An Open-Source Platform for Multimodal Electrical and Optical Mapping of Ex Vivo Hearts
本文提出了一个开源且具有适应性的平台，该平台通过将光学与电学记录与生理监测及集中控制相结合，实现了离体心脏的同步多模态制图，从而促进了对复杂心律失常机制的研究以及跨不同物种和实验配置的心脏制图方法的评估。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
心脏是一个泵，但它也是一台电学机器。为了产生心跳，一股电流波必须平滑地穿过肌肉，告诉细胞何时收缩。当这种电信号变得混乱或受阻时，心脏可能会跳动过快、过慢，或者出现被称为“心律失常”的混乱节律。医生通过绘制心脏的电活动图谱来治疗这些危险的节律，试图找到电信号出错的确切位置，以便用导管进行修复。然而，医生在体表看到的电信号往往是肌肉深处实际发生情况的模糊版本。这就像是通过观察投射在墙上的影子来试图理解人群的运动；虽然轮廓还在，但细节已经丢失了。为了真正理解这些危险节律是如何开始以及如何停止它们，科学家需要同时看到心脏的电活动及其物理结构，并拥有完美的清晰度。
一个研究团队构建了一个全新的开源平台，允许科学家实现这一点：在体外灌注器官中同时观察心脏的电信号和物理结构。这项发表在近期研究中的系统旨在处理不同大小的心脏，从小型兔子到大型猪，甚至是那些不适合移植的人类心脏。研究人员创建了一个结合了三种不同观察方式的装置。首先，他们使用高速摄像机和特殊染料来实时观察电波如何在心肌上移动，从而创建一个详细的激活图谱。其次，他们使用接触心脏表面的微型电极，精确记录如同在患者手术过程中所测得的电信号。第三，他们将心脏放置在一个充满导电液体（模拟人体环境）的容器中，从而能够从远处记录电场，就像医生在患者皮肤上观察到的那样。通过同步这些测量，团队可以对比在同一次心跳过程中，表面、肌肉深处以及周围流体中所发生的情况。
该平台经过了三种配置测试，以应对不同心脏大小带来的独特挑战。对于像兔子这样的小型心脏，团队使用了一种能够从多个角度捕捉整个器官的设置。他们将心脏放入容器中，利用三台摄像机获取表面的全景视图，同时利用电极接触心脏，并通过容器中的传感器记录远端信号。这使他们能够观察电波如何在整个心脏上移动，以及这种移动如何转化为电极和容器中记录到的信号。对于像猪和人类这样的大型心脏，研究人员调整了系统以适应更大的器官，同时保持其完整性。在“大心脏全器官”配置中，他们使用了透明电极界面，使摄像机能够穿透容器壁，同时捕捉光学数据和周围流体的电势。在另一种“大心脏”配置中，研究人员将心脏剖开，以便同时观察内表面和外表面，这在活体患者身上是无法实现的。这一设置揭示了心脏内部的电模式与外部的电模式可能看起来非常不同，尤其是在发生颤动等混乱节律期间。
研究人员通过记录处于各种状态下的心脏（包括正常节律、快速跳动和混乱的颤动）证明了其系统的有效性。他们发现，不同的心脏电测量方法并不总是讲述同一个故事。例如，高分辨率摄像机视图显示的是平滑且连续的激活波，而仅接触特定点的电极则显示出一个更为零散的图像，需要通过计算机插值来连接这些点。从容器中记录的信号（代表电场穿过流体后的情况）看起来甚至更加不同，显示出复杂的肌电模式在到达人体表面之前是如何被平滑处理和改变的。这些差异并非误差；它们是真实的物理现象，因为每种方法测量的都是电活动的某个不同侧面。该平台允许科学家并排观察这些差异，从而帮助他们理解为什么在图谱上看起来效果良好的治疗方案在患者身上可能并不奏效。
这项工作的特别意义在于，研究人员已向公众开放了整个系统。他们分享了软件、电子设计和机械蓝图，以便其他实验室可以构建自己的版本。这与通常将此类复杂设备视为专有技术或仅由单一团队构建的做法不同。通过提供一个可重复的框架，作者希望加速对心律的研究，并改进医生诊断和治疗的方法。该系统并不是一种能瞬间治愈心脏病的“魔法方案”，但它提供了一个强大的新工具，用于理解心脏物理结构与电信号之间的复杂关系。它弥合了实验室科学家可见的高分辨率图像与临床医生可见的电信号之间的鸿沟，为理解心脏电系统在出现问题时如何运作提供了更清晰的图景。
该研究还包括了一种在实验结束后创建心脏三维形状模型的方法。通过在缓慢旋转心脏的过程中从各个角度拍摄照片，团队可以构建一个与实验所用器官形状完全匹配的数字网格。这个模型有助于研究人员将电图和光学图谱放置在真实的形状上，使他们更容易可视化信号来自何处。虽然该模型仅显示心脏外部，无法看到肌肉内部或隐藏的缝隙，但它在数据与器官物理现实之间建立了至关重要的联系。研究人员强调，该平台是未来研究的基础，允许科学家测试新的制图技术，并更好地理解电信号如何在不同类型的组织中传播。
最终，这项工作旨在将观察心脏的不同方式结合在一起。多年来，科学家们不得不在这两种选择之间做出抉择：要么通过摄像机进行高细节观察，要么通过电极测量医生使用的电信号。这个新平台消除了这种选择，使两者可以同时发生。它表明，在表面记录到的电信号是肌肉内部情况的一种复杂的反映，而理解这种关系是开发更好治疗方案的关键。通过使这项技术具有开放性和适应性，研究人员创造了一个共享资源，可以帮助整个科学界更接近于解开心律失常之谜。心脏仍然是一个复杂且至关重要的器官，但有了这样的工具，我们正开始以以往无法企及的清晰度观察它的电学生命。
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