Solving the Inverse Problem of Relationship Between Action Potentials and Field Potentials in Cardiac Cells

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorIvanushkina, N. G.
dc.contributor.authorIvanko, K. O.
dc.contributor.authorShpotak, M. O.
dc.contributor.authorProkopenko, Y. V.
dc.date.accessioned2023-05-25T10:29:21Z
dc.date.available2023-05-25T10:29:21Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractMultiple electrode array (MEA) systems are the instrument platforms being used for cardiac extracellular electrophysiology investigation. Key applications of MEA technology are disease modeling and screening of drug effects. To solve these problems the efforts of many scientists are directed to signal processing and analysis of field potentials (FP) measured with MEA systems. However, it should be noted the complexity of interpretation of MEA information in non-invasive field potentials measurements of cardiac cells compared to invasive action potential (AP) recordings obtained using patch clamp technology. This study is devoted to the mathematical determination of the relationship between the signals of the electrical activity of cardiomyocytes: internal AP and external FP. Derivation of equations for transfer functions between AP and FP is based on field theory. This article provides a solution to the inverse problems of the relationship between AP and FP. Numerical experiments demonstrate the results of the inverse transformation of simulated field potentials signals. To denoise the potentials of the extracellular field of cardiomyocytes, the method combining wavelet transform and processing in eigensubspaces of cardiac cycles is used. The proposed method, based on transfer functions, can be used to determine AP parameters and expand the capabilities of data analysis in MEA systems for diagnosing heart disease and assessing cardiac toxicity during drug development.uk
dc.description.abstractotherБагато-електроднi масиви (БЕМ) – це поширений iнструмент в дослiдженнях позаклiтинної електричної активностi серцевих клiтин. Ключовими областями використання БЕМ є фармакологiчнi дослiдження та моделювання захворювань. Пiд час дослiджень в цих областях зусилля багатьох вчених направленi на аналiз та iнтерпретацiю позаклiтинних потенцiалiв (ПП) отриманих за допомогою систем з БЕМ. Однак, слiд зазначити складнiсть iнтерпретацiї iнформацiї БEМ у вимiрах неiнвазивного ПП серцевих клiтин порiвняно з iнвазивними записами потенцiалу дiї (ПД) на основi технологiї патч-кламп. Метою цiєї роботи є математичне визначення взаємозв’язку мiж внутрiшньоклiтинними ПД та зовнiшнiми ПП. Для цього було поставлено та розв’язано обернену задачу iз взаємовiдношення ПД та ПП, а саме – розрахунок ПД на основi ПП. Виведення рiвнянь для передавальної функцiї мiж ПП та ПД було виконано на основi теорiї поля. Для отримання бiльш корисної iнформацiї про параметри iмпульсiв ПП в роботi виконано дослiдження комплексного пiдходу до обробки вимiряних ПП сигналiв. На основi числових експериментiв з симульованими ПП було показано успiшнi результати використання отриманої передавальної функцiї для реконструкцiї ПД. В реальних умовах пiсля вимiрювання сигнали ПП мають певну ступiнь зашумлення, тому перед трансформацiєю в ПД до симульованих ПП було додано бiлий шум. Для знешумлення потенцiалу позаклiтинного поля кардiомiоцитiв було використано вейвлет-перетворення, обробку у власних пiдпросторах та комбiнацiю цих методiв. Запропонований метод, заснований на передавальних функцiях, може бути використаний для отримання ПД та його параметрiв на основi ПП, i, таким чином, може розширити можливостi аналiзу електричної активностi серцевих клiтин в системах БЕМ. Комплексний метод знешумлення, що показав високу ефективнiсть на симульованих ПП може бути використаний i на реальних сигналах для отримання неспотворених морфологiй ПП, що дозволить проводити бiльш якiсну iнтерпретацiю функцiональних властивостей ПП серцевих клiтин в дослiдженнях з використанням систем БЕМ.uk
dc.description.abstractotherМного-электродные массивы (МЭМ) - это распространенный инструмент в исследованиях внеклеточной электрической активности сердечных клеток. Ключевыми областями использования МЭМ являются фармакологические исследования и моделирование заболеваний. При исследованиях в данных областях усилия многих ученых направлены на анализ и интерпретацию внеклеточных потенциалов (ВП), полученных с помощью систем с МЭМ. Однако, следует отметить сложность интерпретации информации МЭМ в измерениях неинвазивного ВП сердечных клеток по сравнению с инвазивными записями потенциала действия (ПД) на основе технологии патч-кламп. Целью настоящей работы является математическое определение взаимосвязи между внутриклеточными ПД и внешними ВП. Для этого была поставлена и решена обратная задача взаимоотношения ПД и ВП, а именно - расчёт ПД на основе ВП. Вывод уравнений для передаточной функции между ВП и ПД был выполнен на основе теории поля. Для получения полезной информации о параметрах импульсов ВП в работе выполнено исследование комплексного подхода к обработке измеренных ВП сигналов. На основе численных экспериментов с модельными ВП были продемонстрированы успешные результаты использования полученной передаточной функции для реконструкции ПД. В реальных условиях после измерения сигналы ВП имеют определенную степень зашумления, поэтому перед трансформацией в ПД к модельному ВП был добавлен белый шум. Для удаления шума потенциала внеклеточного поля кардиомиоцитов были использованы вейвлет-преобразование, обработка в собственных подпространствах сердечных циклов и комбинация этих методов. Предложенный метод, основанный на передаточных функциях, может быть использован для получения ПД и его параметров на основе ВП, и, таким образом, может расширить возможности анализа электрической активности сердечных клеток в системах МЭМ. Комплексный метод удаления шума, показавший высокую эффективность на модельных ВП может быть использован и на реальных сигналах для получения неискаженной морфологии ВП, а также позволит проводить более качественную интерпретацию функциональных свойств ВП сердечных клеток в исследованиях с использованием систем МЭМ.uk
dc.format.pagerangePp. 53-59uk
dc.identifier.citationSolving the Inverse Problem of Relationship Between Action Potentials and Field Potentials in Cardiac Cells / Ivanushkina N. G., Ivanko K. O., Shpotak M. O., Prokopenko Y. V. // Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць. – 2021. – Вип. 85. – С. 53-59. – Бібліогр.: 23 назви.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/RADAP.2021.85.53-59
dc.identifier.orcid0000-0001-8389-7906uk
dc.identifier.orcid0000-0002-3842-2423uk
dc.identifier.orcid0000-0002-4706-7603uk
dc.identifier.orcid0000-0001-6366-9279uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/56107
dc.language.isoenuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.relation.ispartofВісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 85uk
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectMEA systemuk
dc.subjectcardiomyocyteuk
dc.subjectaction potentialuk
dc.subjectfield potentialuk
dc.subjectinverse problem of electrocardiographyuk
dc.subjectcardiac toxicity assessmentuk
dc.subjectwavelet denoisinguk
dc.subjectlab-on-chip technologyuk
dc.subjecthuman-induced pluripotent stem cellsuk
dc.subjectБЕМ системаuk
dc.subjectкардiомiоцитиuk
dc.subjectпотенцiал дiїuk
dc.subjectпозаклiтинний потенцiал поляuk
dc.subjectобернена задача електрокардiографiїuk
dc.subjectтеорiя поляuk
dc.subjectвейвлетзнешумленняuk
dc.subjectметод власних пiдпросторiвuk
dc.subjectтехнологiя «лабораторiї на чiпi»uk
dc.subjectiндукованi людиною плюрипотентнi стовбуровi клiтиниuk
dc.subjectМЭМ системаuk
dc.subjectкардиомиоцитыuk
dc.subjectпотенциал действияuk
dc.subjectвнеклеточный потенциал поляuk
dc.subjectобратная задача электрокардиографииuk
dc.subjectтеория поля; вейвлет преобразованиеuk
dc.subjectметод собственных подпространствuk
dc.subjectтехнология «лаборатория на чипе»uk
dc.subjectиндуцированные человеком плюрипотентные стволовые клеткиuk
dc.subject.udc616.12-073.7uk
dc.titleSolving the Inverse Problem of Relationship Between Action Potentials and Field Potentials in Cardiac Cellsuk
dc.title.alternativeРозв’язання оберненої задачi взаємозв’язку мiж потенцiалами дiї та потенцiалами поля в серцевих клiтинахuk
dc.title.alternativeРешение обратной задачи взаимосвязи потенциалов действия и потенциалов поля в клетках сердцаuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
1729-4755-1-10-20210630.pdf
Розмір:
877.59 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 85