يصف هذا البروتوكول إعداد واستخدام ElectroMap، وهو نظام أساسي برمجيات مفتوح المصدر يستند إلى MATLAB لتحليل بيانات رسم الخرائط البصرية القلبية. يوفر ElectroMap أداة متعددة الاستخدامات عالية الإنتاجية لتحليل الجهد البصري لرسم الخرائط ومجموعات بيانات الكالسيوم عبر مجموعة واسعة من النماذج التجريبية القلبية.
رسم الخرائط البصرية هو تقنية راسخة لدراسة عالية الدقة الفناء والوقتي من الفيزيولوجيا الكهربائية القلبية في الاستعدادات متعددة الخلايا. نقدم هنا، في دليل خطوة بخطوة، استخدام خريطة كهربائية للتحليل، والقياس الكمي، ورسم الخرائط من الجهد عالية الدقة ومجموعات بيانات الكالسيوم التي تم الحصول عليها عن طريق رسم الخرائط البصرية. تغطي خيارات تحليل الخريطة الكهربائية مجموعة واسعة من المعلمات الكهربائية الفسيولوجية الرئيسية، وواجهة المستخدم الرسومية تسمح بتعديل مباشر للمعالجة المسبقة وتعريفات المعلمات، مما يجعل الخريطة الكهربائية قابلة للتطبيق على مجموعة واسعة من النماذج التجريبية. نعرض كيف يسمح الكشف عن تردد السرعة وتجزئة الإشارة بالتحليل عالي الإنتاجية للتسجيلات التجريبية بأكملها، والاستجابات الحادة، والتغير الفردي. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن ElectroMap متوسط ًا آليًا متعدد الضربات لتحسين جودة الإشارة لمجموعات البيانات الصاخبة، وهنا نوضح كيف يمكن لهذه الميزة أن تساعد في توضيح التغييرات الكهرولوجية التي قد لا يتم اكتشافها عند استخدام مجموعات بيانات واحدة فاز التحليل. يتم تضمين وحدات مخصصة ضمن البرنامج للتحقيق التفصيلي في التوصيل، وتحليل ملف واحد، وalternans، كما هو موضح هنا. يمكن استخدام هذه المنصة البرمجية لتمكين وتسريع معالجة وتحليل ورسم الخرائط للفيزيولوجيا الكهربائية القلبية المعقدة.
يستخدم رسم الخرائط البصرية مراسلي الفلورسنت من الجهد و / أو تركيز الكالسيوم لاستجواب الفيزيولوجيا الكهربائية القلبية (EP) والتعامل مع الكالسيوم في الاستعدادات متعددة الخلايا، مع دقة مكانية أكبر من يمكن تحقيقها مع التقليدية تقنيات1،2،3. لذلك، ظهرت الخرائط البصرية كتقنية هامة وتستخدم بشكل متزايد من أي وقت مضى،وتوفير رؤى رئيسية في السلوك الكهربائي الفسيولوجي والمرضي في القلب 3،4،5 ،6،7،8. ومما يعقد عدة عوامل المعالجة والتحليل الفعالين للبيانات التي يتم الحصول عليها من تجارب رسم الخرائط البصرية. تؤدي طبيعة الدقة الصدغية العالية لمجموعات بيانات الخرائط البصرية إلى ملفات فيديو خام تتكون من آلاف إطارات الصور، يتكون كل منها من عدد من وحدات البكسل الفردية، مما يؤدي إلى ظهور ملفات بيانات كبيرة تتطلب الإنتاجية العالية والآلية معالجة9. أحجام بكسل صغيرة، وسوء ومتفاوتة تحميل صبغ والتغيرات الكسرية الصغيرة في الفلورة يؤدي إلى إشارات بصرية مع إشارة منخفضة إلى نسبة الضوضاء (SNR)، مما يتطلب المعالجة المسبقة قبل التحليل الفعال يمكن تحقيقه10. يمكن أن تزداد المعالجة والتحليل تعقيداً باستخدام بروتوكولات السرعة البصرية الوراثية التي تستخدم الضوء لبدء التنشيط، مما قد يشوه الإشارة المسجلة من أجهزة الاستشعار الفلورية11و12 . وعلاوة على ذلك، بمجرد معالجة البيانات، يمكن تطبيق عدة تقنيات وتعاريف غير متسقة لقياس بارامترات الاهتمام، مع اختلاف التقنيات الأكثر تطبيقًا وفقًا للإعداد التجريبي والنموذج والسؤال2، 10،13. وهذه القيود تحول دون زيادة الاستفادة من التكنولوجيا وتعوق التحليل الموضوعي حقاً.
وللتغلب على هذه القيود، قامت عدة مجموعات بحثية بتصميم خطوطأنابيب معالجة مخصصة مصممة خصيصاً لنموذجها التجريبي، وسؤالها وأجهزتها 7،14،15،16. وتستخدم شركات أخرى برامج تجارية مسجلة الملكية حيث قد يكون من الصعب الوصول إلى الخوارزميات الأساسية4و17 . ونتيجة لذلك، هناك حاجة واضحة إلى منصة برمجيات مفتوحة المصدر متاحة مجانا لتجهيز وتحليل بيانات الخرائط البصرية. من المهم أن يكون هذا البرنامج مفتوح المصدر، وسهل الاستخدام، ومرن لتعديل المعلمات، وينطبق على مجموعة من النماذج التجريبية ذات خصائص EP متميزة ويسمح بشكل حاسم بالقياس المباشر والقابل للضبط لمجموعة من أمراض القلب المعلمات التي يمكن دراستها باستخدام رسم الخرائط البصرية.
لقد قمنا مؤخرا بنشر والإفراج عن منصة البرمجيات الشاملة، ElectroMap، للمعالجة عالية في جميع أنحاء، شبه الآلي، وتحليل ورسم الخرائط من مجموعات البيانات رسم الخرائط البصرية القلبية13. هنا، نقدم دليل فيديو لاستخدام ElectroMap ونبين كيف يمكن استخدامه لمعالجة وتحليل وخريطة العديد من مجموعات بيانات الخرائط البصرية. نحن نركز على استخدام ElectroMap لتحديد المتغيرات القياسية EP ومعالجة الكالسيوم وإظهار استخدام سرعة التوصيل مستقل، وتحليل ملف واحد ووحدات alternans.
هنا، نقدم دليل خطوة بخطوة لاستخدام البرمجيات مفتوحة المصدر ElectroMap لتحليل مرنة ومتعددة المتغيرات من مجموعات البيانات رسم الخرائط البصرية القلب. للاستخدام الناجح للخريطة الكهربائية، يجب أن تكون بيانات التصوير في .tif أو . تنسيقات MAT. يتضمن ElectroMap العديد من إعدادات المستخدم القابلة للتعديل. كما هو موضح في الشكل 2A، وهذا ضروري بسبب التباين الواسع الموجود بين النماذج التجريبية وأجهزة التصوير. وهذا يعني مع ذلك أن الإعدادات الافتراضية داخل البرنامج لن تكون دائما الأمثل، لذلك خطوة حاسمة في استخدام البرنامج هو للمستخدم لضبط إعدادات لإعداد التجريبية الخاصة بهم. وتشمل هذه إعدادات الكاميرا والجداول الزمنية، كما هو موضح في الشكل 2B. بمجرد العثور على الإعدادات المثلى، يمكن حفظها وإعادة تحميلها في أوقات لاحقة عن طريق تحديد ملف التكوين.
إدراج قياس CL الآلي وتجزئة الإشارة هي المزايا الرئيسية للبرنامج. تسمح هذه الميزات بتحليل الاستجابات الحادة في التسجيلات التجريبية وتوسيع التحليل من التركيز على يدق واحد معزول. بمجرد تحقيق التجزئة المرجوة، تسمح وحدة تحليل الملف الواحد بالتحليل التلقائي لكل شريحة على حدة (بما في ذلك يدق واحد)، وتحقيق تحليل عالي الإنتاجية للمتغيرات المتعددة عبر التسجيل الناتج في ملف .csv واحد. وبالتزامن مع ذلك، فإن متوسط القمم المجمعة هو طريقة فعالة لتحسين جودة الإشارات الصاخبة التي يتم تنفيذها تلقائيًا في ElectroMap. ومع ذلك، فإن متوسط الفرقة ليست مفيدة في كل مكان، على سبيل المثال في دراسات تقلب فاز إلى فوز. لذلك، يدمج ElectroMap تجزئة فوز واحد لتجنب متوسط الفرقة، وخيارات المعالجة البديلة لتحسين SNR (التصفية المكانية والزمنية) ويشمل وحدة تحليل Alternans لمزيد من التحقيق والخريطة فاز على فوز تقلب.
غالبًا ما تعرض مجموعات بيانات الخرائط البصرية قطعًا أثرية مثل الانجراف الأساسي والقطع الأثرية للحركة. وبالمثل، يمكن أن تكون الإشارات التي تم إنشاؤها ذات جودة منخفضةبسبب أحجام بكسل صغيرة، وأوقات التعرض القصيرة وتغيرات الفلورسنت الكسرية المنخفضة 2. تمنع هذه العوامل التحليل الفعال والدقيق لسلوك EP الأساسي. وكما هو مبين، فإن ElectroMap لديها العديد من استراتيجيات المعالجة للتغلب على هذه القضايا. غير أن تطبيق هذه الخوارزميات على البيانات ذات النوعية السيئة/المشوهة أساساً لا يزال يحول دون التحليل الفعال. وبالتالي فإن SNR هي واحدة من المعلمات التي يتم قياسها وعرضها في ElectroMap. وبالمثل، يمكن للمستخدم تحديد ومقارنة الإشارات من مناطق محددة من العينة باستخدام وحدات معلومات البكسل ومقارنة، مما يسمح بتحديد الظواهر مثل القطع الأثرية الحركة المبينة في الشكل5، والمناسبة استبعاد البيانات.
في الوقت الحاضر، لا يدعم ElectroMap إزالة القطع الأثرية الحركة من البيانات الخام بنفس الطريقة التي تصحيح خط الأساس. لذلك، يمكن تطوير البرنامج في المستقبل هو إدراج إزالة القطعة الأثرية الحركة بطرق حسابية كما تم الإبلاغ عن31،32. وعلاوة على ذلك، يقتصر حاليا ً على دراسة إشارة بصرية واحدة. ومع ذلك، بالنسبة للأصباغ قياس النسب والاستخدام المتزامن للجهد والأصباغ الكالسيوم27،مطلوب معالجة متزامنة من قناتين الطول الموجي. وبالتالي فإن دمج تحليل الإشارات المزدوجة هو إضافة هامة في المستقبل إلى البرنامج. ومن شأن توسيع نطاق خيارات التحليل المطبقة على مجموعات البيانات غير المنتظمة، مثل تتبع التفرد في المرحلة، أن يوسع نطاق البرنامج33و34 على قدم المساواة. وأخيراً، يمكن أن تكون العديد من خيارات التحليل الموصوفة مفيدة أيضاً في تحليل بيانات رسم خرائط القطب الكهربائي. في الواقع، وقد استخدمت ElectroMap لتحليل بيانات رسم الخرائط الكهربائي على الرغم من الموجي الكهربائي المتناقضة20،35،ومزيد من التحسين سوف توسع استخدامه لهذه الطريقة.
The authors have nothing to disclose.
تم تمويل هذا العمل من قبل الطالبية EPSRC (Sci-Phy-4-Health Centre for Doctoral Training L016346) إلى D.P., K.R. and L.F., Wellcome Trust Seed Award Grant (109604/Z/15/Z) to D.P., British Heart Foundation Grants (PG/17/55/33087, RG/17/15/33106) إلى D.P. الاتحاد الأوروبي (اتفاق منحة رقم 633196 [CATCH ME] إلى P.K. و L.F.)، مؤسسة القلب البريطانية (FS/13/43/30324 إلى P.K. و L.F.؛ PG/17/30/32961 إلى P.K. و A.H.)، ومؤسسة ليدوك إلى P.K.. J.W. بدعم من مؤسسة القلب البريطانية (FS/16/35/31952).
MATLAB and Simulink R2018a | Mathworks, Inc, Natick, MA | MATLAB software |