с открытым исходным кодом MATLAB для анализа сердечных оптических картографических данных. ElectroMap предоставляет универсальный инструмент высокой пропускной связи для анализа оптического картографического напряжения и наборов данных кальция по широкому кругу экспериментальных моделей сердечного содействия.
Расширяется использование многофункциональных и оптических картографических технологий в кардиологических исследованиях. Однако в настоящее время не хватает надежного программного обеспечения с открытым исходным кодом с высокой пропускной способностью для анализа данных электрофизиологии. Вот почему мы разработали новое программное обеспечение под названием ElectroMap, чтобы помочь исследователям с их анализом.
ElectroMap включает в себя новые и установленные методы для анализа данных сердечного картирования, которые могут быть получены от любых видов с помощью нескольких различных камер, несколько различных флуоресцентных красителей, а также различные способы приобретения, включая оптическое картирование и много электродные системы массива. В дополнение к измерению стандартных параметров AP, таких как потенциальная продолжительность действия, проводящий анализ и морфология, ElectroMap позволяет проводить анализ и количественной оценки активности. Начните с загрузки всех файлов из последнего выпуска кода ElectroMap из репозитория GitHub.
Распаковать загруженное содержимое в нужное место. Откройте MATLAB и перейдите к местоположению папки с исходным кодом ElectroMap. Затем откройте файл электрокарты.
m и нажмите запустить в редакторе, чтобы начать интерфейс пользователя ElectroMap. Затем загрузите изображение, нажмите выберите папку и перейдите к местоположению файла данных или файлов, которые будут проанализированы. Выберите файл для загрузки из интерфейса и нажмите на изображения нагрузки.
После загрузки появится первый кадр, а красный контур будет указывать на автоматическое пороговое значение изображения. При желании измените это до порога, основанного на амплитуде курса времени сигнала, изменив параметр изображения для меню снижения порога. Обратите внимание, что после выбора порогового значения он применяется для всего стека изображений.
При желании измените параметр порога на ручной, который активирует ползунок для ручной настройки порога изображения. Кроме того, выберите пользовательский регион, представляющий интерес для анализа, выбрав соответствующие галочки ниже пороговых вариантов. Обратите внимание, что расширенные варианты выбора региона интересов, такие как количество областей, доступны из выбора roi из верхнего меню.
После применения соответствующего порога нажмите обработать изображения для применения обработки. На этом этапе убедитесь, что правильные настройки камеры были введены для частоты кадров и килогерца и размера пикселей в микрометрах и параметрах обработки сигналов, таких как таймфрейм окна, пространственная и временная фильтрация. После обработки файла проинспектировать пики среднего сигнала ткани, помеченного красными кругами.
Сегментация сигнала на основе обнаруженных пиков. Сигнал сегмента пресса. При желании примените пользовательскую сегментацию сигнала, увеличив время интереса и выбрав сигнал сегмента.
После обработки изображений кнопка «Карты производства» станет активной. Пресса создает карты для применения потенциальной продолжительности действия, времени активации, скорости проводимости и анализа соотношения сигнала к шуму. Выберите нужные сегменты из окна списка, чтобы применить анализ к каждому из них.
Далее выберите получить информацию о пикселях, чтобы увидеть подробный отображение сигнала с любого пикселя в изображении и сравнить пиксели с одновременно сюжетными сигналами из шести мест. Чтобы получить доступ к более детальному анализу скорости проведения, проводимости прессы. Затем нажмите один вектор для анализа проводимого с помощью метода единого вектора, где вектор градиента рассчитывается из времени инактивации задержки между двумя точками.
Наконец, нажмите локальный вектор, чтобы применить многовекторный метод с настройками, соответствующими тем из основного интерфейса. Кривая активации пресса для построения процента ткани, активированной в качестве функции времени. Для количественной оценки других параметров с помощью ElectroMap выберите один из других желаемых анализов из меню высадки над картой дисплея.
Нажмите единый анализ файлов, чтобы открыть специальный модуль для высокой пропускной способности и анализа проводимости каждого выявленного сегмента в файле. Выполните анализ либо по всему изображению, либо по выбранным регионам или точкам, представляющим интерес. Для экспорта данных с ElectroMap нажмите значения экспорта, чтобы сохранить значения отображаемой карты в основном пользовательском интерфейсе.
Затем нажмите на карту экспорта, чтобы привлечь всплывающее окно, содержащее отображаемую в настоящее время карту, которая затем может быть сохранена в различных форматах изображений. При желании добавьте цветовую планку, выбрав значок цветовой планки. Установите шкалу, выбрав редактировать затем цветную карту.
Наконец, нажмите видео активации, чтобы сделать анимацию последовательности активации, которая может быть сохранена в качестве анимированного файла GIF. Это показывает действие потенциальной морфологии муриновой атрии по сравнению с желудочков морской свинки, зарегистрированных с использованием чувствительных к напряжению красителей, как сообщалось ранее. Несмотря на различную форму потенциала действия и использование двух отдельных оптических картографических камер с разной частотой кадров и размерами пикселей, ElectroMap может быть использован для успешного анализа обоих наборов данных путем выбора соответствующих параметров.
Применение ансамбля усреднения вместо других методов может улучшить SNR от изолированных мурин левой атрии. Изменение частоты темпа от трех герц до 10 герц не изменило APD, когда не ансамбль усреднение осуществляется, но ожидаемое снижение APD на 10 герц ходить наблюдалось при измерении из ансамбля усредненных данных. Кроме того, мышь левая атрия были темп на 120 миллисекундной длины цикла и длина цикла была постепенно сокращена на 10 миллисекунд, пока она не достигла 50 миллисекунд.
ElectroMap автоматически определяет длину цикла темпа и средние пики групповой ткани соответственно. APD и диастолический интервал сокращены. Амплитуда оптически измеренных пиков уменьшилась, в то время как время до пика увеличилось.
Этот протокол показывает, как можно установить и настроить настройки в ElectroMap для того, чтобы быстро проанализировать потенциальную продолжительность действия, скорость проведения, пиково-пиковую изменчивость, а также как вы можете ансамбль среднем для того, чтобы улучшить отношение сигнала к шуму. Мы надеемся, что выпуск этого свободно доступного программного обеспечения поможет исследователям с их потребностями анализа и приведет к некоторым крупным открытиям в кардиологических исследованиях. Мы будем продолжать создавать любые алгоритмы, которые мы разработали, и мы призываем других, чтобы помочь нам дальнейшее расширение возможностей ElectroMap.
Обзор
В данном протоколе описывается установка и использование ElectroMap — программной платформы с открытым исходным кодом на базе MATLAB, предназначенной для анализа данных оптического картирования сердца. ElectroMap представляет собой универсальный высокопроизводительный инструмент для анализа наборов данных напряжения и кальция, полученных методом оптического картирования, для широкого спектра экспериментальных моделей сердца.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Электрофизиология сердца
- Оптическое картирование
- Разработка программного обеспечения
Теоретические основы
- Технологии многоэлектродного и оптического картирования все чаще применяются в кардиологических исследованиях.
- Существует потребность в надежном, высокопроизводительном программном обеспечении с открытым исходным кодом для анализа электрофизиологических данных.
- ElectroMap объединяет как новые, так и общепринятые методы анализа данных картирования сердца.
- Программное обеспечение поддерживает данные, полученные от различных видов организмов и с помощью различных способов регистрации.
Цель исследования
- Предоставить удобный инструмент для анализа данных оптического картирования сердца.
- Облегчить измерение параметров потенциала действия и анализ проведения.
- Улучшить соотношение сигнал/шум при анализе электрофизиологических данных.
Используемые методы
- Загрузите и установите ElectroMap из репозитория GitHub.
- Загрузите и обработайте изображения оптического картирования с помощью MATLAB.
- Примените автоматическое и ручное определение порога для анализа изображений.
- Выполните сегментацию и постройте карты для анализа потенциала действия.
Основные результаты
- ElectroMap успешно анализирует данные, полученные с помощью различных установок для оптического картирования.
- Длительность потенциала действия и скорость проведения импульса могут быть эффективно количественно определены.
- Ансамблевое усреднение улучшает отношение сигнал/шум при анализе данных.
- Поддерживаются пользовательская сегментация и детальный попиксельный анализ.
Выводы
- ElectroMap является ценным инструментом для исследователей в области сердечной электрофизиологии.
- Данное программное обеспечение улучшает анализ сложных наборов данных оптического картирования.
- Его открытый исходный код способствует доступности и сотрудничеству в исследовательской деятельности.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
ElectroMap отвечает потребности исследований в области сердечной электрофизиологии в надежном высокопроизводительном программном обеспечении с открытым исходным кодом, обеспечивая стандартизированный анализ сложных данных оптического картирования для различных видов и экспериментальных моделей. Благодаря повышению отношения сигнал/шум с помощью ансамблевого усреднения и поддержке автоматизированного анализа нескольких сокращений, платформа повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней и снижении механистических рисков в процессе разработки сердечно-сосудистых препаратов. Модульная архитектура программы облегчает ее интеграцию в рабочие процессы поиска новых лекарств, поддерживая разработку методов анализа и согласование трансляционных биомаркеров в доклинических моделях.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверять терапевтические гипотезы путем количественного определения длительности потенциала действия, скорости проведения и отношения сигнал/шум в многоклеточных препаратах сердца.
- Практическая ценность: Способствует снижению биологических рисков, обеспечивая воспроизводимые количественные электрофизиологические показатели для функциональной валидации мишеней.
- Прогностическая ценность: Облегчает сортировку портфеля препаратов за счет выявления электрофизиологических изменений, которые могут быть упущены при анализе одиночных сокращений, благодаря методу усреднения ансамбля.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических систем для последующих этапов анализа за счет стандартизации обработки данных оптического картирования и обеспечения возможности высокопроизводительного анализа всех экспериментальных записей.
- Практическая ценность: Решение вопросов стандартизации и воспроизводимости анализа с помощью автоматического определения частоты водителя ритма, сегментации сигнала и настраиваемых параметров предварительной обработки.
- Масштабируемость: Готовность к скринингу и возможность повторного использования платформы благодаря поддержке различных флуоресцентных красителей, режимов сбора данных и видоспецифических данных.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: Обсуждается значимость для патологии и согласование трансляционных биомаркеров за счет обеспечения детального исследования проведения, альтернации и последовательного анализа в моделях сердца.
- Доклиническая валидация: Описывается преемственность от этапа открытия до доклинической валидации путем количественной оценки острых реакций и вариабельности от сокращения к сокращению при изменении частоты стимуляции.
- Обоснованное продвижение с учетом рисков: Рассматриваются решения о продвижении с учетом рисков путем выявления электрофизиологических изменений, которые повышают качество сигнала в зашумленных наборах данных.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
ElectroMap встраивается в общий процесс разработки лекарственных средств — от этапа раннего поиска до идентификации соединений-лидеров и доклинических исследований, обеспечивая количественные электрофизиологические измерения, которые позволяют проверять гипотезы и снижать биологические риски.
- Открывающая биология (Discovery Biology): объясняет, как данный метод способствует проверке гипотез, уточнению сигнальных путей или снижению биологических рисков посредством анализа динамики напряжения и кальция в сердечной ткани.
- Скрининг: описывает готовность анализа, воспроизводимость или количественные показатели, если они представлены в статье, включая продолжительность потенциала действия, скорость проведения импульса и картирование отношения сигнал/шум.
- Аналитика: освещает измерения, показатели или статистические данные, помогающие сравнивать условия, такие как вариабельность пик-пик и изменения диастолического интервала при различных частотах стимуляции.
- Трансляционные исследования: связывает метод с доклинической преемственностью или согласованием биомаркеров (только если это подтверждается в источнике) с помощью специальных модулей для анализа проведения и альтернации.
- Корпоративное повторное использование: представляет метод как многократно применимую возможность, а не как одноразовую технику, подчеркивая его открытый исходный код и адаптивность к различным экспериментальным моделям.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности, валидация мишеней, устранение неопределенности в механизмах электрофизиологии сердца.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость анализа данных оптического картирования между различными лабораториями и моделями.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), эффективность использования капитала и снижение биологических рисков на поздних этапах за счет повышения качества сигнала и обнаружения тонких электрофизиологических изменений.
- Влияние на портфель: Приоритизация и принятие решений о продвижении проектов с учетом рисков на основе воспроизводимого высокопроизводительного электрофизиологического профилирования.
Особенности реализации
- Необходим соответствующий уровень научных знаний в области программных сред на базе MATLAB и принципов электрофизиологии сердца.
- Требования к приборному и аналитическому оснащению включают системы оптического картирования, флуоресцентные красители и совместимое оборудование для сбора данных.
- Необходимость стандартизации между исследовательскими группами для обеспечения единообразия пороговых значений, выбора областей интереса и определений параметров для разных пользователей и центров.
- Вопросы адаптации для различных модельных систем, включая видоспецифическую частоту кадров, размер пикселя и варианты обработки сигналов.
- Практические ограничения, указанные в исходных материалах: зависимость от правильных настроек камеры для частоты кадров и килогерц, а также необходимость ручной корректировки порога в случаях, когда автоматические методы оказываются недостаточными.
