背景介紹

　　如拳頭一般大小的心臟，在生命體還是一枚胚胎時(shí)就開(kāi)始了它的第一次“跳動(dòng)”，此后在人的一生中不辭辛勞地推動(dòng)血液流動(dòng)，輸送氧氣和各種營(yíng)養(yǎng)成分，維持著人體各個(gè)器官和細(xì)胞的運(yùn)作。而如今，心血管疾病已成為一種嚴(yán)重威脅人類健康的常見(jiàn)病。目前，中國(guó)心血管病患病率仍處于持續(xù)上升階段，據(jù)推算心血管病患病人數(shù)已達(dá)3.3億人。因此關(guān)于心血管疾病的致病基因及其遺傳變異功能的研究也愈發(fā)重要。

　　目前研究此類疾病致病機(jī)理的手段之一是以昆蟲(chóng)為模式生物，果蠅、飛蝗等昆蟲(chóng)在心臟發(fā)育過(guò)程中具有與人類相似的基因調(diào)控機(jī)制，且具有發(fā)育周期短、可塑性強(qiáng)等特性，已成為研究心臟功能及心臟疾病致病基因的有力工具。光學(xué)相干層析技術(shù)技術(shù)(OCT)因具有無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、高分辨率等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于昆蟲(chóng)等小型模式生物的心臟功能檢測(cè)方面。但目前關(guān)于心臟功能參數(shù)測(cè)量(如心率等)的計(jì)算方法仍存在效率低、對(duì)圖像質(zhì)量要求高、參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題，尤其不適用于生物實(shí)驗(yàn)中大樣本量的檢測(cè)分析。

　　因此，研究更高效率的自動(dòng)檢測(cè)算法以適應(yīng)高通量的模式生物致病基因篩查及其表型分析，成為目前亟需解決的問(wèn)題之一。

　　創(chuàng)新研究

　　河北大學(xué)光信息技術(shù)創(chuàng)新中心蘇亞副教授團(tuán)隊(duì)在之前關(guān)于昆蟲(chóng)胚胎發(fā)育及其基因表達(dá)調(diào)控的表型測(cè)定的工作基礎(chǔ)上，以飛蝗為模式生物，提出了一種新的自動(dòng)快速定量計(jì)算昆蟲(chóng)心臟功能參數(shù)的方法，能夠?qū)π呐K舒張末期直徑(EDD)、收縮末期直徑(ESD)、舒張末期面積(EDA)、收縮末期面積(ESA)及心率(HR)等心臟功能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的定量測(cè)量，該方法尤其適用大樣本量(通常數(shù)量≥30)的生物體檢測(cè)。所提方法是在OCT成像特點(diǎn)基礎(chǔ)上得到的M-Mode圖來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。M-Mode圖像常用于超聲心動(dòng)圖中，用于評(píng)估心臟動(dòng)力學(xué)，如收縮同步性、心肌工作、心室內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)等。

　　昆蟲(chóng)心臟功能參數(shù)定量檢測(cè)計(jì)算方法如圖1所示。研究團(tuán)隊(duì)將采集得到的720個(gè)B-scan每幅圖像里胚胎心臟腔室中心的A-scan取出，位置如圖2(b)中藍(lán)色虛線所示，按采集時(shí)間順序排列即得到M-Mode圖。如圖3(a)所示，M-Mode圖的橫坐標(biāo)為掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為心臟腔室中心位置的A-scan。通過(guò)對(duì)M-Mode圖進(jìn)行灰度變換，再進(jìn)行閾值選取、區(qū)域生長(zhǎng)、邊界識(shí)別和特征峰提取等一系列操作后，即可計(jì)算得出心率(HR)、舒張末期直徑(EDD)及收縮末期直徑(ESD)等參數(shù)。

　　圖1 心臟功能參數(shù)定量檢測(cè)算法流程圖

　　圖2 飛蝗胚胎OCT掃描圖像。(a) 胚胎三維投影圖。紅色虛線框表示胚胎的背血管所在的位置，紅色箭頭表示掃描檢測(cè)位置;(b)和(c)分別為胚胎心臟的舒張末期和收縮末期的二維B-scan截面圖

　　通過(guò)對(duì)原始的M-Mode圖[圖3(a)，雙向箭頭所指位置表示心臟最大舒張直徑和最小收縮直徑]進(jìn)行灰度變換處理，可以得到去除低頻噪聲的M-Mode圖[圖3(b)]，然后選取胚胎心臟腔內(nèi)的任意一點(diǎn)[圖3(c)中的紅色圓點(diǎn)]作為初始的種子點(diǎn)，圖3(d)是在規(guī)定的區(qū)域生長(zhǎng)準(zhǔn)則下得到的二值化的區(qū)域生長(zhǎng)結(jié)果?？梢钥吹?，由于灰度分布不均勻?qū)е逻吘壧幊霈F(xiàn)毛刺，這會(huì)對(duì)下一步獲得心臟搏動(dòng)振幅的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)引入了形態(tài)學(xué)處理，對(duì)腔體邊緣進(jìn)行平滑處理，如圖3(e)所示。此時(shí)，將每一列A-scan邏輯值為0的像素點(diǎn)總數(shù)乘以其長(zhǎng)度，即可得到對(duì)應(yīng)的振幅圖，如圖3(f)所示。如圖3(g)所示，利用峰值提取算法找到極值點(diǎn)后，可計(jì)算HR、EDD和ESD等心臟參數(shù)指標(biāo)。

　　圖3 飛蝗胚胎發(fā)育到第9天時(shí)的OCT M-Mode圖像。(a)未經(jīng)處理的原始圖;(b)經(jīng)過(guò)灰度變換后的M-Mode圖;(c)加入種子點(diǎn)的灰度變換M-Mode圖;(d)閾值分割處理后的M-Mode圖;(e)經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)處理后的M-Mode圖;(f)蝗蟲(chóng)胚胎心臟的振幅圖;(g)由振幅圖利用峰值提取找到極值點(diǎn)

　　總結(jié)

　　課題組選取蝗蟲(chóng)作為評(píng)估心臟功能的模式生物，提出了基于OCT的新的自動(dòng)快速定量計(jì)算昆蟲(chóng)心臟功能參數(shù)的方法，有效解決了傳統(tǒng)檢測(cè)算法中效率低、對(duì)圖像質(zhì)量要求高、參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題，該方法在以昆蟲(chóng)為模式生物的心血管疾病研究方面具有重要的參考價(jià)值。后續(xù)在優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用RNAi技術(shù)抑制模式生物特定基因表達(dá)，結(jié)合本文提出的表型檢測(cè)和心臟功能參數(shù)評(píng)估等技術(shù)手段，深入研究心血管疾病的不同致病基因的表現(xiàn)及作用。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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