Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) bezieht sich auf Variationen in den Zeitintervallen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Herzschlägen und dient als diagnostisches und prognostisches Instrument für kardiale und nicht-kardiale Erkrankungen, wie Herzinsuffizienz, Alterung, Parkinson, Diabetes und Sepsis. Während die HRV typischerweise durch die Bestimmung von Zeitintervallen aus Elektrodenmessungen untersucht wird, haben Wissenschaftler der Medizinischen Universität Graz in Österreich den beispiellosen Schritt unternommen, Hochgeschwindigkeitsvideo, das mit einem Mikrotron MotionBlitz® LTR-Langzeitaufzeichnungssystem aufgenommen wurde, zur Untersuchung der zeitlichen Variabilität schlagender Herzzellen zu verwenden.

"In dieser Studie haben wir Videoaufnahmen verwendet, um die Variabilität von Intervallen sowie mechanische Kontraktionskräfte und relative Kontraktionskräfte mit nichtlinearen Analysen zu untersuchen", sagte Helmut Ahammer, Professor an der Medizinischen Universität Graz, der die Studie leitete. "Darüber hinaus ermöglichte uns der Videoaufbau die gleichzeitige Elektrodenregistrierung extrazellulärer Potentiale.

Das Team um Professor Ahammer evaluierte die Variabilität von Schlag-zu-Schlag-Intervall und Kontraktionsstärke mit der Kamera. Jedes Bild zeichnete Kontraktionen des Gewebes als Veränderungen der durchschnittlichen Grauwerte auf. Gleichzeitige Messungen extrazellulärer Potentiale mit einer Herz-Nahfeldelektrode validierten die Schlag-zu-Schlag-Intervalle der Videoaufnahmen.

Für die Studie wurde eine Versuchskammer mit dem intakten Gewebe auf dem Tisch eines aufrechten Mikroskops von Olympus montiert, wobei das Gewebe mit einer sauerstoffhaltigen externen Standardlösung übergossen und auf einer konstanten Temperatur von 23°C gehalten wurde. Mit den Aufnahmen wurde 20 Minuten nach Beginn der Superfusion begonnen, damit das Gewebe einen stabilen Schlagrhythmus etablieren und aufrechterhalten konnte. In der Nähe der primären Herzschrittmacherstelle des Gewebes wurde eine kleinere Region von Interesse (ROI) mit deutlichen Kontraktionen für die Aufzeichnung ausgewählt. Nach Aufzeichnung des ersten Videos wurde der Perfusionslösung Acetylcholin zugesetzt. Nach einer 5-minütigen Superfusionszeit wurde das zweite Video aufgezeichnet.

Videoaufnahmen von schlagenden Gewebeproben wurden mit dem Mikrotron MotionBlitz in Kombination mit einer Mikrotron EoSens CL Kamera gemacht. Diese Hardware-Aufzeichnungseinheit des Systems verhinderte fehlerhafte Jitter-Effekte von Software-Trigger-Ereignissen. Die Auflösung der Kamera wurde auf 1.280 × 1.024 Pixel eingestellt. Es wurde eine ROI mit einer Pixelgröße von 160 × 160 gewählt, um maximale Graustufenänderungen während des Schlagens des Gewebes zu erhalten.

Professor Ahammer kommentierte: "Die Mikrotron Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen ermöglichten es uns, Schlag auf Schlag Intervalle sowie die Kontraktionsstärken und die relativen Kontraktionsstärken zu extrahieren, da der durchschnittliche Grauwert eines Bildes direkt proportional zur mechanischen Kontraktion war.

Zur Erfassung mehrerer Ereignisse und zur Analyse von Veränderungen über einen längeren Zeitraum ermöglichen die Langzeitrekorder der Mikrotron MotionBlitz LTR-Serie detaillierte Einblicke in schnelle Prozesse - nicht nur für ein paar Sekunden, sondern für mehrere Stunden. Langzeitprozesse können in ihrer Gesamtheit bei voller Auflösung aufgezeichnet werden. Die einzigartige Kombination aus hoher Geschwindigkeit und Langzeitaufzeichnung liefert eine enorme Datenmenge für die weitere Analyse. Die aufgezeichneten Bilder werden direkt auf einem RAID-geschützten Laufwerksarray gespeichert, so dass keine Downloadzeiten anfallen.

Die Größe des ROI wurde durch Untersuchungen der gewonnenen Zeitsignale optimiert. Größere ROIs ergaben sehr große Videodateien, während kleinere ROIs ein zu niedriges Signal-Rausch-Verhältnis ergaben. Regionen mit dicken Gewebeschichten, die sich in die ROI bewegten, ergaben die höchsten Signal-Rausch-Verhältnisse. Bei einer Abtastrate von 1.000 fps und einer Aufnahmedauer von 5 Minuten wurden 300.000 einzelne unkomprimierte Bilder (Auflösung 160 × 160) = 25.600 Pixel aufgenommen und auf der Festplatte des MotionBlitz in einem avi-Format gespeichert. Eine avi-Datei benötigte 21 GB Speicherplatz. Das Mikrotron-System speicherte die Einzelbilder im RGB-Format, obwohl es sich bei der EoSens CL-Kamera um ein monochromes Modell handelte. Monochrome Kameras liefern in der Regel ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis als Farbkameras, was für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit sehr kleinen Belichtungszeiten wichtig ist. Daher wurden die Bilder in einem ersten Schritt auf 8 Bit konvertiert, was den Speicherbedarf auf 7,6 GB pro Video senkte. Der Aufbau wurde gegen elektrische und optische Rückschlüsse getestet, die von Umgebungslichtquellen wie dem Laborlicht oder der Mikroskop-Lichtquelle selbst stammen. Fourier-Analysen von Videos, die eine statische Szene aufnahmen, ergaben keine Restfrequenzanteile von Stromversorgungsfrequenzen oder andere zusätzliche Rauschanteile.

Die Mikrotron-Videoaufzeichnungstechnik ist ein vielversprechendes Werkzeug zur Untersuchung des Schlag-zu-Schlag-Verhaltens hinsichtlich der absoluten Werte von Schlagrate und Kontraktionskraft sowie deren Variabilitäten im autorhythmischen Gewebe.