X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

RodentActivityTest (RAT) - тест для определения активности грызунов.

Зачем нужен данный проект? Данный вид устройства позволяет по внешним признакам определять, как подействовало на подопытное существо препарат, без каких-либо хирургических вмешательств. Таким образом, уменьшится количество животных, гибнущих при проведении медицинских экспериментов, и упростится процесс ведения эксперимента.

Этим проектом заинтересовались такие университеты, как СибГМУ и ТПУ. В частности, в политехническом университете хотят проверить, как будет влиять препарат от судороги на подопытных животных. Они планируют изучить движение грызуна до препарата и после, и, впоследствии, сравнить полученные результаты.

С помощью данного устройства можно проводить следующие исследования: нейродегенеративные заболевания (группа в основном медленно прогрессирующих, наследственных или приобретённых заболеваний нервной системы), фенотипирование (анализ клеток крови на эритроцитарные антигены), миопатические болезни (болезнь скелетных мышц), глобальная двигательная активность при радиотелеметрии, циркадных ритмов (проблемы с биологическими часами организма) и психических заболеваний.

Почему именно крысы будут участвовать в экспериментах, проходящих на этом приборе? Потому что большинство ученных применяют в роли подопытных животных крыс. В нашем же проекте мы используем лазерные диоды, испускающие красное излучение, при котором крысы не будут испытывать никакого дискомфорта. Они воспринимают голубовато-зелёную часть спектра света и, в основном, всё видят в сером цвете. Красный цвет означает для них полную темноту. Для других подопытных животных это будет являться дискомфортом, например, для мышей. Есть много плюсов использования крыс в лабораторной деятельности: схожесть с человеком физиологических признаков, большое потомство и, в связи с этим, дешевизна и простота в разведении. Принимая во внимание вышеописанные достоинства, прибор идеально предназначен для крыс. Хотим отметить, что в роли подопытных животных могут выступать любые звери: собаки, кошки, зайцы и др. От этого будут зависеть и параметры коробки.

Кто будет поддерживать этот проект? Недавно в Международном культурном центре ТПУ было подписано соглашение между СибГМУ и ТПУ о создании научно-образовательного междисциплинарного центра медико-инженерных технологий и исследований. Центр должен объединить исследователей двух вузов и помочь в реализации совместных научных проектов.

Как сказал ректор НИ ТПУ Пётр Савельевич Чубик на церемонии подписания соглашения: «Создаваемый центр будет работать в первую очередь на поддержку исследовательских проектов. На старте мы выделили для себя четыре основных направления. Это информационные технологии в медицине, биомедицинские технологии – все, что связано с созданием препаратов для лечения и диагностики, это медицинское материаловедение и медицинское приборостроение». Через этот центр можно будет дальше продвигать идею и сам проект.

Цель работы

Разработать устройство для контроля активности подопытного животного, позволяющего производить мониторинг без участия человека с функцией непрерывной записи показаний.

Обзор существующих устройств

1. Аппарат для измерения активности животных Activmeter (Актиметр) от Bioseb (Франция) 1. Этот прибор (рис.1), позволяет фиксировать активность подопытного грызуна в его домашней клетке путем воздействия вибрационных колебаний.

Рис. 1. Activmeter

2. Клетка для оценки общей активности (ActivityCage) 2. Клетка (рис. 2) снабжена линейкой инфракрасных лучей с датчиками и электронной системой регистрации горизонтальных и вертикальных перемещений животного.

Рис. 2. ActivityCage

3. Инфракрасный актиметр 3. Инфракрасный (ИК) актиметр (рис.3) представляет собой идеальное средство для оценки опорно-двигательной активности и проведения исследований на грызунах. Система состоит из одной квадратной рамы, опорной рамы и панели с отверстиями. Рама оснащена 32 ИК ячейками. Из них 16 ячеек на оси Х и 16 ячеек на оси Y (опционно). Инфракрасная ячейка работает на длине волны в 950 мм и её информация мультиплексирована в диапазоне 40 Гц. Мощность 230 В.

Рис. 3. Инфракрасный актиметр

4. Ротарод [4] может быть использован как для мышей, так и для крыс. Ротарод (рис. 4) применяется для исследования двигательной функции у грызунов. Влияние наркотических веществ на управление центральной нервной системой координацией двигательной активности и утомляемости можно оценить путем измерения времени, в течение которого животное продолжает балансировать на вращающемся барабане.

Рис. 4. Ротарод

Описание предлагаемого устройства RAT

Устройство (рис.5) состоит из пластиковой коробки (4040 см.), по двум смежным сторонам размещено по шесть лазерных диодов на каждой (цвет излучения красный). Напротив лазерных диодов находятся фототранзисторы, которые принимают излучение. Расстояние между соседними элементами по длине равняется 7 см. Они расположены на необходимой высоте – порядка 2 см. Также в устройство входит: ArduinoUno [5], плата, резисторы сопротивлением 10 кОм для фототранзисторов и 100 Ом для лазеров, блок питания для лазерных диодов 5 В.

Рис. 5. Общий вид устройства «RAT»

Принцип работы устройства

Особенностью работы модели «RAT» является принятие сигнала с фототранзистора на микроконтроллер. С минуса фототранзистора идет развилка на резистор и на микроконтроллер.

Arduino [5,6] имеет двоичную систему счисления, обрабатывая сигнал поступающий от фототранзисторов, программа может принимать два значения: «0» - если на фототранзистор не светит лазер и «1» - если наоборот на элемент попадает излучение. Опрашивая каждую ножку по порядку, программа зафиксирует два значения, которые потом отправятся в компьютер. В программе Processing [6] эти значения будут принимать значения X и Y, т.е. координаты. В результате мы получим в окне точку с заданными двумя координатами. Соответственно, меняя своё положение, объект будет перекрывать всегда два сигнала, и, точка будет менять своё положение.

Структурная (рис.6) и принципиальные схемы излучающей части (рис.7) и детектирующей части (рис.8) разработанного устройства «RAT» приведены ниже.

Рис. 6. Структурная схема устройства «RAT»

Рис. 7. Схема излучающей части устройства

Рис. 6. Схема принимающей (детектирующей) части устройства

Расчеты

Расчет сопротивления, подаваемого на светодиоды:

(1)

5 В = 2,9 В + 2,1 В

Зная рабочие характеристики прозрачного светодиода:

- Прямое напряжение: В;

Ток, проходящий через светодиод _mA. На основании полученных данных можно рассчитать необходимое сопротивление по закону Ома:

Ом (2)

При этом мощность не должна превышать 42 mВт:

mВт (3)

Планы усовершенствования прибора

Для широкомасштабного применения в исследовательских целях данного устройства, возможны различные дополнения и разработки. Они касаются как программирования, так и разработок в техническом плане.

При написании программы, желательно было бы создать окно пользователя, в котором отображалась бы активность подопытного: мониторинг активности с автоматическими диаграммами за час/день/неделю, часы наибольшей и наименьшей подвижности, фазы отдыха, средняя развиваемая скорость и другие данные, которые будут важны для исследований. На монитор при помощи микроконтроллера выводилось бы точное местонахождение грызуна и траектория его последних движений.

Кроме того, устройство можно было бы дополнить беговым колесом или беговой дорожкой – простым и эффективным устройством для оценки добровольной двигательной активности в клетке. Его использование особенно подошло бы для изучения суточных ритмов, фенотипирования и при испытании лекарственных препаратов. Также предлагается установка лабиринта и фиксация времени полного его прохождения. Тесты подобного рода применяются для изучения состояния тревожности, мозговой активности, особенно в условиях стрессовой ситуации.

Сконструированный нами в этом проекте прибор, после всевозможных преобразований в техническом плане, необходимо дополнить стенками для защиты фототранзисторов и лазеров от порчи подопытными животными. Конструкция будет представлять из себя «коробку в коробке». Также предлагается сделать внутри модели «RAT» стенки из тонкого стекла, а место прохождения лазерного луча оборудовать собирающими линзами для лучшей фокусировки на фототранзистор.

Заключение

В ходе работы над проектом мы приобрели навыки в программировании, в схемотехнике и в пайке. Научились искать информацию в Интернете и обрабатывать её.

Этот проект открывает новую ступень в медицинской и лабораторной деятельности с подопытными животными, бесконтактную и не требующую человеческого вмешательства, безопасную и не причиняющую дискомфорта грызунам. Устройство «RAT» относится к ветеринарии и может быть использовано в биологии, физиологии, фармакологии и токсикологии для регистрации двигательной активности животных. Изобретение позволяет расширить возможности и повысить помехоустойчивость системы. Система в свою очередь обеспечивает возможность одновременной регистрации индивидуальных показателей двигательной активности животных на протяжении длительного времени. Кроме того, система выдает информацию в виде распечатки с указанием почасовой активности при высокой степени помехоустойчивости.

Список использованной литературы

Аппарат для измерения активности животных ACTIVMETER от Bioseb: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.: http://phct.ru/apparat-dlya-izmereniya-aktivnosti-zhivotnyh-activmeter/ (дата обращения: 15.01.2018).

Клетка для оценки общей активности - Activity Cage: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.: http://www.biotechnologies.ru/catalog/

ActivityCage.html (дата обращения: 15.01.2018).

Инфракрасный актиметр с системой Панель с отверстиями: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.:http://vivariumlab.com/dvigatelnaya-aktivnost/66-infrakrasnyj-aktimetr-s-sistemoj-panel-s-otverstiyami (дата обращения: 15.01.2018).

Ротарод (rotarod): [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.:http: http://vivariy.com/products/rotarod (дата обращения: 15.01.2018).

Сайт «Arduino»: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.: https://www.arduino.cc (дата обращения: 15.01.2018).

Сайт «Arduino-diy.com»: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.: http://arduino-diy.com/arduino-processing-osnovi (дата обращения: 15.01.2018).

Сайт «Processing»: [Электронный ресурс] - Режим доступа к ст.: https://processing.org (дата обращения: 15.01.2018).

Код для цитирования: Скопировать