Аналогово-цифровой преобразователь

Функцию АЦП осуществляет USB-128-ME-System, который может принимать и оцифровывать сигналы с 128 регистрирующих электродов. Аналоговые электрические сигналы, зарегистрированные на сердце, для компьютерной обработки должны быть преобразованы в цифровой формат. Цифровые данные поступают через USB-порт на компьютер, оснащенный специальным ПО для последующей работы с полученными данными – их визуализацией и анализом. USB-128-ME-System оснащен двумя входами данных для сигналов с двух матриц, что позволяет проводить исследования электрической активности одновременно с двух областей сердца.

 

2.2. Программные приложения для работы с мультиэлектродными матрицами

Для проведения мультиканальной регистрации электрической активности изолированного сердца с помощью установки USB-ME-128 и для работы с полученными данными используются программы Cardio 2D и Cardio 2D+ (Multichannel Systems, Германия). Приложение Cardio 2D позволяет контролировать текущую регистрацию электродными матрицами путем графической визуализации сигналов и сохранять полученные таким образом электрограммы в виде файлов. Далее их можно анализировать и преобразовывать с помощью приложения Cardio 2D+.

 

2.2.1. Основные функции программного приложения Cardio 2D

При работе с Cardio 2D необходимо выбрать подключенное к компьютеру с установленным ПО оборудование. Оно будет автоматически обнаружено программой при условии правильной последовательности подключения компонентов всей системы между собой и их рабочего состояния. Также приложение позволяет задать частоту записи от 1 до 40 кГц. Данный параметр нельзя будет изменить после создания записи. Оба действия могут быть совершены через меню «settings» (рис. 7). Через него же задается путь расположения записываемого файла до его создания.

Интерфейс программы включает окна, визуальные панели и вкладки. На оранжевой панели слева (рис. 7, А) нажатием иконки «а1» можно запустить воспроизведение сигнала с электродов активной матрицы перед началом записи. «а2» - общий лабораторный журнал. Иконка «а3» позволяет разбивать запись на временные фазы с помощью ее нажатия в необходимый момент в процессе регистрации. «а4» предназначена для электрической стимуляции, которая невозможна для гибких матриц из-за отсутствия в их конструкции стимулирующего электрода. «а5» используется для задания параметров анализа, в частности для выбора критериев искомых потенциалов. Критерии можно будет изменять после создания файла при его дальнейшем анализе, поэтому данные действия на этапе записи несущественны. Активация иконки «а6» запускает запись файла до момента ее повторного нажатия, соответствующего остановке записи. При этом название файла присваивается до начала записи через «Lab book» для каждой матрицы. Результаты регистрации будут храниться в виде трех отдельных файлов: Raw Data file (*.c2d), the Result file (*.c2r), и Settings file (*.c2s) – соответственно «сырой», «с результатами» (имеются ввиду результаты обработки, за счет заданных настроек анализатора на момент записи) и «настройки» (настройки анализатора, включенные в файл «Raw»). Важно, чтобы для все файлы хранились в одной директории. В окне «B» (рис.7) ведется история операций, и она может быть сохранена в виде файла по соответствующей команде слева внизу панели. В случае работы с двумя или более матрицами окон программы, отображающих процесс регистрации, будет несколько, переход между которыми будет осуществляться через панель «Summary» (рис. 7, C).

 

Рисунок 7 – Область интерфейса программы Cardio 2D

 

Для каждой матрицы в соответствующем ей окне можно внести данные об эксперименте в лабораторный журнал («Labbook») и задать настройки воспроизведения сигналов с возможностью обозначения характеристик искомых электрических потенциалов («Analyze»). В окне для каждой матрицы (рис.8), включающем 4 панели, будет производиться визуализация регистрируемых сигналов со всех электродов (рис.8, А) и с одного выбранного пользователем электрода (рис.8, C), который выбирается на панели «A» (рис.8). На панели «D» (рис. 8) в случае обнаружения потенциалов будут выводиться соответствующие им значения параметров «latency» (продолжительность распространения электрического потенциала) и «velocity» (скорость распространения электрического потенциала), которые вычисляются исходя из разницы во времени между возникновением первого и последнего потенциалов на электродах матрицы. Под потенциалом при этом подразумевается событие, обладающее характеристиками, присвоенными пользователем через функцию «Analyze». Цветовая активационная карта (рис.8, B) отображает распространение электрического возбуждения в области исследуемой поверхности сердца в виде перехода цветового градиента от красного (нулевая единица времени присутствия сигнала) к синему (наибольшее значение единицы времени присутствия сигнала).

 

 

Рисунок 8 - Область интерфейса программы Cardio 2D, визуализирующая регистрацию электрических сигналов со всей матрицы (А) с построением активационной карты (B) и с выбранного пользователем электрода (С), а также оценки скорости распространения сигнала (D)

 

2.2.2. Основные функции программного приложения Cardio 2D+

Для анализа зарегистрированных электродами матрицы данных необходимо открыть файл с расширением *.c2d в приложении «Cardio 2D+». Временные фазы записи будут отображены в окне «А» с возможностью перехода между ними (рис. 9). В окне «B» можно активировать и деактивировать визуализацию сигналов с помощью иконок внизу слева. Активация и деактивация электродов позволяет выделить диапазон, в рамках которого будет оцениваться распространение электрической волны между электродами. С помощью первой из трех иконок выделяется электрод, запись с которого будет выводиться на панели «С» (рис. 9). Следующие две иконки деактивируют и активируют записанные с соответствующих электродов сигналы для их визуализации и анализа. В области «D» можно наблюдать графики значений зависимости напряжения от времени на активных электродах за период времени «с1». Увеличенное изображение сигналов со всех выделенных на панели «D» электродов можно видеть на панели «Е» (рис. 9). С помощью инструментов панели «Е» наряду с прочими операциями можно экспортировать данные в форматах *.png, *.bmp, *jpg, *.png, *.tif, *.emf, *.dat, изменять значения шкал, а также управлять изображением схемы или активационной карты на панели F.

 

Рисунок 9 – интерфейс программы Cardio 2D+ с активированным окном «Field potential»

 

В окне, открывающемся через вкладку «ROI selection» (Region of interest selection), выбирается интервал для анализа данных путем выделения красными маркерами тех участков записи, которые не предполагается подвергать обработке.

Во вкладке «Heartbeat» (сердечные сокращения) есть возможность интерпретировать данные электрограммы в виде электрических потенциалов, соответствующих сокращениям сердца или его отделов, для анализа частоты и длительности временных интервалов возникновения, и скорости распространения электрической волны возбуждения. Какое именно событие будет подразумеваться под понятием потенциал действия, его характеристики, пользователь задает в окне «Analyze», вызванного командой «Analyze Raw Data» в меню «Tools». «Minimum Rise Time» и «Maximum Rise Time» помогают задать диапазон от 100 мкс до 2 мс времени нарастания потенциала. Амплитуда потенциала может быть задана с фиксированным значением от -1мВ до -10мкВ. Или ее уровень будет определен программой автоматически на фоне сторонних электрических шумов, при этом пользователь задает значение стандартного отклонения от -50 до -1 (рис. 10). «Detection Deadtime» – временной диапазон, в течение которого больше не может быть обнаружено ни одного потенциала. «Min/Max Type» позволяет выбрать, будет ли пик значения потенциала локальным или глобальным в рамках продолжительности события на графике (рис.10). «Min/Max Search» задает временной диапазон поиска минимума и максимума потенциала действия. Значение данного параметра должно быть меньше «Detection Deadtime». «HB timestamp» определяет - минимум, максимум или максимальное значение крутизны нарастания (нисхождения) потенциала будут обозначены на графике в окне «С» (рис.10) как его присутствие на матрице относительно времени.

 

 

Рисунок 10 – графическое выражение характеристик электрического потенциала в Cardio2D+

 

На панели «А» (рис. 11) отмечается присутствие электрических потенциалов во времени в течение каждой фазы. Отслеживание электрических потенциалов позволяет оценивать такие параметры, как продолжительность и скорость распространения («latency» или «velocity») в окне «С» на рисунке 11. С помощью набора инструментов в окне «С» можно уточнить значения продолжительности (latency) и скорости (velocity) распространения электрической волны между электродами в определенный момент времени для каждого зафиксированного потенциала (присутствие потенциала хотя бы на одном из электродов матрицы в конкретный момент времени обозначается на графике в виде закрашенного круга). В этом же окне помимо довольно широкого набора операций для их визуализации, данные можно сохранять, в том числе в формате *.txt, для возможности обработки в других компьютерных приложениях, например MatLab. Каждый обнаруженный пик на электроде будет обозначен в окне «D» черным цветом на схеме матрицы. Белым цветом будет обозначен электрод, не распознавший в зафиксированном им сигнале потенциала действия. В окне «B» отображается график электрического потенциала с электрода, выделенного в окне «D».

Наиболее существенными возможностями Cardio2D+ являются визуализация сигналов, зарегистрированных электродами матрицы и их конвертирование в форматы, совместимые с программами для детальной математической обработки. При этом набор функций программы позволяет оценить наиболее характерные параметры электрической активности сердца.

 

Рисунок 11 – окно «Heart beat» программы Cardio2D+ для работы с электрическими потенциалами

3. ПАРАМЕТРЫ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ИЗОЛИРОВАННОГО СЕРДЦА КРЫСЫ

 

Используя метод многоэлектродной регистрации, с поверхности сердца можно отслеживать возникновение электрических полевых потенциалов во времени, а значит – изучать частоту и вариабельность ритма сердечных сокращений, а также скорость распространения электрической волны.