iWorx生理信号采集系统——心电技术在动物心功能机制研究中的应用及科研方案

2022-11-16 18:04:25, 玉研仪器上海玉研科学仪器有限公司

应用背景

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生物的心脏具有兴奋性、传导性、自律性及收缩性，这些特性均与心脏电生理密不可分。当心脏冲动频率、节律、起搏部位、传导速度与激动顺序发生异常时，统一称为心律失常，心律失常的研究离不开电生理技术。

心律失常电生理研究中常用的技术有：膜片钳技术-Patch（离子通道及单细胞层面）、多通道标测技术-Electrical Mapping & Optical Mapping（心肌类器官、心肌组织或整体心脏层面）、心电图标测技术-ECG（整体动物层面）。这分别代表了从微观到宏观的三个不同水平的电生理技术。在心律失常研究中，这些技术各有优势又相互补充。

膜片钳技术（Patch）是研究离子通道信号的“金标准”，在细胞与分子水平研究中发挥重要作用；但离子通道和单细胞层面又难以全面阐述心律失常发生机制。

多通道标测技术（Electrical Mapping & Optical Mapping），可以在心肌组织层面及含有心脏传导系统的整体心脏层面进行心律失常研究，是细胞层面电生理和整体动物电生理研究中的桥梁，很多课题往往首先从多通道标测技术开始，然后再根据多通道标测技术得到的结果再往微观或宏观延伸，进而全面研究心律失常的发生机制。

心脏在动物体内，又受到体温、神经调节，心电图标测（ECG）可以在整体动物层面提供心脏的电生理信息，另外，利用遥测技术还可以长时间监测动物心电图，广泛应用于需要长时程监测心电信号的心律失常机理研究及药物慢性致心律失常研究。

心电图标测（ECG）

本文主要介绍的心电图标测技术在心律失常的机制研究中扮演重要角色。对于像心房颤动(atrial fibrillation,AF)以及致心律失常性右室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy,ARVC)这样拥有复杂病因和维持机制的心律失常疾病，通过心电标测记录并且分析他们的电信号是研究其内在机制的便捷且有效的方法之一。

利用动物模型来对心律失常进行研究是一种重要的研究方法。通过建立不同疾病的动物模型可以完成许多在临床上无法操作或者无法获得的信息。在动物物种选择上，可选的动物一般有小鼠、大鼠、兔、犬、羊、猪。其中最常用的是犬，因为其适用范围非常广，可用于各种房颤模型中。

当涉及到基因方面的疾病研究时，一般的选择是小鼠，因为小鼠生长周期快，成本较低，各方面特征跟人类比较接近。同时大小鼠是目前基础医学研究中最常用的动物，人类和老鼠的心脏在结构上是相似的，两者都有四个腔室，一个窦房结，一个房室结和一个专门的传导系统。此外，人类和小鼠的心脏中存在着几乎相同的离子通道和离子电流。但是，这两个物种之间还是存在显著的差异，最直观的是心脏的大小，同时小鼠的静息心率在400到600次/分之间，比人类的心率高出10倍；小鼠心肌细胞的动作电位时程是人类的10%，这主要是由于复极电流的相对丰度有显著差异。

首先我们来了解一下常规的12导联心电图，标准心电图包括3个肢体导联，3个加压肢体导联，6个胸前导联。

其中，II、III、avF导联，反映心脏下壁右冠状动脉或左回旋支的情况；I、avL、V5、V6导联，反映心脏侧壁左前降支或左回旋支的情况；V1-V3导联，反映心脏前间壁左前降支的情况；V3-V5导联，反映心脏前壁左前降支的情况；V1-V5导联，反映心脏广泛前壁左前降支情况。

我们通常可在心电图上观察到：

1. P波

正常心脏的电激动从窦房结开始。由于窦房结位于右心房与上腔静脉的交界处，所以窦房结的激动首先传导到右心房，通过房间束传到左心房，形成心电图上的P波。P波代表了心房的激动，前半部代表右心房激动，后半部代表左心房的激动。P波时限为0.12秒，高度为0.25mv。当心房扩大，两房间传导出现异常时，P波可表现为高尖或双峰的P波。

2. 间期

PR间期代表由窦房结产生的兴奋经由心房、房室交界和房室束到达心室并引起心室肌开始兴奋所需要的时间，故也称为房室传导时间。正常PR间期在0.12～0.20秒。当心房到心室的传导出现阻滞，则表现为PR间期的延长或P波之后心室波消失。

3. QRS波群

激动向下经希氏束、左右束枝同步激动左右心室形成QRS波群。QRS波群代表了心室的除极，激动时限小于0.11秒。当出现心脏左右束枝的传导阻滞、心室扩大或肥厚等情况时，QRS波群出现增宽、变形和时限延长。

4. J点

QRS波结束，ST段开始的交点。代表心室肌细胞全部除极完毕。

5. ST段

心室肌全部除极完成，复极尚未开始的一段时间。此时各部位的心室肌都处于除极状态，细胞之间并没有电位差。因此正常情况下ST段应处于等电位线上。当某部位的心肌出现缺血或坏死的表现，心室在除极完毕后仍存在电位差，此时表现为心电图上ST段发生偏移。

6. T波

之后的T波代表了心室的复极。在QRS波主波向上的导联，T波应与QRS主波方向相同。心电图上T波的改变受多种因素的影响。例如心肌缺血时可表现为T波低平倒置。T波的高耸可见于高血钾、急性心肌梗死的超急期等。

7. QT间期

代表了心室从除极到复极的时间。正常QT间期为0.44秒。由于QT间期受心率的影响，因此引入了矫正的QT间期(QTC)的概念。其中一种计算方法为QTc=QT/√RR。QT间期的延长往往与恶性心律失常的发生相关。

人体和小鼠心电图之间最显著的区别是在小鼠中存在J波，而不存在等电ST段。在小鼠中，QRS波结束的一个常用标准是S波与等电线相交的时刻。通过定义，这一时刻也标志着J波的开始，该J波在向负T波的转变处结束。小鼠的T波在回到等电线时结束。

实验动物体表心电图的测量与分析

玉研仪器长期与美国iWorx公司保持良好合作关系，iWorx公司自成立以来，一直致力于让教育者和研究者Make Physiology Happen，使用最简易的仪器设备得到最直观可靠的实验结果。其生物电信号采集系统采用高精度电极，旨在采集动物高真表面心电及肌电信号，为心血管及神经科学等研究提供可靠的数据支持。

iWorx生物电信号采集系统由数据采集器、生物电放大器、分析软件（LabScribe 基础软件及ECG专用分析模块）及心电导联线和电极组成，可实现对多种动物进行多通道实时ECG/EMG采集。

其有如下特点：

1. 适用于多种动物，大小鼠、狗、猴子、人体或大型哺乳动物牛羊等均可，甚至适用于新生小鼠、斑马鱼（特殊系统）；

2. 同只实验对象同时采集多通道ECG/EMG信号，最多获得6ECG6EMG、8EMG或12ECG图像；

3. 可通过选配多个生物电放大器实现对多只动物生物电进行采集，可同时获得128通道数据信号及图像；

4. 配备高精度电极，生物电信号采集准确，失真度低（小动物为针形金属铂电极，大动物为贴片电极）；

5. 具有专用新生小鼠、斑马鱼心电测量系统，可监测几日龄新生小鼠生物电信号以及斑马鱼的生物电信号；

6. 具有专用ECG离线分析模块，可精确计算分析ECG数据。

IX-BIOx

IX-BIO4 IX-BIO8

IX-BIOx：IX-BIOx是一款多通道电生理数据采集器，能够从单一个体同时采集EMG、ECG、EOG 等电生理信号，包含 IX-BIO4和IX-BIO8两种型号。最多可同时获得8通道EMG信号，或者同时获得EMG信号及2通道ECG信号。I导联和II导联心电图信号可用LabScribe软件分析获得III、aVL、aVR、aVF导联心电信号。

ZS-200斑马鱼心电图信号采集系统

在心血管药物发现中，斑马鱼常被用于模拟血栓形成，侧支血管发育，炎症，心肌病和心脏再生等过程。iWorx ZS-200斑马鱼ECG记录和分析系统提供了一种理想的方法，可以快速、便捷地无创采集斑马鱼表面心电图，通过使用这种经济高效的模型可以进行高通量，快速筛选化合物。

RS-NMECG新生小鼠心电呼吸系统

iWorx的RS-NMECG新生小鼠心电呼吸系统可用于无创监测几日龄新生小鼠心电图及呼吸频率，同时内置动物体温维持系统，可有效减少动物体温流失，对于判断新生小鼠生命体征具有重要价值。

Labscribe专业数据采集与分析软件

iWorx公司的专业数据采集分析软件Labscribe界面简洁，使用方便，最多同时可呈现128通道数据。针对采集到的心电数据可运用心电高级分析模块进行离线数据分析：

1. 可测量心电图R-R、PR、QT、TP、QR、QTc间隔，QRS、T、P波宽，P、Q、R、S、T波幅以及ST段抬高等数据；

2. 具有具体的分析模板，可准确描绘各波起点、波宽、波幅等；

3. 软件具有多种动物心电模板，包括：人体，小鼠，大鼠，兔子，猪，豚鼠，犬，斑马鱼等。同时可定制专门的ECG模板，以满足其他特殊实验的需要；

4. 可从R-R间期、心率、噪音和活动性等方面来划定异常值，从而使分析更准确。

系统拓展

iWorx的设备可通过各种硬件之间的不同组合，可以对心电、脑电、肌电、眼电、有创血压、无创血压、dP/dt、体温、肌张力呼吸波、呼吸流速、肺功能、组织血流、血管血流、神经电位、氧气含量、二氧化碳含量、血氧饱和度、心输出量、脉搏容积、电刺激、诱发电位等参数进行观测和分析。

多功能数据采集器

多通道数据采集器

动物有创血压监测系统

小动物心内电生理系统

动物无线心电

肌电检测系统

人体无线生物

电采集系统

动物呼吸代谢分析系统

人体呼吸代谢分析系统

用户名单

复旦大学医学院	电子科技大学	郑州大学第一附属医院
山东大学基础医学院	中国药科大学	同济大学
中山大学	北京大学口腔医院	香港中文大学
军事医学研究院	澳门大学	温州医科大学
广州医科大学附属医院	成都中医药大学	北京航空航天大学

相关文献:

1. Fang, Yin et al. “Micelle-enabled self-assembly of porous and monolithic carbon membranes for bioelectronic interfaces.” Nature nanotechnology vol. 16,2 (2021): 206-213. doi:10.1038/s41565-020-00805-z

2. Usseglio, Giovanni et al. “Control of Orienting Movements and Locomotion by Projection-Defined Subsets of Brainstem V2a Neurons.” Current biology : CB vol. 30,23 (2020): 4665-4681.e6. doi:10.1016/j.cub.2020.09.014

3. Marshall, Michael S et al. “Long-Term Improvement of Neurological Signs and Metabolic Dysfunction in a Mouse Model of Krabbe''s Disease after Global Gene Therapy.” Molecular therapy : the journal of the American Society of Gene Therapy vol. 26,3 (2018): 874-889. doi:10.1016/j.ymthe.2018.01.009

4. Moyano, Ana Lis et al. “microRNA-219 Reduces Viral Load and Pathologic Changes in Theiler''s Virus-Induced Demyelinating Disease.” Molecular therapy : the journal of the American Society of Gene Therapy vol. 26,3 (2018): 730-743. doi:10.1016/j.ymthe.2018.01.008

5. Chen, Shih-Heng et al. “An electrospun nerve wrap comprising Bletilla striata polysaccharide with dual function for nerve regeneration and scar prevention.” Carbohydrate polymers vol. 250 (2020): 116981. doi:10.1016/j.carbpol.2020.116981

6. Hérent, Coralie et al. “Absent phasing of respiratory and locomotor rhythms in running mice.” eLife vol. 9 e61919. 1 Dec. 2020, doi:10.7554/eLife.61919

7. Tsai, Pei-Jiun et al. “Xenografting of human umbilical mesenchymal stem cells from Wharton''s jelly ameliorates mouse spinocerebellar ataxia type 1.” Translational neurodegeneration vol. 8 29. 5 Sep. 2019, doi:10.1186/s40035-019-0166-8

8. Lienemann, Samuel et al. “Stretchable gold nanowire-based cuff electrodes for low-voltage peripheral nerve stimulation.” Journal of neural engineering vol. 18,4 10.1088/1741-2552/abfebb. 25 May. 2021, doi:10.1088/1741-2552/abfebb

9. Gregory, Nicholas S et al. “ASIC3 Is Required for Development of Fatigue-Induced Hyperalgesia.” Molecular neurobiology vol. 53,2 (2016): 1020-1030. doi:10.1007/s12035-014-9055-4

10. Bowtell, Joanna L et al. “Acute physiological and performance responses to repeated sprints in varying degrees of hypoxia.” Journal of science and medicine in sport vol. 17,4 (2014): 399-403. doi:10.1016/j.jsams.2013.05.016

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