多功能細(xì)胞微生理計的軟件與算法設(shè)計.pdf

1、細(xì)胞傳感器是將固定化的生物活體細(xì)胞在外界刺激下產(chǎn)生的電化學(xué)變化轉(zhuǎn)換成電系統(tǒng)可以檢測到的電信號的這樣一種裝置，它由兩級換能器組成，第一級換能器即前述的生物活體細(xì)胞，第二級換能器是被細(xì)胞所貼附的半導(dǎo)體器件。根據(jù)細(xì)胞傳感器檢測的細(xì)胞生理參數(shù)的不同，常見的二級換能器有微電極陣列(Microelectrodes Array，MEA)，細(xì)胞阻抗傳感器(Electric Cell-substrateImpedance Sensor, ECIS)，光尋

2、址細(xì)胞電位傳感器(Light AddressablePotentiometric Sensor, LAPS)等。在進(jìn)行細(xì)胞生理實(shí)驗(yàn)時，傳統(tǒng)的細(xì)胞微生理參數(shù)檢測儀器只能檢測細(xì)胞的單一生理參數(shù)的變化，對細(xì)胞生理活動機(jī)制的揭示并不全面，為此研制了一種多功能集成細(xì)胞傳感器芯片，并基于該芯片開發(fā)了一套多功能細(xì)胞微生理計器，本文的主要任務(wù)是介紹針對該自動分析儀的軟件系統(tǒng)。
　　 軟件系統(tǒng)集成了MEA、ECIS、LAPS三個細(xì)胞生理參數(shù)的檢測

3、模塊、樣本的流路控制模塊、細(xì)胞檢測環(huán)境的控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊共六大模塊。細(xì)胞生理參數(shù)的檢測模塊可以實(shí)時采集、保存并顯示細(xì)胞生理參數(shù)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具體包括由MEA檢測到的細(xì)胞胞外動作電位變化，由ECIS檢測到的細(xì)胞阻抗的變化以及由LAPS檢測到的光生電流的變化。通過對這些參數(shù)的檢測，可以直接或間接地反映細(xì)胞的電生理活動、細(xì)胞的生長、貼附、增殖和凋亡以及細(xì)胞的代謝情況。樣本的流路控制模塊主要負(fù)責(zé)樣本的進(jìn)樣和廢液的清洗，軟件系統(tǒng)提供可由

4、用戶操作的流路控制界面，實(shí)現(xiàn)流路的自動控制。細(xì)胞檢測環(huán)境的控制模塊可實(shí)時顯示環(huán)境的溫度、濕度和CO2的監(jiān)測曲線并提供報警功能，保證細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理模塊提供在線的數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)的回放、細(xì)胞代謝率的計算、細(xì)胞指數(shù)的計算和IC50的擬合。
　　 軟件系統(tǒng)的設(shè)計語言采用C＃，整體框架基于Microsoft.NET Framework4.0，可以支持Windows XP/Vista/Windows7等多種操作系統(tǒng)平臺，軟件

5、的設(shè)計器采用具有更高視覺品質(zhì)的WPF(Windows Presentation Foundation)，系統(tǒng)采用分層架構(gòu)集成了前述的六大功能模塊，便于軟件的后續(xù)升級開發(fā)。
　　 本文還研究了細(xì)胞生理參數(shù)的智能識別算法。通過研究比較細(xì)胞動作電位信號的處理算法，設(shè)計了算法復(fù)雜度較低的信號去噪、鋒電位提取和離散小波變換分類的方法并成功應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，優(yōu)化了光尋址細(xì)胞傳感器自動查找工作電壓的算法，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞阻抗轉(zhuǎn)化為細(xì)胞指數(shù)以及

6、藥物半數(shù)抑制濃度的算法。
　　 最后進(jìn)行了細(xì)胞實(shí)驗(yàn)對軟件系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。將小鼠味覺細(xì)胞分別受乙醚、乙醇和丁二酮的刺激后的電位響應(yīng)信號采用鋒電位提取和分類的算法將三種不同的信號區(qū)分開來，其效果優(yōu)于常用的主成分分析分類法且分類效果基本不受噪聲的影響，為智能識別奠定基礎(chǔ)。通過細(xì)胞指數(shù)值反映出活化的肝星狀細(xì)胞在藥物作用前后細(xì)胞貼附情況的改變從而實(shí)現(xiàn)對藥物的評價。采用Ca2+，C(I-)，K+三種離子，共九個濃度梯度的溶液標(biāo)