ИТМиВТ - Институт точной механики и вычислительной техники С. А. Лебедева РАН
Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН - научно-исследовательский институт в области информационных технологий, вычислительной техники и микроэлектроники
English
Главная страница Контактная информация Карта сайта и поиск
Об институте Решения Проекты Образование

Беспроводная сетевая технология мониторинга состояния физиологических показателей лабораторных животных

Н. В. Бодунов, А. В.Чечендаев, Д. Ю. Кононов, О. С. Медведев, В. А. Сухомлин, Д. А. Шашурин,
Институт точной механики и вычислительной техники РАН им. С. А. Лебедева, МГУ им. М. В. Ломоносова

Введение

Представляется беспроводная сетевая технология мониторинга с минимальным стрессом за состояния физиологических показателей мелких лабораторных животных. Технология разработана «Институтом точной механики и Вычислительной техники им. С.А. Лебедева, РАН» в сотрудничестве с Московским Государственным Университетом им. М.В. Ломоносова.

Задача разработки беспроводных сетевых технологий мониторинга состояния физиологических показателей мелких лабораторных животных является актуальной для различных направлений биологии и медицины, особенно для разработки и испытаний новых лекарственных препаратов. Необходимость использования в качестве экспериментальных моделей мелких лабораторных животных, в том числе с генетическими моделями различных заболеваний, и получения данных одновременно от большого количества особей с минимальным воздействием на объект эксперимента и в условиях, максимально приближенных к естественным, предъявляет к проведению экспериментальных исследований такие требования, которые могут быть выполнены только с помощью технологий, основанных на применении имплантируемых сенсорных элементов, беспроводной передачи данных от объекта эксперимента к приемному устройству и стандартизованных методов обработки данных с возможностью многопользовательской работы.

Областью применения системы является использование ее в научно-исследовательских и промышленных лабораториях для контроля состояния лабораторных животных в ходе проведения широкого круга научных исследований. В частности, при разработке лекарственных препаратов.

Архитектура системы

Сетевая технология проведения экспериментов на лабораторных животных с беспроводной передачей данных от объекта эксперимента включает в себя два ключевых компонента:

  • Имплантируемый телеметрический модуль, функционирующий внутри животного, осуществляющий прямое измерение физиологических показателей и передачу результатов при помощи цифрового радиоканала.
  • Распределенную систему сбора и обработки экспериментальных данных, обеспечивающую сбор информации с нескольких географически распределенных лабораторий, хранения результатов в унифицированном формате, предоставления исследователям удаленного доступа к накопленным данным.

Структурная схема системы мониторинга состояния физиологических показателей мелких лабораторных животных в случае одного рабочего места приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема системы

Система включает в себя следующие элементы.

Имплантируемый модуль

Он оборудованный одним или несколькими датчиками. Структурная схема имплантируемого модуля приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема имплантируемого сенсорного элемента

Имплантируемый модуль производит измерения физиологических показателей, обеспечивает двустороннюю цифровую связь с внешним миром, отрабатывает команды по изменению режима измерений (переход в сон). Основные характеристики имплантируемого модуля приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Характеристики имплантируемого модуля

№ п.п. Характеристика имплантируемого модуля Значение
1 Размер 25×20×8 мм
2 Время непрерывной работы в активном режиме — 150 ч.
в режиме ожидания — 20 дней
3 Регистрируемые показатели ЭКГ
Температура
ЭЭГ
4 Частота дискретизации 1кГц
5 Число уровней квантования 8 бит
6 Скорость передачи данных 1 Мбит/с

Блок связи

Это электронное устройство, которое принимает по радиоканалу цифровую информацию от имплантируемого модуля и передает ее на персональный компьютер по интерфейсу USB.

Блок связи обеспечивает двухстороннюю цифровую радиосвязь с имплантируемыми модулями, обеспечивает сохранение всех полученных от имплантируемого модуля данных, ретранслирует имплантируемому модулю команды управления, полученные от ПК, предоставляет ПК по запросу данные, полученные ранее от имплантируемого модуля. Основные характеристики блока связи приведены в таблице 2.

Таблица 2.
Характеристики блока связи

№ п.п. Характеристика имплантируемого модуля Значение
1 Частота передачи данных 2.4 ГГц
2 Дальность действия передатчика

Сервер эксперимента

Программное обеспечение ПК, написанное на языке Java и реализующее архитектуру клиент-сервер. Будучи сервером, сервер эксперимента ожидает подсоединения клиента и передает всем подключенным клиентам цифровую информацию, приходящую с имплантируемого модуля. При этом количество подключившихся клиентов ограничивается только производительностью компьютера. Для связи клиент-сервер используется специально разработанный протокол на базе XML, опирающийся на транспортный протокол TCP/IP.

Сервер эксперимента осуществляет сбор данных от блока связи, обеспечивает сохранение всех полученных данных, выдает сохраненные данные по запросу с рабочего места исследователя, управляет имплантируемым модулем в соответствии с программой/командами, полученными с рабочего места исследователя.

Программное обеспечение клиента (на рис. 1 — «Рабочее место исследователя») может находиться как на одном ПК с сервером эксперимента (см. рис.1), так и на удаленных ПК.

Рабочее место исследователя (программное обеспечение клиента)

Программное обеспечение клиента визуализирует приходящие данные от имплантируемого модуля и сохраняет их для дальнейшей обработки. Один клиент позволяет сохранять данные от нескольких имплантируемых модулей, число которых ограничивается производительностью компьютера, но не менее 20—30 на современных компьютерах.

Не менее важным является реализованная в ПО рабочего места пользователя цепочка управляющей связи от программы клиента до имплантируемого модуля. Пользователь программы клиента может дать команды — «перейти в низко-потребляющее состояние» и «перейти в активное состояние». Эти команды передадутся по цепочке «Рабочее место исследователя» — «Сервер эксперимента» — «Блок связи» — «Имплантируемый модуль», в результате чего имплантируемый модуль выполняет требуемое действие. Команда представляет собой цифровую посылку длинной до 6 байт. Таким образом, существует возможность реализации сложных команд управления имплантируемым модулем, что становится весьма актуальным в случае реализации в имплантируемом модуле эффекторов (исполнительных устройств), таких как электростимуляторы, инжекторы и т.п.

Кроме того, программа-клиент позволяет пользователю автоматизировать процедуру включения и выключения имплантируемых модулей, т. е. автоматически включать и выключать их с заданной периодичностью. Это имеет большое значение для проведения длительных экспериментальных исследований, не требующих непрерывного мониторинга исследуемых показателей, и позволяет многократно повысить продолжительность работы имплантируемых модулей.

Преимущества сетевой технологии мониторинга состояния физиологических показателей мелких лабораторных животных

При разработанном подходе на основе беспроводной передачи данных, животное находится в сознании, не испытывает дискомфорта, взаимодействует с другими животными — наблюдается в естественных условиях при отсутствии каких-либо искажающих факторов. Данный факт существенно повышает достоверность экспериментальных данных

В качестве примера, на рисунке 3 показано рабочее место исследователя в лаборатории МГУ им М.В. Ломоносова и 2 наблюдаемые крысы с имплантированными модулями.

Рис. 3. Пример рабочего места исследователя

Заключение

Рассмотренная технология позволяет построить сетевую технологию поддержки широкого спектра фундаментальных исследований в области медицины и биологии, основанную на интеграции возможностей распределенной обработки данных в среде Интернет.

Ключевым компонентом системы является имплантируемый модуль, обеспечивающий беспроводную передачу данных от объекта исследования в распределенную систему обеспечения проведения эксперимента.

Биотелеметрическая система позволяет снимать первичную информацию, без внесения в эксперимент погрешностей, обусловленных применением наркоза или факторами эмоционального стресса.

На основе выбранных решений были проведена серия экспериментов и получены следующие результаты:

  • Животные с имплантируемыми модулями через неделю после операции не подают признаков дискомфорта и живут как минимум несколько месяцев после операции. Для представления научной общественности снято несколько видеофрагментов поведения лабораторной крысы с вшитым имплантатом.
  • Продемонстрировано достижение габаритов и длительности измерений, необходимых для практического применения имплантируемого модуля
  • Продемонстрирован удаленный эксперимент, когда лаборатория и исследователь значительно удалены друг от друга, а связь осуществляется через Интернет
  • На основании испытаний системы показано, что достигнута необходимая надежность для проведения медико-биологических экспериментов.
  • Практически проверены основные архитектурные решения распределенной системы сбора и обработки экспериментальных данных

 

Из трудов II международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование», Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, факультет ВМК, декабрь 2006 г.
© 1948—2018 «ИТМиВТ»
Версия для печати Контактная информация