CC BY
30
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, Серия Г. Медицина, фармация и дентална медицина т. XIX. ISSN 1311-9427 юни 2016. Scientific works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series G. Medicine, Pharmacy and Dental medicine, Vol. XIX, ISSN 1311-9427 Medicine and Dental medicine June 2016.
ЦИФРОВА СИСТЕМА ЗА СЪБИРАНЕ И ОБРАБОТКА
НА АНАЛОГОВА ИНФОРМАЦИЯ ОТ ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ
ИЗСЛЕДВАНИЯ ЧРЕЗ ФИЗИОЛОГИЧЕН „IN VITRO"TECT Янислав Картелов; Мирослав Коларов
Катедра „Компютърни системи и технологии"- УХТ- Пловдив
DIGITAL SYSTEM FOR COLLECTING AND PROCESSING OF ANALOGOUS DATA DERIVED FROM EXERIMENTAL STUDYING WITH PHYSIOLOGICAL TEST "IN VITRO" Ianislav Kartelov, Miroslav Kolarov Computer systems and technologies University of Food Technologies - Plovdiv
Resume
The physiological test „in vitro" with smooth muscle samples is a method for studying of irritation-contraction coupling of a transmembrane pathway of a signal. This mechanisms are important for studying of biological samples and medical drugs. Presented work describes experimental unit and prototype of electronic devices required for collecting and processing of analogous data derived from tests "in vitro".
Keywords: in vitro test, irritation, contraction, smooth muscle, transmembrane pathway, analogous data, modified solution.
ВЪВЕДЕНИЕ
В настоящата разработка е представена опитна установка и прототип на звукова карта за експериментални изследвания на препарати от гладко мускулна тъкан чрез връзката възбудимост - съкращения и трансмембранната проводимост на сигнала. Създадена е цифрова система за събиране и обработка на аналогова информация от експерименталните изследвания чрез физиологичен „in vitro"тесx Сигналите представляват ниско пасивно напрежение, с висок брой паралелни мускулни връзки и лесно предизвикани силни съкратителни действия и са един от най-подходящите за експериментални изследвания на мускулната механика чрез физиологичния „in vitro"тест. Мускулите на човешкото тяло са „машините", които се съкращават и превръщат химическата енергия в механична работа с отделяне на топлина. Начините, по които мускулните машини работят, по-точно механизмите на съкращения и провежданите усилия, се преобразуват в електрически сигнал като: индуктивност, капацитет, ултразвук, оптика, съпротивление, резонанс и др. Електрическата форма на запис на сигналите, получени чрез физиологичен „in vitro"тест е най-лесната и
удобна форма за преобразуване и анализиране. Конвертирането на механичната активност в електрически сигнал е преобразуване активността на гладкомускулния препарат. Това е по-скоро еднодименсионно преместване поради това, че макромеханиката на контрактивната активност е аксиална по характер.
Различнитережими на ,Дп уйра^рстасаизотерормнии изотоничниисъздаваткато еданствеипарнмевир, кортосредим- рзеннитно преъсзтвънс в определениграници и в еднаио сока.
ОПИТНАУСТАНОВКА
Онитната уетрновка за еоЪиртнз и ийраОттка нт емачозиът инфереътрм за еъспеоимзнтаиен,Дпуйш"тест при изследване на биологични обекти и нови лекарствени средства е дадена на фиг. 1.
Фиг. 1 Опитна установка за събиране и обработка на аналогова информация чрез физиологичен „ш
уйго"тест,където: 1 е физиологичен разтвор, 2 - държач, 3 - линейно променящ се диференциален трансформатор ЬУБТ, 4 -противотяжест,
5 - ролка, 6 - денфер, 7 - фиксатор -сензор, 8 - силиконово влакно, 9 -гладко мускулна проба
Конвертирането на механичната активност в електрически сигнал е преобразуването механичната активност на гладко мускулния препарат поз. 9 в еднодименсионно преместване поради това, че макромеханиката на контрактивната активност е аксиална по характер в определени граници в една посока. Мускулната проба в поз. 9 е завързана в единия от краищата си неподвижно поз. 2, а в другия край е подвижно свързана със силиконова нишка поз. 8, която реагира на механичната активност с прилагане на определен това на препарата поз. 5. Преместването се измерва индиректно през избран участък на влакното, като мултидименсионните измервания се осъществяват чрез няколко еднодименсионни сензори поз.7 с ниско амплитуден 50 Н шум от електрониката, за да не оказва влияние на крайните резултати от записващия сигнал. Сензорите за измерването на преместването се избират за конкретния експеримент в зависимост от тяхната точност, специфичен шумимаксимален работенобхват. Избират се: пиезо сензори, индуктивни сензори
и лазерни сензори. Линейно променливият диференциален трансформатор LVDT поз. 3 се състои отдвамалкитрансформатора,коитоподелятедномагнитно ядро. При движение на ядрото токът в единия нараства, а в другия намалява. LVDT работи с променливо токово захранване и електрониката на сензора поз. 7 включва модулатор - демодулаторна група. Когато се подава променлив токов сигнал на първичната намотка, се индуктира напрежение в двете вторични намотки. Магнитното ядро във вътрешността осъществява индуктивна
връзка между първичната и вторичната намотки. Двете индуктирани напрежения са с противоположен поляритет и намотките се свързват в баланс при нулева позиция. Изходните напрежения са еквивалентни по стойност и са с противоположен поляритет, вследствие на което резултатното напрежение е нулево. Нулевата позиция на LVDT е изключително стабилна и повторяема. Когато магнитното ядро се измества до нулева позиция, възниква електромагнитен дисбалане. Този дисбаланс генерира променливи напрежения във вторичната иамопна, ленто снлинейна ирптлдционални напосокадл игогеминаиа на1^в^в^с^]рви]лево. аог1)Тприеежита а иадеждност, летооснтт^ря^Р1^исара
чувствителноетинредслтитаед втело измерване натинейнотопремесаване . Едтетринт^эта наЬУБ Ттете^;^ тиско обемен DCеорорттcигн;р[ т^мнсни дилнсвонa :в2Vздpeaлизирдзeвд ниaнрлoгoвo-цсфpрвнтoпpeoбpaарвттp. ГС-зс^на и карта фиг р е стандартен компонент на преносим компютър, състоящ се от следните блокове: миксер и аналогово-цифров преобразувател.
Фиг. 2. Прототип на звукова карта
където: 1 е линейно променящ се диференциалентрансформатор LVDT, 2-генератор,3-детектор,4 - усилвател
Миксерът на устройството, което въвежда аналоговия сигнал до едни вход, който го подава на аналого-цифров преобразувател с пълен софтуерен контрол на нивото силата на сигнала ^ат)за всички канали. Аналого-цифровият преобразувател е прецизен 16-bit с максимална семплираща честота от 44.1 kHz или 48 kHz. Направен е тест с 4 звукови карти, като установихме, че има сходни характеристики Line - in входове (и другите също mik-in), които са изолирани от DC съставката на входовия сигнал посредством филтър RC, като целта е да се фиксира близко до нулевото DC ниво на получавания входов звуков
сигнал. Използва се стандартен комерсиален софтуер Sound Forge V 4,5 на Sonic Foundary. Използва се програмата на Konstantin Zeldovich's Winscope, която е функционална и се разпространява свободно.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ
Мускулните съкращения са важен елемент от биологично енергийната трансформация. Важността на гладките мускули за функциониране на организма и техните специфични характеристики са определящи механизми за контрол и куплиране между биоелектричните и съкратителните процеси.
Целта на експерименталните изследвания бе дигитално записване и последваща компютърна обработка на спонтанната механична активност при провеждане на физиологичният тест „in vitro" с гладко мускулни препарати.
Използвани са: обикновен PC съвместим компютър от нисък клас и стандартен софтуер за цифров запис на звук (sound recorder - Sound Forge 4.5 на Sonic Foundary) заедно със звукова карта (ESS Audiodrive 1868), на която са нанесени схемни изменения с цел освобождаването на записващите входове по постоянен ток (DC съставка) т.е. премахване на high-pass филтрите, които са дискретно реализирани с RC групи и директно подаване на сигнала на входа на АЦП.
В последствие се използва специфичен софтуер, създаден за целта на обработката, с функция по трансформиране на wav данните в стандартен csv формат, което позволява математическа и статистическа обработка със стандартен софтуер (Microsoft Excel, Table Curve, SPSS).
Гладко мускулните препарати (15 mm x 1,5 mm) бяха отпрепарирани от стомаха на мъжки бял плъх (220 ± 20 д), след лапаротомия по линия алба. Мукозата беше отделяна под препарационен микроскоп. Гладко мускулните ивици се поставяха в модифициран разтвор на Krebs (рН =
7.3 - 7.4), аериран с 95% О2 и 5% СО2 при 37 °С. Съставът на използвания хранителен разтвор на Krebs е в mmol/l : Na+ - 139; К+-5; Са2+ - 2.5;
Mg2+ - 1.1; Cl - 144; РОЗ - 13; НРОЗ - 3 и glucose - 11.5.
Контрактилната активност е записвана аналогово в изометричен режим, чрез изпозване на индуктивен преобразувател и записващ уред Vareg 2 (Czechoslovakia).
Бяха проведени експериментални изследвания, като :
♦ снета е механограма на спонтанната съкратителна активност (ССА) на препарат от корпусна част на стомаха на плъх в изометрични условия, т.е. с фиксирана дължина на препарата;
♦ снет е запис с цифрова трансформация на същия гладко мускулен обект при начално установяване на нулата;
♦ представен е цифров вид на спонтанната съкратителна активност на корпусен препарат т.е. на шест от спонтанните физически съкращения на препарата;
♦ извършена е последваща обработка на линейните участъци на възходящата и низходящата част на всяко от физическите съкращения;
♦ дадена е математическата обработка на данните за получаване на параметри, имащи отношение към процесите на гладко мускулните съкращения.
Заключение
Обективизирането на физиологичен тест „in vitro" с гладко мускулни препарати, след дигитализация на сигнала и компютърната му обработка, повишава обективността и информативността на метода за изследване на биологично-активни вещества и лекарствени средства.
Литература
1. Anderson. J. and E. Rosenfeld (Eds.) (1988). Neurocamputiny: Foundations of Research. Cambridge: MIT;
2. Berridge M. The versatility and complexity of calcium signaling. Novartis Found Symp 2001, 52-64;
3. Blattner R, H Classen, H Dehnert, H Doring. Experiments on isolated smooth muscle preparations. Hugo Sachs Electronic, Freeburg, 1980;
4. Bogdanov D., I. Mustakerov. С programing language . Technika, 1998. [in Bulgarian];
5. Boyadjiev N. Basis of Human Anatomy and Physiology. Part 1. Found РЕМ XXI Plovdiv, 1997;
6. Calcium Channels: Their properties, function, regulation and clinical relevance. Eds. L. Hurwitz, L. Donald Partridge, J. Leach. CRC Press, Boca 1991;
7. Castillo, E., J. M. Gutierrez, and A. S. Hadi (1997). Expert Systems and Probabilistic Network Models. Springer;
8. Jovkova D. An developed experimental set up for smooth muscle investigation „in vitro" and determination of Hill's constants for some smooth muscle samples. MSc project 1987;
9. MacKay, D. (2000). Information Theory. Inference and Learning Algorithms. http ://wol. ra. phy. cam. ac. uk/mackay/;
10. Marinov M. Biophysics. „ET-VM OFSET ", Sofia, 2001. [in Bulgarian];
11. Milieva E. Lectures in biophysics for medical students training in English, Plovdiv, 2002 (notes);
12. Nikolov L., Operational systems , Ciela 1998. [in Bulgarian];
13. Plachkov I., Program languages and program systems, Engineer aproach Plovdivl998 r. [in Bulgarian];
14. Pohlmann Ken С., The compact disc handbook, 2nd edition, A-R Editions, Inc., Madison, Wisconsin 1992;
15. Pohlmann Ken C., The compact disc handbook, 2nd edition, A-R Editions, Inc., Madison, Wisconsin, 1992;
16. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, California Technical Publishing San Diego, California, 1999;
17. http://www.DSPguide.com/;
18. Vanderkooy J., S. Lipshitz, Resolution below the least significant bit in digital audio systems with dither, J. Audio Eng. Soc. 32 (3) (1984), 106-113; Correction, J. Audio Eng. Soc. 32 (11) (1984), 889;
Янислав Гено Картелов - асистент катедра „Компютърни системи и технологии" -УХТ, Пловдив
Мирослав Кънчев Коларов - дипломант магистърска програма, кад. „Компютърни системи и технологии" - УХТ, Пловдив
