一种基于高密度CMOS微电极阵列的离体心脏电生理检测系统及方法

本发明涉及生物医学工程、生物传感器及心脏电生理检测，尤其涉及一种基于高密度cmos微电极阵列的离体心脏电生理检测系统及方法。

背景技术：

1、心脏正常功能依赖于心肌细胞动作电位的产生以及电活动在心肌组织中的有序传播。心肌细胞膜上钠离子、钾离子以及钙离子等离子通道的动态变化决定了动作电位的形成，而不同解剖区域（如窦房结、心房和心室）之间以及同一区域内部的电生理特征差异，是维持正常心律以及导致心律失常的重要基础。

2、目前，心脏电生理检测主要采用体表心电图、心内导管电极检测、膜片钳技术以及光学成像技术。其中，体表心电图和心脏导管技术能够实现临床尺度的心律监测和异常区域定位，但其空间分辨率较低，无法解析心肌组织内部细胞尺度的电活动差异。膜片钳技术能够精确测量单个细胞动作电位和离子通道电流，但该方法具有侵入性，检测通量低，难以用于完整组织的大规模同步分析。光学电压成像和钙成像技术能够观察大范围心脏电活动传播过程，但通常需要荧光染料或遗传编码探针，存在光毒性、信号稳定性以及空间分辨率限制。传统微电极阵列（mea）虽然能够实现多通道、长期电生理记录，但受限于电极数量和间距，难以实现完整心脏组织尺度上的高密度电活动解析。

3、近年来，基于cmos工艺制造的高密度微电极阵列技术快速发展，通过在芯片表面集成数千甚至数万个微尺度电极，并结合片上信号放大和高速采集电路，可实现大规模并行电信号检测。然而，目前该技术主要应用于神经元网络和培养细胞电活动检测，在完整离体心脏组织中的高分辨率动作电位检测、传播分析以及区域电生理异质性解析方面仍缺少有效技术方案。

4、因此，亟需开发一种能够针对完整离体心脏组织，实现高通量、高空间分辨率以及高时间分辨率电生理检测的技术平台，以满足心律失常机制研究、药物安全评价以及疾病模型分析的需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于高密度cmos微电极阵列的离体心脏电生理检测系统及方法，用于实现对完整离体心脏组织电活动的大规模并行、高时空分辨率检测。

2、技术方案：本发明所述的基于高密度cmos微电极阵列的离体心脏电生理检测系统，包括高密度cmos微电极阵列芯片、信号采集模块、数据处理模块以及电生理分析模块；

3、离体心脏组织产生的心肌细胞电活动通过与离体心脏组织形成电耦合的高密度cmos微电极阵列芯片进行空间多点同步检测，由微电极获取心肌细胞动作电位活动过程中产生细胞外电流信号；

4、细胞外电流信号经信号采集模块进行电流检测、信号转换、同步采集及数字化处理，形成可供后续处理的多通道数字电生理信号；

5、多通道数字电生理信号输入数据处理模块，经滤波去噪、动作电位识别、波形提取及归一化处理后，获得表征心脏组织电活动的动作电位信号及其电生理参数；

6、电生理分析模块基于不同空间位置对应的动作电位信号及其电生理参数，对心脏组织电活动的时空传播特征和空间电生理异质性进行分析，实现对离体心脏组织电生理活动的多点、同步及空间分辨检测。

7、进一步地，所述高密度cmos微电极阵列芯片采用互补金属氧化物半导体制造工艺制备，包括基底、电极阵列层以及与所述电极阵列层电连接的信号转换电路；电极阵列层包括多个呈二维阵列排列的微电极阵列。

8、进一步地，所述微电极阵列中微电极个数大于等于1024；微电极的尺寸为5～20μm，微电极之间的间距为10～30μm。

9、进一步地，所述微电极阵列的电极表面，沉积有导电材料，导电材料为金、银、铂黑、pedot:pss的一种或几种，或者金、银、铂黑、pedot:pss的二元、三元、四元复合材料中的一种或几种。

10、进一步地，所述微电极阵列包括多个独立数据传输通道，各传输通道包括多个微电极。

11、进一步地，所述信号采集模块包括电流信号转换单元、信号采样单元以及数据传输单元；其中，电流信号转换单元包括电容性跨阻放大器ctia，用于将经由微电极输入的细胞外电流信号转换为电压模拟信号；信号采样单元包括电极寻址控制单元、时序控制单元以及模数转换单元，用于实现多个微电极通道的同步采样和数字化转换；数据传输单元，用于输出数字化电生理信号；信号采集模块的采样频率不低于2 khz。

12、进一步地，所述数据处理模块包括信号去噪单元、动作电位识别单元以及波形分析单元；其中，信号去噪单元，用于去除环境噪声、电路热噪声以及信号基线漂移；动作电位识别单元，用于识别动作电位事件，并提取动作电位幅值、持续时间、最大去极化速度以及复极化相关参数；波形分析单元，用于对不同微电极记录的动作电位波形进行归一化处理、特征提取以及波形比较分析。

13、进一步地，电生理分析模块根据不同空间位置微电极记录的动作电位激活时间差，计算心脏电活动传播方向和传播速度；电生理分析模块包括空间异质性分析单元，空间异质性分析单元采用主成分分析、聚类分析、变异系数分析中的一种或多种方法，对不同微电极记录的动作电位波形进行分类和比较，以获得心肌组织内部电生理功能差异。

14、本发明所述的基于高密度cmos微电极阵列的离体心脏电生理检测方法，包括如下步骤：

15、（1）将离体心脏组织放置于高密度cmos微电极阵列芯片检测区域，使心肌细胞与多个微电极形成电耦合；

16、（2）利用微电极阵列同步采集心肌细胞动作电位活动产生的细胞外电流信号；

17、（3）通过cmos芯片内部电流检测单元将所述电流信号转换为电压信号，并进行数字化采集；

18、（4）对采集获得的电信号进行滤波去噪、动作电位识别以及波形归一化处理；

19、（5）根据不同空间位置获得的动作电位数据，对心脏组织电活动分布、传播特征以及电生理异质性进行分析。

20、进一步地，所述步骤（1）中的检测区域包括窦房结区域、心房区域、心室区域以及上述区域之间的连接区域中的一种或者几种。

21、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

22、（1）实现完整离体心脏组织的高密度、高时空分辨率电生理检测；本发明利用高密度cmos微电极阵列，实现了数万个微电极的集成化检测，可在无需荧光标记或基因改造的条件下，对离体心脏组织产生的细胞外电信号进行大规模并行采集，实现心脏电活动在微米级空间尺度和亚毫秒级时间尺度上的解析；

23、（2）实现单细胞尺度动作电位特征及空间异质性的解析；本发明通过高空间分辨率电极阵列和电生理分析方法，可同时获得不同心脏区域动作电位的幅值、去极化速度、持续时间及传播特征，并能够识别同一解剖区域内心肌细胞电生理功能差异，揭示传统检测方法难以观察的局部电活动异质性；

24、（3）提供用于心脏疾病机制研究和药物安全评价的高通量电生理检测工具；本发明所建立的平台能够用于心律失常模型、心肌缺血/梗死模型以及药物刺激条件下的电活动变化分析，可用于评价异常传导、复极化异常及药物诱导电生理改变，为心脏疾病机制研究和心脏毒性筛选提供新的技术手段。