多參數(shù)細(xì)胞生理自動(dòng)分析儀器的軟件設(shè)計(jì).pdf

1、現(xiàn)如今，隨著細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展，采用細(xì)胞芯片對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行無(wú)損、長(zhǎng)時(shí)程檢測(cè)的細(xì)胞傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是微電極陣列傳感器(microelectrode array sensor，MEA)、細(xì)胞阻抗傳感器(electric cell-substrateimpedance sensor，ECIS)以及光尋址電位傳感器(light addressable potentiometricsensor，LAPS)等胞外檢測(cè)方法

2、已成為在細(xì)胞水平上實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)研究細(xì)胞代謝活動(dòng)和進(jìn)行藥物研究的重要手段。但傳統(tǒng)的細(xì)胞生理檢測(cè)儀器只能對(duì)單一的細(xì)胞生理參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)于綜合評(píng)價(jià)細(xì)胞、藥物或環(huán)境是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，我們研制了多參數(shù)細(xì)胞生理自動(dòng)分析儀，該儀器可以同時(shí)檢測(cè)集成MEA、ECIS和LAPS三種傳感器的新型細(xì)胞生理檢測(cè)芯片，實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞水平上分析藥物對(duì)細(xì)胞的作用，并對(duì)細(xì)胞的多種生理參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。
　　 本文的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)多參數(shù)細(xì)胞生理自動(dòng)分析儀器的軟件系統(tǒng)，通

3、過(guò)同時(shí)檢測(cè)集成芯片的信號(hào)，分析得到有關(guān)的細(xì)胞生理參數(shù)。軟件系統(tǒng)結(jié)合多參數(shù)細(xì)胞生理自動(dòng)分析儀器，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)時(shí)程采集、記錄和分析細(xì)胞的各項(xiàng)生理參數(shù)。軟件按照功能分為五大模塊：MEA模塊、ECIS模塊、LAPS模塊、環(huán)境監(jiān)控模塊和流路分析模塊。MEA模塊可以檢測(cè)生長(zhǎng)在MEA芯片表面的細(xì)胞動(dòng)作電位，記錄細(xì)胞電活動(dòng)；ECIS模塊依靠叉指電極檢測(cè)細(xì)胞阻抗變化，從而反映出細(xì)胞生長(zhǎng)、貼附、增殖、凋亡的過(guò)程，以及藥物對(duì)細(xì)胞活性的影響等參數(shù)；LAPS模

4、塊通過(guò)檢測(cè)光生電流變化，可以計(jì)算出細(xì)胞外環(huán)境中各種離子濃度的改變，用以反映細(xì)胞代謝狀況；環(huán)境監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)控細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中溫度、濕度和CO2體積濃度的各種變化，并精確控制培養(yǎng)環(huán)境，保證細(xì)胞正常穩(wěn)定生長(zhǎng)；流路分析模塊通過(guò)控制流路分析系統(tǒng)配合儀器完成培養(yǎng)液和藥物的自動(dòng)進(jìn)樣以及清洗，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生理參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)與分析。
　　 軟件在界面上也比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件有了很大提高，整體框架基于Microsoft.NET Framework

5、3.5開(kāi)發(fā)，可以支持Microsoft Windows系列的多種操作系統(tǒng)平臺(tái)。采用多任務(wù)的處理方式，使多種功能可以并行檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)綜合檢測(cè)分析。通過(guò)模塊化和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)理念，將底層的各個(gè)功能模塊封裝，極大的擴(kuò)展了軟件的適用范圍，并降低了二次開(kāi)發(fā)難度。
　　 此外，本文研究了基于細(xì)胞生理多參數(shù)檢測(cè)的自動(dòng)識(shí)別算法。針對(duì)MEA檢測(cè)，設(shè)計(jì)了動(dòng)作電位峰值自動(dòng)檢測(cè)辨識(shí)算法，利用移動(dòng)窗積分的方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)峰值檢測(cè)與提取。針對(duì)ECI

6、S檢測(cè)，設(shè)計(jì)了細(xì)胞指數(shù)與藥物半數(shù)抑制濃度的自動(dòng)判別算法，利用LOGIT模型結(jié)合最小二乘法擬合，可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)藥物半數(shù)抑制濃度計(jì)算。針對(duì)LAPS檢測(cè)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)Ⅰ-Ⅴ曲線(xiàn)工作點(diǎn)的算法，通過(guò)多次樣條插值與平滑積分濾波相結(jié)合的方法，確定Ⅰ-Ⅴ曲線(xiàn)的工作點(diǎn)，并計(jì)算出離子濃度變化。合理利用上述算法，可以實(shí)時(shí)研究藥物對(duì)細(xì)胞動(dòng)作電位形態(tài)和時(shí)長(zhǎng)的影響，藥物對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)和細(xì)胞數(shù)量的影響，以及對(duì)細(xì)胞代謝的作用，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞生理多參數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)和預(yù)測(cè)，對(duì)于

7、藥物篩選和化合物研究都有重要的意義。
　　 通過(guò)該儀器對(duì)實(shí)際藥物和細(xì)胞的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)峰值提取算法在信噪比為1.5至3.5時(shí)的準(zhǔn)確率均超過(guò)90％，并計(jì)算出了檢測(cè)閾值的合理取值范圍；利用半數(shù)抑制濃度自動(dòng)判別算法計(jì)算出阿霉素針對(duì)大鼠心肌細(xì)胞的IC50曲線(xiàn)；通過(guò)分析自動(dòng)工作點(diǎn)檢測(cè)算法在多種離子條件下的誤差，確定30mV為最佳采樣間隔，此時(shí)的相對(duì)誤差為13.5±1.9％。通過(guò)對(duì)儀器穩(wěn)定性和算法正確性進(jìn)行了細(xì)致的驗(yàn)證和改進(jìn)，以及對(duì)實(shí)