СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ

Полезная модель относится к медицинской технике, а более конкретно - к техническим средствам, предназначенным для проведения биомедицинских исследований на лабораторных животных, в частности для измерения сердцебиения, дыхания и движения животных.
При проведении биомедицинских исследований на лабораторных животных для ряда прикладных задач, решаемых в настоящее время в медицине и фармакологии, требуется длительный бесконтактный контроль частоты сердцебиения, ритма дыхания, артериального давления и двигательной активности исследуемых лабораторных животных. Для этих целей используются специальные стенды, включающие клетки для размещения и пространственного ограничения движения малых лабораторных животных, диагностическое оборудование и средства связи между датчиками физиологических параметров и внешним устройством сбора, обработки, отображения и передачи полученных данных.
На первых этапах исследования действия медицинских препаратов и их компонентов для выяснения влияния на параметры жизнедеятельности (дыхание, сердцебиение, артериальное давление) и определения токсичности препаратов используют малые лабораторные животные. Как правило, для фармакологических исследований применяются крысы, поскольку строение их сердечнососудистой системы схоже со строением сердечнососудистой системой человека. Действие препаратов в подавляющем большинстве случаев оценивают по сердечной активности, дыханию или поведению лабораторного животного. Так, например, для мониторинга сердцебиения в тело животного вживляется миниатюрный электрокардиограф. В этом случае требуется значительное время для проведения операционного вмешательства и последующей реабилитации лабораторного животного. Более удобен, с точки зрения сокращения затрат времени, метод бесконтактного мониторинга. В этом случае не требуется вживление электрокардиографа в тело животного и не проявляется влияние постоперационных факторов на результаты исследований.
Известен, например, стенд, предназначенный для проведения контактных электрофизиологических исследований на крысах, который описан в патенте RU 2245117 (опубликован 10.06.2004). Данный стенд содержит клетку для крысы, электродное устройство, вспомогательный элемент, который фиксируется на крысе в месте выхода электропроводов электродного устройства, референтный электрод и регистрирующее устройство. Вспомогательный элемент выполнен в виде фиксируемой на хвосте крысы втулки с фланцами на концах. Втулка установлена с возможностью свободного вращения вокруг оси в прорези, выполненной в стенке клетки. Электропровода электродного устройства пропущены через втулку-привязь. Снаружи клетки концы электропроводов зафиксированы на опоре, расположенной напротив втулки-привязи. Опора и втулка-привязь пространственно разделены. Электропровода электродного устройства и референтного электрода на участке между втулкой-привязью и опорой провисают. Референтный электрод подсоединен к втулке-привязи.
Наиболее близким аналогом полезной модели является стенд для проведения беспроводных исследований на лабораторных животных, описанный в патенте US 8468975 (опубликован 25.06.2013). Стенд содержит клетку для размещения лабораторного животного, две катушки индуктивности, установленные с внешней стороны клетки, и метку с электрическим контуром, включающим параллельно соединенные индуктивные и емкостные элементы. Метка выполняется в виде катушки индуктивности L и емкости С, которые образованы на печатной плате. Метка закрепляется на части тела лабораторного животного. В частности, метка может быть приклеена к лапе лабораторного животного. Внешние катушки индуктивности подключаются к генератору сигнала переменного тока и к измерительному контуру.
Стенд позволяет определить положение лабораторного животного или его определенной части тела в текущий момент времени, а также траекторию движения животного внутри клетки. Измерения проводятся без использования проводной связи между детектором и системой измерений. Принцип работы установки основан на возбуждении внутри клетки изменяющегося во времени магнитного поля и измерении импеданса внешнего электрического контура за счет перемещения LC контура в клетке.
Регистрация пространственного положения метки и, соответственно, части исследуемого лабораторного животного определяется по изменению импеданса контура вследствие возникновения резонансных явлений при перемещении LC контура между внешними катушками индуктивности. Величина импеданса внешнего контура зависит от резонансной частоты LC контура и его пространственного положения относительно внешних катушек индуктивности.
Данный метод и стенд, предназначенный для его осуществления, обеспечивает постоянный бесконтактный контроль движения лабораторного животного и его частей тела. Однако с помощью известного устройства невозможно определить такие важные характеристики жизнедеятельности лабораторного животного, как частота сердцебиения и ритм дыхания. Кроме того, датчик движения закрепляется непосредственно на теле животного, что оказывает влияние на поведение животного.
Полезная модель направлена на исключение из состава стенда любых средств измерения физиологических параметров, включая вживляемые имплантаты и закрепляемые метки, которые контактируют с телом лабораторного животного. Решение данной задачи обеспечивает полный бесконтактный контроль физиологических параметров жизнедеятельности лабораторного животного при проведении биомедицинских исследований в условиях естественного поведения, включая одновременное измерение следующих показателей жизнедеятельности: частоты сердцебиения, ритма дыхания и двигательной активности исследуемого животного.
Достижение указанного технического результата обеспечивается с помощью стенда, предназначенного для проведения биомедицинских исследований на лабораторных животных. В состав стенда входит, по меньшей мере, одна клетка для лабораторного животного, измерительная платформа с датчиками контроля характеристик жизнедеятельности лабораторного животного и модуль сбора, обработки и передачи данных.
Измерительная платформа размещается под клеткой для лабораторных животных и содержит, по меньшей мере, два идентичных датчика. Датчики симметрично расположены вдоль нижней части клетки. Каждый датчик содержит генератор СВЧ колебаний, делитель мощности, смеситель сигналов, чувствительный элемент с копланарной полосковой линией передачи сигнала, образующей рабочий канал датчика, несимметричную полосковую линию передачи сигнала, образующую опорный канал датчика, и диэлектрическую подложку. Рабочий и опорный каналы включены между выходами делителя мощности и входами смесителя сигнала. Вход делителя мощности соединен с выходом генератора СВЧ колебаний.
На одной поверхности подложки нанесены электропроводящий заземленный слой и печатная дорожка рабочего канала. На противоположной поверхности подложки нанесена печатная дорожка опорного канала. Поверхность подложки с электропроводящим заземленным слоем и печатной дорожкой рабочего канала обращена к клетке.
С помощью датчиков, входящих в состав измерительной платформы, обеспечивается одновременная регистрация частоты сердцебиения, ритма дыхания и двигательной активности исследуемого животного. Выполнение данных функций осуществляется за счет конструкции используемых датчиков.
При нахождении чувствительных элементов датчиков в непосредственной близости от исследуемого лабораторного животного (под нижней частью клетки) проявляется влияние пульсаций кожного покрова тела животного, вызванных сердцебиением и дыханием животного, а также его перемещение на условия распространения генерируемых СВЧ сигналов в копланарной полосковой линии передачи сигнала рабочего канала датчика. Пульсационные движения кожного покрова тела животного и его перемещение воздействует на электромагнитное поле сигнала, формируя отклик сигнала, пропорциональный изменению параметров внешней среды. Данная составляющая сигнала регистрируется, преобразуется в цифровой вид, обрабатывается с использованием программного обеспечения и передается для дальнейшего отображения полученной информации.
Использование в составе датчиков несимметричных полосковых линий передачи, которые включены в опорный канал датчика и расположены на тыльной стороне диэлектрической подложки, позволяет исключить влияние внешних помех, включая влияние пульсационных движений кожного покрова животного и его перемещения в клетке, на эталонный опорный сигнал. Вследствие этого в опорном канале датчика обеспечиваются идентичные по отношению к рабочему каналу условия распространения СВЧ сигнала при отсутствии влияния внешней среды.
При изменении параметров внешней среды изменяются условия распространения СВЧ сигнала в рабочем канале (чувствительном элементе) каждого датчика. В этом случае с помощью смесителя сигналов может быть определено отклонение сигнала, проходящего через копланарную полосковую линию рабочего канала, относительно эталонного сигнала в опорном канале. При этом исключается влияние на эталонный опорный сигнал изменений параметров внешней среды. Измеренное отклонение сигнала характеризует изменения параметров внешней среды, а именно параметров жизнедеятельности лабораторного животного, находящегося в непосредственной близости от датчиков.
Для более точной настройки и согласования рабочего СВЧ сигнала с параметрами линии передачи и параметрами измеряемой среды в состав датчика входит аттенюатор. Вход аттенюатора соединяется с выходом делителя мощности. Выход аттенюатора подключается к входу копланарной полосковой линии передачи.
В предпочтительном варианте конструкции модуль сбора, обработки и передачи данных содержит последовательно соединенные усилитель сигналов, к входам которого подключены выходы датчиков, фильтр нижних частот, аналогово-цифровой преобразователь сигналов и микроконтроллер. Микроконтроллер может включать в свой состав процессор, программируемое постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство.
Для полной обработки полученных данных может использоваться один или несколько персональных компьютеров. В этом случае обмен данными между компьютером и модулем сбора, обработки и передачи данных осуществляется через линию передачи данных, в качестве которой может использоваться USB или Wi-Fi интерфейс.
Датчики измерительной платформы преимущественно устанавливаются в защитном герметичном корпусе, выполненном из ударопрочного пластика, например из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС пластика). В конкретном варианте конструкции измерительной платформы может использоваться шестнадцать датчиков, установленных на одной общей плате со стороны верхней части крышки разъемного корпуса. С целью обеспечения эффективной работы измерительной платформы корпус с датчиками размещается под клеткой в непосредственной близости от лабораторного животного. В полости защитного герметичного корпуса могут быть установлены электронные компоненты модуля сбора, обработки и передачи данных.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения стенда, предназначенного для проведения биомедицинских исследований лабораторных животных. На поясняющих чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - общий вид стенда;
на фиг. 2 - разрез защитного герметичного корпуса измерительной платформы в области размещения платы с датчиками;
на фиг. 3 - структурная схема электронных компонентов стенда.
Стенд, изображенный на фиг. 1÷2 чертежей, предназначен для проведения биомедицинских исследований на лабораторной крысе. Стенд содержит клетку 1 для содержания лабораторного животного. Под нижней частью клетки 1 установлен защитный герметичный корпус 2. На верхней части разъемного корпуса 2 установлена съемная крышка 3. Корпус 2 выполнен из ударопрочного диэлектрика, в качестве которого используется акрилонитрилбутадиенстирол (АБС пластик). Применяемый материал прозрачен для электромагнитного излучения.
В полости корпуса 2 вблизи его верхней крышки 3 установлена измерительная платформа, представляющая собой общую плату 4, на которой симметрично вдоль нижней части клетки 1 установлены шестнадцать печатных плат 5, выполняющих функции датчиков. Каждая печатная плата 5 содержит чувствительный элемент и другие электронные компоненты. Вместе с измерительной платформой в полости корпуса 2 расположены электронные компоненты модуля сбора, обработки и передачи данных (МД). Герметичный корпус 2 обеспечивает размещение датчиков (печатных плат 5) в непосредственной близости от лабораторного животного, при этом исключается контакт электронных компонентов с продуктами жизнедеятельности животного.
Каждый датчик (Д1÷Д16) 6 содержит генератор СВЧ колебаний (ГК) 7, делитель мощности (ДМ) 8, аттенюатор (AT) 9, копланарную полосковую линию передачи сигнала (КЛ) 10, несимметричную полосковую линию передачи сигнала (НЛ) 11 и смеситель сигналов (СМ) 12 (см. фиг. 3 чертежей). Копланарная полосковая линия 10 служит чувствительным элементом датчика и образует вместе с аттенюатором 9 рабочий канал датчика. Аттенюатор 9 включен в рабочий канал между выходом делителя мощности 8 и входом копланарной полосковой линии 10. Несимметричная линия НЛ 11 образует опорный канал датчика. Рабочий и опорный каналы датчика включены между выходами делителя мощности 8 и входами смесителя сигнала 12. Вход делителя мощности 8 соединен с выходом генератора СВЧ колебаний 7.
Электронные компоненты датчика расположены на диэлектрической подложке. На одной поверхности подложки нанесены электропроводящий заземленный слой и печатная дорожка рабочего канала. На противоположной поверхности подложки нанесена печатная дорожка опорного канала. Поверхность подложки с электропроводящим заземленным слоем и печатной дорожкой рабочего канала обращена к клетке 1.
Модуль (МД) 13 содержит последовательно соединенные усилитель сигналов (УС) 14, фильтр нижних частот (ФНЧ) 15, аналогово-цифровой преобразователь сигналов (АЦП) 16 и микроконтроллер (МК) 17. Усилитель УС 14 выполнен с шестнадцатью каналами. К входам усилителя УС 14 подключены выходы датчиков 6. Фильтр ФНЧ 15 выполнен с частотой среза 20 Гц. Преобразователь АЦП 16 также выполнен с шестнадцатью каналами.
Выходные каналы преобразователя АЦП 16 подключены к микроконтроллеру МК 17, состоящему из центрального процессора (ПР) 18, программируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) 19 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 20. Процессор 18 связан через линию передачи данных (ЛП) 21 с персональным компьютером (ПК) 22. В качестве линии ЛП 21 используется интерфейс USB или Wi-Fi.
Электропитание узлов и блоков стенда осуществляется от источника электропитания с гальванической развязкой (на чертеже не показан). Источник электропитания преобразует переменное сетевое напряжение 220±22 В в постоянное напряжение 3,3 В.
Биомедицинские исследования на лабораторном животном (крысе) проводятся с помощью стенда следующим образом.
В качестве показателей жизнедеятельности лабораторной крысы выбраны следующие характеристики, фиксируемые в течение длительного периода времени: частота сердцебиения, ритм дыхания и двигательная активность, оцениваемая по перемещению лабораторной крысы по клетке 1 (вдоль поверхности измерительной платформы 2). Измерение перечисленных характеристик производится бесконтактно с помощью измерительной платформы 2, представляющей собой общую плату 4, на которой симметрично расположены шестнадцать печатных плат 5 датчиков. Платформа 2 установлена под клеткой 1, в которой находится лабораторная крыса, и охватывает поверхность дна клетки.
При включении электропитания стенда в каждом из шестнадцати датчиков 6 (см. фиг. 3 чертежей) с помощью генератора ГК 7 создаются гармонические СВЧ колебания. В качестве рабочих сигналов используются узкополосные СВЧ сигналы. Рабочий сигнал передается на вход делителя ДМ 8, который делит входной сигнал на два равных по мощности выходных сигнала. С первого плеча (выхода) делителя ДМ 8 сигнал поступает в рабочий канал датчика, который содержит последовательно включенные аттенюатор AT 9 и копланарную линию КЛ 10. Амплитуда рабочего сигнала предварительно регулируется без искажения формы сигналов с помощью аттенюатора AT 9. Со второго плеча (выхода) делителя ДМ 8 сигнал поступает в опорный канал датчика с несимметричной линией НЛ 11.
В процессе распространения СВЧ сигнала по копланарной линии 10, используемой в качестве чувствительного элемента датчика, большая часть силовых линий электрического поля концентрируется в диэлектрической подложке между печатной дорожкой рабочего канала датчика и электропроводящим заземленным слоем. Меньшая часть силовых линий электрического поля концентрируется в окружающем воздушном пространстве над электропроводящим заземленным слоем и печатной дорожкой рабочего канала.
Поскольку диэлектрическая проницаемость тела лабораторного животного значительно больше диэлектрической проницаемости воздуха, то при приближении животного к чувствительному элементу датчика 6 изменяются условия распространения СВЧ сигнала в копланарной линии КЛ 10. Условия распространения СВЧ сигнала изменяются также при пульсационном движении кожного покрова лабораторного животного, вызванном сердцебиением и дыханием животного. Такого рода пульсации приводят к снижению амплитуды сигнала и к возникновению фазовой задержки сигнала.
Выделение полезного сигнала, непосредственно связанного с изменениями амплитуды и фазы передаваемого сигнала при приближении лабораторного животного к определенному датчику 6 производится посредством сравнения сигнала, передаваемого через рабочий канал, с эталонным сигналом, который передается через опорный канал. Для этого со второго плеча делителя ДМ 8 равный по мощности сигнал передается в опорный канал датчика, содержащий несимметричную линию НЛ 11.
В несимметричной линии НЛ 11 большая часть электромагнитного сигнала распространяется в диэлектрической подложке между печатной дорожкой опорного канала и электропроводящим заземленным слоем. За счет того, что печатная дорожка опорного канала расположена с противоположной стороны диэлектрической подложки по отношению к печатной дорожке рабочего канала и электропроводящему заземленному слою, которые вместе образуют копланарную линию КЛ 10, обеспечивается снижение влияния внешней среды, в частности движения тела лабораторного животного, на эталонный опорный сигнал датчика.
Вследствие снижения влияния внешних факторов на распространение электромагнитных сигналов в опорном канале датчика 6 и согласования передаваемых сигналов с входными характеристиками смесителя сигналов СМ 12 обеспечиваются идентичные условия распространения СВЧ сигналов в рабочих и опорных каналах датчиков 6 (при отсутствии влияния внешней среды). При данных условиях обеспечивается достоверное и точное выделение сигналов, характеризующих изменение положения исследуемого объекта, частоту сердцебиения и ритм дыхания лабораторного животного. Данный принцип бесконтактных измерений характеристик внешней среды реализован ранее на примере устройства для регистрации скорости распространения пульсовой волны. Устройство, описанное в патента RU 126257 (опубликован 27.03.2013), применяется для исследования сердечнососудистой системы живых организмов.
Далее СВЧ сигналы из рабочего и опорного датчика поступают на вход смесителя СМ 12, с помощью которого производится перемножение входных сигналов. На выходе из смесителя СМ 12 образуется результирующий СВЧ сигнал с квазипостоянной составляющей, зависящей от амплитуды сравниваемых сигналов и разности фаз между сигналами. Преобразование, предварительная обработка и передача данных в компьютер для последующей обработки и визуализации сигналов осуществляется с помощью модуля МД 13.
Общий для всех шестнадцати датчиков 6 модуль МД 13 последовательно выполняет следующие функции:
- усиливает в шестнадцатиразрядном усилителе УС 14 входящие сигналы датчиков;
- выделяет с помощью фильтра ФНЧ 15 квазипостоянные составляющие сигнала каждого датчика, зависящие от амплитуды сравниваемых сигналов и разности фаз между сигналами;
- осуществляет синхронное аналогово-цифровое преобразование с частотой 1 кГц сигналов датчиков с помощью шестнадцатиканального преобразователя АЦП 16;
- обеспечивает передачу информации в цифровом виде в микроконтроллер МК 17 по шине SPI;
- формирует информационные пакеты в соответствии с протоколом передачи данных, согласованным с программной частью аппаратно-программного комплекса стенда, с помощью микроконтроллера МК 17, состоящего из процессора ПР 18 и запоминающих устройств ППЗУ 19 и ОЗУ 20.
Передача информационных пакетов в реальном масштабе времени из модуля МД 13 в персональный компьютер ПК 22 осуществляется через линию передачи данных ЛП 21. Для передачи информационных пакетов при использовании одной измерительной платформы (одной клетки 1) в качестве линии ЛП 21 применяется USB интерфейс. В случае необходимости контроля нескольких клеток 1 с лабораторными животными для передачи информационных пакетов из модулей МД 13 в общий компьютер ПК 22 используется линия ЛП 21 в виде Wi-Fi интерфейса.
Компьютер ПК 22, представляющий программируемую часть аппаратно-программного комплекса стенда, выполняет следующие функции:
- прием информационных пакетов в соответствии с протоколом передачи данных;
- обработка полученных данных;
- визуализация сигнала от каждого датчика;
- выделение спектра сигнала от каждого датчика;
- определение зависимости изменения регистрируемых параметров во времени и построение временных зависимостей;
- формирование отчета о проведенных исследованиях;
- сохранение результатов исследований.
На основании обработанной информации, полученной от каждого датчика, с помощью программного обеспечения производится расчет частоты сердцебиения, ритма дыхания, скорости и траектории перемещения лабораторного животного. При этом точность определения местоположения лабораторного животного в клетке зависит от количества используемых в измерительной платформе датчиков. Чем больше датчиков, расположено под клеткой, тем выше дискретность измерительной платформы и, соответственно, выше точность определения местоположения животного в заданный момент времени.
На основании полученных в реальном масштабе времени данных оценивается состояние сердечнососудистой и дыхательной системы лабораторного животного и его двигательная активность. Стенд для проведения исследований на лабораторных животных обеспечивает непрерывный бесконтактный контроль сразу нескольких физиологических параметров жизнедеятельности лабораторного животного. Измерения могут проводиться в целях комплексного биомедицинского исследования животных в условиях их естественного поведения. При этом не требуется фиксация тела животного и/или вживление в тело животного диагностических устройств.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме выполнения стенда, предназначенного для проведения исследований на лабораторных животных, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации полезной модели. В частности, возможны варианты конструкции без использования аттенюаторов в составе рабочих каналов датчиков. В зависимости от решаемых задач и предъявляемых требований устройство может изменяться количество клеток для лабораторных животных, количество и комплектация модулей сбора, обработки и передачи данных, количество датчиков, входящих в состав каждой измерительной платформы. Следует отметить, что количество датчиков в каждой измерительной платформе не может быть меньше двух. Данное ограничение минимально возможного количества датчиков, симметрично установленных вдоль нижней части клетки, введено с целью выполнения функции датчика, связанной с определением двигательной активности лабораторного животного. В случае использования клетки для лабораторных животных с защищенной донной частью измерительная платформа может применяться без защитного герметичного корпуса.
Стенд может применяться для решения широкого спектра прикладных задач в медицине и фармакологии, например для опробирования и лабораторных исследований побочного действия фармакологических средств.
Перечень цифровых и сокращенных буквенных обозначений элементов стенда для проведения исследований на лабораторных животных, изображенного на фиг. 1÷3 чертежей:
1 - клетка для содержания лабораторного животного;
2 - защитный герметичный корпус;
3 - съемная крышка корпуса;
4 - общая плата измерительной платформы;
5 - печатная плата датчика;
6 - датчик (Д1÷Д16);
7 - генератор СВЧ колебаний (ГК);
8 - делитель мощности (ДМ);
9 - аттенюатор (AT);
10 - копланарная полосковая линия передачи сигнала (КЛ);
11 - несимметричная полосковая линия передачи сигнала (НЛ);
12 - смеситель сигналов (СМ);
13 - модуль сбора, обработки и передачи данных (МД);
14 - усилитель сигналов (УС);
15 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
16 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
17 - микроконтроллер (МК);
18 - процессор микроконтроллера (ПР);
19 - программируемое постоянно запоминающее устройство (ППЗУ);
20 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
21 - линия передачи данных (ЛП);
22 - персональный компьютер (ПК).