Применение информационных технологий при биофизических исследованиях проблем слуха Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

1. ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ

1.1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ УДК: 004.93

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ БИОФИЗИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОБЛЕМ СЛУХА

Постолит А.В., д.т.н., профессор, академик РАТ, Др. Лукашкина В., старший научный сотрудник ООО «Городские Интеллектуальные Системы», г. Москва, Россия *2 Лаборатория фармации и биомолекулярных наук Университета г. Брайтон, Великобритания

Аннотация. Лаборатория фармации и биомолекулярных наук Университета в г. Брайтон проводит фундаментальные исследования слуха. Эти исследования раскрывают основы понимания нормального функционирования ушной раковины (внутреннего уха) и формируют основы для разработки методов лечения потери слуха. Проблемы, связанные с потерей слуха, только в Великобритании затрагивают более 11 миллионов человек, то есть каждого шестого жителя. Слух имеет существенное влияние на жизнь людей и существенное экономическое воздействие на общество. Слух это не только средство межличностного общения, он также влияет на широкий спектр параметров состояния здоровья, качество повседневной жизни и на ограничения независимости. В связи с эти медицина занимается поиском и освоением доступных методов, которые способствуют снижению негативных последствий нарушения слуха. По мере старения населения эти проблемы становятся все более актуальными.

В данной статье рассмотрены вопросы применения информационных технологий при обработке данных экспериментальных исследований чувствительности слуха. Приведены примеры практического использования специализированного программного обеспечения для графической интерпретации экспериментальных данных в процессе исследования чувствительности слуха и разработке методов лечения глухоты.

Ключевые слова: программное обеспечение, информационные системы, базы данных, ушная улитка, волосковые клетки, звуковая частота.

лечения потери слуха, которая затрагивает миллионы людей по всему миру. Наше внимание сейчас обращено на растущую проблему возрастной потери слуха или пресбиакусис. Исследования, проведенные в лаборатории фармации и биомолекулярных наука Университет Брайтона, внесли значительный вклад в текущее понимание работы ушной улитки. А именно -чувствительность нашего слуха зависит от градуированного процесса усиления в улитке, с помощью которого реакции на самые слабые звуки усиливаются в тысячи раз, а ответы на самые громкие звуки сжимаются.

Кохлеарное усиление звука обеспечивается сенсорно-двигательными наружными

волосковыми клетками улитки. Когда они повреждены, или полностью разрушены, как это может произойти вследствие генетических мутаций, происходит повреждение слуха.

Введение

В лаборатории исследования слуха (School of Pharmacy and Biomolecular Science University of Brighton UK) проводятся фундаментальные исследования по чувствительности органов слуха, влиянию генетики и различных внешних факторов на возникновение различных отклонений в нормальной работе слухового аппарата и разработкой методов лечения глухоты [1,2,3]. Потеря слуха, как полагают, происходят не в сенсорных клетках органа слуха, а в улитке внутреннего уха (Cochlea), т.е. органа, который производит нервные импульсы в ответ на звук.

Наши уникальные методы и подходы к исследованию отклонений в нормальной работе органов слуха обеспечивают существенное понимание нормальной работы Cochlea и основы для понимания и разработки методов

Слабые звуки больше не воспринимаются из-за потери усиления, а сильные звуки появляются очень громко (рекрутинг) из-за потери сжатия.

Кохлеарное усиление зависит от напряжения и изменений в конфигурации престина, электромотильного белка, расположенного в плотных концентрациях в боковых мембранах трубчатых структур наружных волосковых клеток, которые заставляют изменять их длину и жесткость в ответ на каждый цикл звукового стимула. В человеческом ухе этот процесс может происходить от нескольких сотен до нескольких тысяч раз в секунду. При ультразвуковой чувствительности ушей

летучих мышей и дельфинов эти колебания могут происходить с частотой более 100 000 раз в секунду. Наше текущее исследование направлено на понимание того, как наружные волосковые клетки взаимодействуют

механически с нежной и сложной клеточной архитектурой улитки. Именно это сложное, неизвестное взаимодействие приводит к усилению. Когда это взаимодействие нарушается, то возникает потеря слуха.

В результате проводимых исследований научные сотрудники снимают с

экспериментального оборудования достаточно большой объем экспериментальных данных, обработка которых требует значительных усилий и неоправданно больших затрат времени на рутинную обработку информации. Кроме того, в процессе проведения серии исследований на животном возникает необходимость в оперативной обработке данных одного эксперимента для того, чтобы проанализировать его результат и скорректировать параметры продолжения экспериментов, поскольку животное не может долго находится в стрессовом состоянии в условиях экспериментальной установки. Для этой цели была разработана информационная системы, позволяющая с одной стороны в оперативном режиме получить графическую интерпретацию

данных в процессе экспериментов, с другой стороны анализировать и сопоставлять результаты множества экспериментов после их завершения. Для разработки данной системы использовались объектно-ориентированные программные средства и системы управления базами данных [4,5,6].

Описание системы

Принципиальная структура системы обработки данных экспериментов исследования чувствительности слуха приведена на рис. 1.

При создании системы на первом этапе были решены следующие задачи:

- определена структура имен первичных и предварительно обработанных файлов с данными экспериментов;

- сформирован перечень базовых справочников с нормативно-справочной информацией (НСИ) и согласовано их содержание со структурой имен первичных и предварительно обработанных файлов с данными экспериментов;

- сформирована структура (форматы) первичных файлов и обработанных Л8С-файлов;

- разработана структура базы данных (БД), которая включает перечень таблиц с основными данными экспериментов, базовые и дополнительные справочники НСИ.

На втором этапе были определены базовые отчетные формы, их табличное и графическое представление.

На третьем этапе был выбран инструментарий для написания программного обеспечения (ПО) [3], проработан дизайн внешнего интерфейса пользователя и выполнено программирование всех необходимых модулей системы.

В имени каждого файла содержится информация об атрибутах данных того или иного эксперимента. Образцы имен файлов с данными приведены в табл. 1.

1

X

Первичные файлы с экспериментальной установки (EmiCbaWT11d.000, CreCop1d.000, CopHop1dL.009...)

Модуль разбора первичного файла

X

Обработанные ASC файлы (EmiCba_WT_11_d.000a, CreCop_1_d.000a, CopHop_1_dL.009a...)

Модуль разбора обработанного файла

<— 1

Интерфейс выбора типа и параметров запроса к БД

Модуль выборки данных из БД

Q.

Модуль отображения табличных данных Модуль графической интерпретации данных

1

Рисунок 1. Принципиальная структура системы постобработки данных

Таблица 1. Образы имен файлов с данными экспериментов

№ Наименование Наименова- Катего- Номер Тип Номер Категор

пп файла ние проекта рия животного экспери- эксперимен ия

животно в экспери- мента та файла

го менте

File name Proekts Animal Number Type of Number File

category Animal experiment category

1 CreCop1d.000 CreCop 1 d 000

2 CreCop1d.000a CreCop 1 d 000 a

3 CreCop1cm.000 CreCop 1 cm 000

4 CreCop1cm.000a CreCop 1 cm 000 a

5 CreCop1dL.002 CreCop 1 dL 002

6 CreCop1dL.002a CreCop 1 dL 002 a

7 CreCop1dRW.003 CreCop 1 RW 003

8 CreCop1dRW.003a CreCop 1 RW 003 a

9 CopHop1dL.011 CopHop 1 dL 011

10 CopHop1dL.011a CopHop 1 dL 011 a

11 EmiCbaTr28d.002 EmiCba Tr 28 d 002

12 EmiCbaTr28d.002a EmiCba Tr 28 d 002 a

13 EmiCbaWT11d.000 EmiCba Wt 11 d 000

14 EmiCbaWT11d.000a EmiCba Wt 11 d 000 a

Как видно из табл.1, в именах файлов - наименование исследовательского

закодированы некоторые сведения об проекта - Proekt;

эксперименте. В частности: - категория животного - Animal category;

«Хроноэкономика» № 3 (11). Июнь 2018 www.hronoeconomics.ru

10

- номер животного в эксперименте -Number Animal;

- тип эксперимента - Type of experiment;

- номер эксперимента - Number (порядковый номер файла с данными эксперимента) ;

- категория файла - File category.

На основе табл. 1 был сформирован перечень базовых справочников, в которых будут содержаться атрибуты имени файла. Ниже приведены образцы структурированных имен файлов с данными экспериментов:

CreCop_Un_1_d.000a;

CreCop_Un_1_cm.000a ;

EmiCba_Tr_28_d.002a ;

EmiCba_WT_11_d.000a .

Базовые справочники служат для однозначного определения характеристик животных, которых отбирают для проведения экспериментов, а также параметров самих экспериментов. Эти данные используются для формирования имен файлов с данными результатов экспериментов, для выборки параметров фильтрации и сортировки данных при формировании отчетных форм и графической интерпретации результатов экспериментов. Структура и взаимосвязь таблиц базовой НСИ приведена на рис. 2.

Справочник проектов Proekts

V

Категории животных Animal category

Тип эксперимента Type of experiment

Категория файла File category

Задается пользователем

Задается пользователем

V

V

V

Mutation name Animal category Number Animal Type of experiment Number Experiment File kategory

Имя файла с данными экспериментов

CreCop Tr 21 cm 001 a

Справочник животных-

Animals

Рисунок .2. Структура базовых справочников системы

Кроме справочников системы были созданы базовые таблицы для хранения данных экспериментов. Принципиальная структура таблиц БД приведена на рис. 3.

В системе обработки данных экспериментов реализованы следующие функции:

- ведение справочников НСИ;

- импорт в систему данных, полученных в ходе исследований чувствительности слуха с экспериментального оборудования;

- просмотр экспериментальных данных в табличном виде;

- просмотр, анализ и корректировка данных конкретного эксперимента;

- просмотр и сравнительны анализ данных группы экспериментов.

Рисунок 3. Структура таблиц БД

На рис. 4 представлено окно для просмотра, отображаются в левой части формы в виде

анализа и корректировки данных конкретного таблицы, а в правой части формы представлена

эксперимента. Экспериментальные данные из графическая интерпретация данных. выбранного пользователем файла загружаются и

Рисунок 4. Графическая интерпретация данных эксперимента

В данном окне пользователь может выполнять следующие манипуляции с данными и их отображением:

- отключать - включать отображения линий амплитуды, фазы и шума на графике;

- изменять цвет линий амплитуды, фазы и шума на графике;

- менять параметры осей X, Y1, Y2 (минимальное, максимальное значение, интервал);

- показывать - скрывать разметку сетки;

- делать пересчет параметров фазы с сохранением тех данных, которые получены с оборудования;

- отображать на графике значения фазы, полученные с оборудования (опция - Ph), скорректированные пользователем (опция -Phc);

- аппроксимировать данные амплитуды прямой линией и автоматически определять точку пересечения аппроксимирующей прямой с линией Y=0;

- отображать свободную прямую линию с возможностью ее перемещения по графику (ручная визуальная аппроксимация);

- выводить графики на печать;

- сохранять графики в виде файлов (в формате jpeg).

На рис. 5 приведен пример отображения на графике только линии амплитуды, с убранной сеткой, заданными пользователем параметрами оси X, аппроксимирующей прямой и свободно нарисованной линией.

Рисунок 5. Графическая интерпретация изменения амплитуды с индивидуальными настройками

пользователя

На рис. 6 представлено окно для просмотра, анализа и корректировки данных группы экспериментов.

Рисунок 6. Первоначальный вид окна анализа данных для группы экспериментов

Первым шагом пользователь должен выбрать экспериментов (Data1, Data2). В процессе интересующий его интервал дат проведения выбора дат система отфильтрует и покажет в

соответствующей таблице сведения из журнала проведенных экспериментов.

В данной таблице будут показаны все файлы с данными экспериментов, принятые в систему за выбранный промежуток дат. Пользователь имеет возможность отфильтровать эти данные по следующим параметрам (рис. 7):

исследовательского

- наименование проекта;

- категория животного;

- номер животного в эксперименте;

- тип эксперимента.

Рисунок 7. Фильтрация данных из журнала экспериментов

Vyb

После выбора нужных параметров фильтров и нажатия кнопки Show Files пользовать получит обновленный список файлов с данными экспериментов (журнал экспериментов). Далее, для получения графического представления данных экспериментов, необходимо в верхней таблице левой части формы сделать отметки в

поле Vyb для тех данных из журналов экспериментов, которые пользователь хочет увидеть в графическом виде. Теперь достаточно нажать на кнопку - Draw Chart для того чтобы получить сравнительную графическую интерпретацию данных для группы экспериментов (рис. 8)

Рисунок 8. Сравнительная графическая интерпретация данных для группы экспериментов

В данном окне пользователь может выполнять следующие манипуляции с данными

и их отображением:

- отключать - включать отображения линий амплитуды, фазы и шума на графике для всей группы выбранных данных;

- изменять цвет линий амплитуды, фазы и шума на графике для каждой отдельной линии;

- менять параметры осей X, Y1, Y2 (минимальное, максимальное значения, интервал);

- показывать - скрывать разметку сетки;

- отображать на графике данные фазы, полученные с оборудования (опция - Ph), скорректированные пользователем (опция -Phc);

- устанавливать логарифмическую шкалу для оси Х;

- отображать свободную прямую линию с возможностью ее перемещения по графику (ручная визуальная аппроксимация);

- выводить графики на печать;

- сохранять графики в виде файлов (в формате jpeg).

На рис. 9 приведен пример отображения на графике только линии амплитуды, с убранной сеткой, аппроксимирующей прямой свободно нарисованной линией.

Рисунок 9. Заданные пользователем параметры для сравнительной графической интерпретации данных для группы экспериментов

Использование современных

информационных технологий при проведении экспериментальных исследований позволяет автоматизировать процессы обработки данных, снизить непроизводительные затраты труда исследователей на рутинную обработку информации, повысить глубину аналитических исследований, оперативность получения результатов. В частности данная система эффективно использовалась в следующих исследованиях:

• Royal Society International Exchanges Grant, Amphiphilic polymer-based enhancers for local drugs delivery to the inner ear, 2016-2018.

• MRC programme grant, Interaction between sensory and supporting cells in the organ of Corti: basis for sensitivity and frequency selectivity of mammalian cochlea, 2015-2020.

Заключение

Применение систем обработки и графической интерпретации данных показали высокую

эффективность при проведении экспериментов исследования чувствительности слуха и разработки методов лечения глухоты. Наши исследования показали, что:

• молекула белка prestin в наружных клетках волос обеспечивает основу для кохлеарного усилителя звука и играет важную роль в определении настройки частоты улитки;

• структура текториальной мембраны, являющейся основной внеклеточной матрицы улитки, предназначена для ретранслирования усиленных реакций наружных волосяных клеток на чисто сенсорные внутренние волосковыеые клетки, взаимодействующие со слуховым нервом;

• при проведении исследования по генам глухоты - таким как коннексин 26 и коннексин 30 было обнаружено, что конкретная мутация связанная с протеином коннексин 30 на самом деле предотвращает глухоту на высоких звуковых частотах.

Наши методики исследования,

специализированное лабораторное

оборудование и комплекс программных средств позволили разработать и протестировать теоретические и практические принципы проектирования слухового аппарата нового типа, который использует миниатюрный электромагнит для возбуждения улитки по-новому, когда обычная тропа «пинна-среднее ухо» недоступна в результате фатальных повреждений. При этом применение современных информационных технологий позволило значительно повысить

производительность труда исследователей, снизить временные затраты на рутинные процессы обработки данных и в целом повысить эффективность работы научного персонала.

Литература:

1. Gareth P. Jones, Victoria A. Lukashkina, Ian J. Russell, Andrei N. Lukashkin. The Vestibular System Mediates Sensation of Low-Frequency

Sounds in Mice. School of Life Sciences, University of Sussex, Falmer, Brighton, BN1 9QG, UKReceived: 22 September 2009; Accepted: 5 August 2010; Online publication: 4 September 2010.

2. Gareth P. Jones; Victoria A. Lukashkina; Ian J. Russell; Andrei N. Lukashkin. The Vestibular System Mediates Sensation of Low-Frequency Sounds in Mice

3. Thomas D. Weddell, Marcia Mellado-Lagarde, Victoria A. Lukashkina, Andrei N. Lukashkin, Jian Zuo, Ian J. Russell. Prestin links extrinsic tuning to neural excitation in the mammalian cochlea. Current Biology Vol 21 No 18 R682.

4. Зиборов, В. В. Visual Basic 2012 на примерах. — СПб.: БХВ-Петербург, 2013.

5. Постолит, А.В. Visual Studio .NET разработка приложений баз данных. Санк-Петербург, «БХВ-Петербург», 2003.

6. Тарасов, В.Л. Работа с базами данных в Access 2010. Нижний Новгород 2014