ПРИБОР ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
DEVICE FOR BIOLOGICAL STUDIES

Изобретение относится к области оценки качества продуктов живой и неживой природы, например продуктов питания человека, кормов для животных, пищевых добавок и иных веществ, контактирующих с организмом человека, природных и сточных вод, вод рыбохозяйственных водоемов, почв и грунтов, а также может быть применено в области медицины при установлении степени тяжести различных заболеваний человека и животных.
В настоящее время известны устройства для оценки качества продуктов живой и неживой природы, описанные в нескольких источниках. В патенте RU №2122025 авторы Иванов А.С., Иванова Е.Г. «Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы» представлено устройство, состоящее из биодетектора и компьютера. Принцип работы этого устройства основан на подсчете живых тест-объектов, например инфузорий, с помощью ввода изображения в компьютер и последующей его программной обработки. Оценка вычисляется на основе 2-х измерений количества живых клеток - в начале опыта и по его окончании. В биодетекторе перемещение планшета с емкостями, в которых находятся тест-объекты, осуществляется за счет сигналов управления, вырабатываемых процессором компьютера и преобразованных усилителями-формирователями.
В кандидатской диссертации Захарова И.С. «Метод и аппаратура для измерения концентрации инфузорий в медико-экологических исследованиях» СПб., 1996 г., изложен метод оценки качества различных объектов на основе измерения концентрации живых клеток фотометрическим способом. Устройство, реализующее этот метод, представляет собой импульсный фотометр, который позволяет определять степень токсичности природных и сточных вод, донных осадков по хемотаксической реакции инфузорий. Измеряемой величиной является концентрация тест-объектов в кювете при добавлении исследуемой пробы. Кювета представляет собой трехслойный «сэндвич», в нижней части которого находятся инфузории в воде, далее поливиниловый спирт, как разделитель водных фаз, и сверху - исследуемая проба. В случае безвредности пробы инфузории через некоторый период времени перемещаются вверх. Регламентируемые расхождения при повторных измерениях одной и той же пробы составляют 40%.
Известно устройство, описанное в методических указаниях МУ 1.1.037-95, разработанных Московским городским центром Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора России (Завьялов Н.В.). Всероссийским научно-исследовательским и испытательным институтом медицинской техники Министерства здравоохранения и медицинской промышленности России (Лаппо В.Г., Еськов А.П.), Акционерным обществом "БМК-ИНВЕСТ" (Каюмов Р.И.) и представленное в методическом пособии «Альтернативные методы исследований (экспресс-методы) для токсиколого-гигиенической оценки материалов, изделий и объектов окружающей среды» Федерального центра Госсанэпиднадзора Минздрава России. В этом устройстве с применением спермы крупного рогатого скота также используется фотометрическая регистрация степени подвижности живых клеток. В основе метода и прибора лежит исследование изменения зависимости двигательной активности сперматозоидов от времени под воздействием токсичных веществ, содержащихся в исследуемой пробе. Гранулы замороженной бычьей спермы хранят в жидком азоте. С помощью фотометрического устройства, вмонтированного в компьютер, производится анализ степени подвижности гамет.
В представленном патенте RU №2122025 описано устройство, снабженное одним каналом съема информации о наличии живых клеток и имеющее значительные габариты, которые исключают его использование в мобильном варианте. Реализация управления перемещением планшета в описанном устройстве не позволяет эффективно использовать вычислительные возможности процессора компьютера, т.к. во время перемещения планшета процессор находится в режиме простоя. Кроме того, оценка, произведенная на основе двукратного подсчета, не дает развернутую картину динамики изменения количества живых клеток в пробах исследуемых объектов, что существенно уменьшает информационную значимость такого исследования.
В диссертации Захарова И.С. импульсный фотометр позволяет оценивать качество исследуемого объекта по изменению концентрации живых клеток, при этом достоверность измерений составляет 60%.
В основе устройства Завьялова Н.В., Лаппо В.Г., Еськова А.П., Каюмова Р.И. лежит тоже фотометрический способ. В этом устройстве в качестве живых клеток - тест-объектов, используется сперма крупного рогатого скота, которая требует специального хранения в жидком азоте, что затрудняет широкое практическое применение.
Во всех описанных устройствах нет возможности оценивать одновременно массив проб, состоящий, например, из 40 проб различных объектов, и определять динамику изменения количества тест-объектов в течение опыта. Кроме того, существующие приборы могут быть использованы лишь в стационарных условиях аналитических лабораторий, оценка исследуемых проб производится только на одном виде тест-объектов, и в ряде случаев измерения требуют большого количества повторений.
Предлагаемое устройство для биологических исследований позволяет преодолеть указанные недостатки. С этой целью устройство, состоящее из компьютера с управляющей программой и биодетектора, заключено в пылевлагозащитный корпус и снабжено:
- двумя преобразователями оптического изображения в аналоговые видеосигналы, представляющими собой две малогабаритные бескорпусные видеокамеры с микрообъективами, имеющими переменное фокусное расстояние;
- узлом перемещения планшета с двумя рядами лунок, в которые вводят исследуемые пробы и тест-объекты;
- двумя светодиодными устройствами освещения;
- оптико-электронным узлом установки планшета в начальное положение;
- микроконтроллером, выполняющим все функции управления биодетектором;
- трехцветным индикатором состояния биодетектора;
- специальной программой, позволяющей многократно подсчитывать тест-объекты в течение опыта.
На чертеже представлена блок-схема устройства для биологических исследований. Устройство состоит из биодетектора 1 и компьютера 2. Биодетектор состоит из блока питания 3 с тумблером 4, микроконтроллера 5, трехцветного индикатора 6, имеющего зеленый, желтый и красный световые сегменты; блока перемещения 7, который включает в себя шаговый двигатель 8, планшетный столик 9 и оптико-электронный узел установки планшетного столика в начальное положение 10; первого ряда лунок 11 и второго ряда лунок 12, объединенных в планшет 13; первого узла подсветки 14; второго узла подсветки 15; первого объектива 16 и первой видеокамеры 17, составляющих первую видеосистему 18; второго объектива 19 и второй видеокамеры 20, составляющих вторую видеосистему 21.
В состав компьютера включен видеограббер 22, блок постоянной памяти 23, представляющий собой жесткий диск с программой управления прибором, оперативную память 24, видеоадаптер 25, монитор 26, процессор 27, последовательный порт 28.
Работа прибора для биологических исследований начинается с подготовительного этапа, в ходе которого включают компьютер 2 и тумблер 4, подающий напряжение питания сети 220в на источник питания 3 биодетектора 1. Источник питания обеспечивает включение первого узла подсветки 14, второго узла подсветки 15 и подачу питания на блок перемещения 7 и микроконтроллер 5. На планшетный столик 9 устанавливают планшет 13 с внесенными тест-объектами и пробами исследуемых объектов в лунки первого ряда 11 и второго ряда 12.
Основной этап работы начинается с включения программы управления прибором, находящейся в блоке постоянной памяти 23 компьютера 2. При этом программа загружается в оперативную память 24. Процессор 27 в соответствии с инструкциями программы вырабатывает команду, которую передает через последовательный порт 28 на микроконтроллер 5 биодетектора 1. На основе этой команды микроконтроллер 3 с помощью шагового двигателя 8 устанавливает планшетный столик 9 с планшетом 13 в начальное положение и включает питание первой камеры 17, а также включает зеленый сегмент на индикаторе 6.
Во время нормальной работы биодетектора на индикаторе включены зеленый и желтый световые сегменты, в случае аварийного режима - красный.
Оптический сигнал от лунки с тест-объектами первого ряда 11 планшета 13 через первый объектив 16 попадает на первую видеокамеру 17 первой видеосистемы 18 при освещении узлом подсветки 14. Она преобразует оптический сигнал в электрический аналоговый и передает его на видеограббер 22 компьютера 2. При этом питание второй видеокамеры 20 отключено. Через некоторый интервал времени микроконтроллер 5 под управлением соответствующей команды компьютера 2 переключает питание видеокамер 17, 20, оптический сигнал от лунки с тест-объектами второго ряда 12 через второй объектив 19 поступает на вторую видеокамеру 20 второй видеосистемы 21, которая преобразует его в электрический аналоговый сигнал и передает на видеограббер 22. Таким образом, в компьютер 2 последовательно передаются два изображения от лунки внутреннего ряда 11 и лунки внешнего ряда 12. Эти изображения также последовательно поступают из видеограббера 22 в видеоадаптер 25, затем на монитор 26 и в блок оперативной памяти 24, где обрабатываются процессором 27 в соответствии с инструкциями программы.
Прибор для биологических исследований, сочетающий биологические методы определения качества и компьютерный анализ, позволяет быстро и надежно определять степень токсичности исследуемых проб. В отличие от других такого типа прибор выполнен в компактном пылебрызгозащитном корпусе, позволяющем использовать его как в лабораторных, так и в полевых условиях. Габариты цилиндрического корпуса 210×200 мм.
Прибор отличается высокой производительностью, одновременно возможно исследование до 40 различных проб.
Объективы видеокамер имеют переменное фокусное расстояние, за счет чего в одном цикле исследований допустимо использование различных тест-объектов, например инфузорий и дафний или инфузорий двух разных видов, что увеличивает информативность и достоверность биологических испытаний, а также существенно расширяет области применения прибора. Алгоритм программы предусматривает многократный подсчет тест-объектов в течение опыта, что также увеличивает достоверность биологического исследования. При этом расхождения между повторными измерениями составляют не более 10%.
Децентрализация управления работой прибора за счет применения в биодетекторе микроконтроллера позволяет эффективно использовать процессорное время компьютера. Микроконтроллер обеспечивает выработку сигналов для обеспечения перемещения планшета и переключения питания видеокамер, а также контролирует ход работы биодетектора для диагностики аварийных ситуаций. Команды процессора компьютера только включают управляющие подпрограммы в микроконтроллере. При этом высвобожденное процессорное время используется для более сложной математической обработки изображения лунок с тест-объектами. Это повышает точность подсчета тест-объектов и, соответственно, достоверность исследований.
Установленный на корпусе прибора трехцветный индикатор позволяет оператору мгновенно оценить ход работы и принять решения об остановке исследования в случае ситуации не соответствующей нормальному режиму работы. Простой и надежный в эксплуатации прибор не нуждается в пусконаладочных работах и не требует высокой квалификации оператора.
Источники информации
1. Патент RU №2122025, кл. С12М 1/34, 1/36; С12Q 1/02, 1/00, G01N 35/02, 35/04, 33/00, 33/02, 33/48 «Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы», авторы Иванов А.С., Иванова Е.Г.
2. Захаров И.С. Метод и аппаратура для измерения концентрации инфузорий в медико-экологических исследованиях Дисс. на соиск. канд. техн. наук, СПб., 1996.
3. Биотестирование продукции из полимерных и других материалов. Методические указания МУ 1.1.037-95. Разработаны Московским городским центром Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора России (Завьялов Н.В.), Всероссийским научно-исследовательским и испытательным институтом медицинской техники Министерства здравоохранения и медицинской промышленности России (Лаппо В.Г., Еськов А.П.), Акционерным обществом "БМК-ИНВЕСТ" (Каюмов Р.И.) и представленные в методическом пособии «Альтернативные методы исследований (экспресс-методы) для токсиколого-гигиенической оценки материалов, изделий и объектов окружающей среды» Федерального центра Госсанэпиднадзора Минздрава России.