Устройство для контроля физиологического состояния гидробионтов
HYDROBIONTS PHYSIOLOGICAL STATE MONITORING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области экологии, в частности к средствам биомониторинга, и может быть использовано для дистанционного контроля в реальном масштабе времени функционального состояния тестируемых животных в лабораторных условиях или среде их обитания, выполняемого в целях охраны окружающей среды, а также изучения физиологического состояния и биохимических показателей гидробионтов в условиях влияния на них естественных (температуры, газового режима, солености, рН и т.п.) и антропогенных факторов и изучения физиолого-биохимических механизмов адаптации гидробионтов к действию абиотических факторов водной среды.
Уровень техники
Изменение адаптивных способностей организмов в ответ на изменение среды наблюдается как в экологическом, так и в эволюционном плане. Выявление на ранних стадиях различных изменений физиологических функций и поведенческих реакций у гидробионтов позволяет судить о степени их адаптированности к раздражителю. Физиологические параметры, отражающие внутреннюю реакцию организма на внешние воздействия, служат объективными показателями уровня действия факторов среды. На сегодняшний день изменения в приросте рыб выживаемость гидробионтов на разных стадиях онтогенеза, плодовитость и качество потомства оценивают с помощью электрокардиографического метода по частоте и силе сердечных сокращений [Федотов В.П., Холодкевич С.В., Строчило А.Г. Особенности активности сердца рака Astacus astacus в различных функциональных состояниях. // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. - 2002. - Т. 38, N 1. - С. 36-443].
Аналогично известен контроль физиологического состояния гидробионтов по кардиоритму с помощью установки долговременной регистрации активности сердца крабов, содержащей датчики, закрепленные на карапаксах крабов и регистрирующие изменение частоты сердечных сокращений, сигналы от которых по проводникам поступают в анализатор, расположенный на берегу. Конкретные значения частоты сердечных сокращений, отличающиеся от таковых в нормальном функциональном состоянии животных, идентифицируются как сигналы о воздействии определенной, превышающей пороговую концентрацию загрязнителей. На крабах также было показано, что по частоте сердечных сокращений можно достоверно судить о потреблении кислорода животными, что косвенно может свидетельствовать об их энергетических затратах при агрессивном поведении особей между собой [Rovero F., Hughes R.N., Whiteley N.M. et al. Estimating the energetic cost of fighting in shore crabs by noninvasive monitoring of heartbeat rate // Animal behaviour. - 2000. - V. 59. - P. 705-71314]. Кроме того, регистрацию параметров кардиологической активности тестируемого животного осуществляют с помощью датчика физиологической активности, выполненного на основе источника инфракрасного оптического излучения и согласованного с ним по характеристикам спектральной чувствительности приемника оптического излучения, как это описано в конструкциях аналогов (RU 2308720, 2007; RU 52190 U1, 2006; RU 61431 U1, 2007; WO 2008/048141, 2008; ЕА 012479, 2009). Таким образом, направление биомониторинга в режиме реального времени достаточно быстро заняло одно из основных мест в системе контроля физиологического состояния гидробионтов. Однако контроль по кардиоритму в большинстве случаев оказывается недостаточным для полноценного отслеживания за их состоянием, в первую очередь из-за недостаточной надежности определения параметров кардиоритма. Даже в случае такого вида как человек, для которого системы кардиографии разрабатываются давно и широко, надежная непрерывная кардиография остается большой проблемой. Кардиограммы у человека снимают в состоянии покоя, а в состоянии движений их форма меняется, и автоматическая фиксация частоты ритма происходит со сбоями. Для многих гидробионтов, например моллюсков, привлекательных для целей биотестирования с экологической точки зрения, кардиоритмы у здоровых особей в стабильных нормальных условиях нестабильны, с длительными пропаданиями. Более того, опыт применения медицинской кардиографии показывает, что одной только кардиограммы недостаточно для оценки самочувствия - больной человек может иметь стабильный кардиоритм практически до самой смерти.
Ответ гидробионта на изменение качества среды представляет сложный комплекс поведенческих, физиологических и биохимических реакций, отраженных на разных уровнях организации: молекулярном, клеточном, тканевом, органном, системном и организменном, включающих биохимические, цитологические, иммунологические и физиологические показатели. Однако в настоящее время из всего комплекса биологических показателей неинвазивными методами в реальном масштабе времени можно получить сведения только об изменении поведенческих, морфометрических и некоторых физиологических характеристик организма-биоиндикатора. Известна система оценки физиологического состояния гидробионтов путем размещения рыб в экспозиционных камерах с контролируемой водой с установленными на каждой камере в контролируемой воде сверху и снизу двумя регистрирующими электродами, выполненными, например, из нержавеющей стали или графита, прием и преобразование с помощью указанных электродов физиологических сигналов, возникающих при движении жаберных крышек тестируемых рыб, в электрические сигналы движения жаберных крышек, передачу этих электрических сигналов по проводной линии связи, усиление и преобразование в блоке анализа их в цифровые коды, ввод полученных цифровых кодов в компьютер, обработку цифровых кодов компьютером для определения частоты и глубины дыхания тестируемых рыб (US 6393899, 2002). Однако такая система имеет очень маленькую зону чувствительности и требует размещения рыб практически вплотную к электродам. Такие существенные ограничения на возможность перемещения рыб плохо сказываются на их самочувствии в условиях длительного содержания. Кроме того, такая система не пригодна для таких гидробионтов как моллюски или крабы, поскольку они не генерируют периодические электрические сигналы. На работу системы оказывает влияние изменения электропроводности воды, что, как указывают сами авторы патента, требует применения сложных компенсаций для сохранения работоспособности. Поскольку электрические сигналы, сопровождающие дыхание, являются не специализированными проявлениями рыб, имеют маленькие амплитуды и нестабильную форму, есть проблемы надежно выделять их на фоне низкочастотных электрических помех, например, антропогенного характера. То есть, устройство надежно фиксирует сигнал только в некоторых специальных ситуациях, когда движения жабр происходят перпендикулярно плоскости электродов, а дыхательный ритм четкий, тогда как пропадания сигнала могут быть вызваны как физиологическими, так и чисто техническими причинами. Данная система принята нами в качестве ближайшего аналога.
Сущность изобретения
Технический результат заявленного устройства заключается в более высокой достоверности контроля физиологического состояния гидробионтов за счет надежной его регистрации независимо от физиологического состояния тестируемого гидробионта и в любых условиях среды его пребывания, а также возможности закрепления на теле гидробионта нескольких регистрирующих электродов, позволяющих контролировать относительные движения его частей, например створок или клешней, и за счет быстрого наращивания количества тестируемых объектов, не предусматривающего отдельных секций для каждого тестируемого гидробионта. Кроме того, заявленное устройство позволяет существенно расширить зону регистрации, допуская свободные перемещения тестируемых гидробионтов относительно электродов в любом направлении за счет использования в качестве источника электрического сигнала не слабых нестабильных электрических проявлений животного, а относительно сильных стабильных искусственных электрических полей, создаваемых системой генераторов и излучающих токовых электродов.
Технический результат достигается тем, что создано устройство для контроля физиологического состояния гидробионтов, содержащее тестовые гидробионты, регистрирующие электроды и блок анализа физиологического состояния, соединенный с компьютером, при этом на тестовых гидробионтах закреплены регистрирующие электроды, а в области размещения гидробионтов на неподвижном основании закреплены излучающие электроды, блок анализа физиологического состояния содержит генераторы переменного тока, измеритель амплитуды и фазы потенциала и процессор, причем излучающие электроды соединены с выходами генераторов переменного тока, входы которых соединены с выходами процессора, а регистрирующие электроды соединены с входом измерителя амплитуды и фазы потенциала, выход которого соединен с входом процессора, а выход процессора соединен с персональным компьютером.
В предпочтительном варианте регистрирующие электроды, закрепляемые на гидробионтах, выполнены из проводящего материала, например, нержавеющей стали, серебряной проволоки или графита.
В предпочтительном варианте также используют двухканальные генераторы переменного тока, выходы которых соединены соответственно с двумя излучающими электродами, причем выходы генераторов работают в противофазе, а координату контролируемого животного вдоль оси между излучающими электродами вычисляют по амплитуде и знаку потенциала.
В предпочтительном варианте с целью контроля как продольных, так и поперечных перемещений тестовых объектов используют n генераторов переменного тока, выходы которых соединены с n излучающими электродами, равномерно распределенными по периметру жесткого неподвижного основания, например дна аквариума, фазы генерируемых сигналов сдвигают друг относительно друга на 2π/n для формирования вращающегося переменного электрического поля, а координату тестируемого животного вычисляют по амплитуде и фазе сигнала.
При этом с целью повышения точности определения координаты тестируемого животного величину n выбирают не менее 6.
Также в предпочтительном варианте в качестве неподвижного основания используют аквариум, выполненный с прорезями для размещения его в естественном или искусственном водоеме.
В предпочтительном варианте с целью контроля относительных движений частей тела гидробионтов, например раскрытия створок моллюсков или движения клешней крабов, на этих частях тестовых животных закрепляют дополнительные регистрирующие электроды.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена общая блок-схема устройства.
На фиг. 2 показаны примеры закрепления регистрирующих электродов на моллюсках и раке.
На фиг. 3 показан пример изготовления излучающего электрода из графитовой щетки с присоской.
На фиг. 4 показан вид экрана компьютера в режиме отображения положения трех контролируемых точек, в данном случае трех разных тестируемых гидробионтов.
На фиг. 5 показан вид экрана компьютера в режиме отображения движений 2-х моллюсков, помещенных в круглый аквариум с 8-ю излучающими электродами. На одного моллюска наклеены 2 регистрирующих электрода на разные створки вблизи друг друга, на другого - 3 регистрирующих электрода, два на одной створке и один на другой.
На фиг. 6 показан вид экрана компьютера в режиме отображения координат животного - рака с закрепленными на нем 4-мя регистрирующими электродами.
Подробное описание изобретения
Устройство для контроля физиологического состояния гидробионтов содержит (см. рис. 1) неподвижное основание (1), на котором в области размещения тестируемых гидробионтов (2) размещены излучающие электроды (3), выполненные из токопроводящего материала, замедляющего их разрушение. В предпочтительном варианте в качестве неподвижного основания (1) используют аквариум, камеру с прорезями для размещения его в естественном или искусственном водоеме. На тестируемом гидробионте (2) размещен регистрирующий электрод (4). Блок анализа физиологического состояния (5) содержит генераторы переменного тока (6), измеритель амплитуды и фазы потенциала (7) и процессор (8). Причем излучающие электроды (3) соединены с выходами генераторов переменного тока (6), входы которых соединены с выходами процессора (8). В предпочтительном варианте используют либо двухканальные генераторы переменного тока (6), выходы которых соединены соответственно с двумя излучающими электродами (3), причем выходы генераторов (6) работают в противофазе, а координату контролируемого животного вдоль оси между излучающими электродами (3) вычисляют по амплитуде и знаку потенциала, либо с целью контроля как продольных, так и поперечных перемещений тестовых объектов используют n генераторов переменного тока (6), выходы которых соединены с n излучающими электродами (3), равномерно распределенными по периметру жесткого неподвижного основания (1), например дна аквариума. При этом фазы генерируемых сигналов сдвигают друг относительно друга на 2π/n для формирования вращающегося переменного электрического поля, а координату тестируемого животного вычисляют по амплитуде и фазе сигнала. С целью повышения точности определения координаты тестируемого животного величину n выбирают не менее 6. Регистрирующие электроды (4) соединены с входом измерителя амплитуды и фазы потенциала (7), выход которого соединен с входом процессора (8). Причем в предпочтительном варианте регистрирующие электроды (4), закрепляемые на тестируемых гидробионтах (2), выполнены из проводящего материала, например, нержавеющей стали, серебряной проволоки или графита. Выход процессора (8) соединен с персональным компьютером (9).
В предпочтительном варианте с целью контроля относительных движений частей тела тестируемых гидробионтов (2), например раскрытия створок моллюсков или движения клешней крабов, на этих частях тестовых животных закрепляют дополнительные регистрирующие электроды (4).
На фиг. 2 представлены примеры закрепления регистрирующих электродов (4) на моллюсках и раке. На фиг. 3 представлен пример изготовления излучающего электрода (3) из графитовой щетки с присоской.
Заявленное устройство за счет наличия излучающих электродов (3) обеспечивает его использование в случаях, когда движения не сопровождаются выработкой организмами гидробионтов (2) электрических сигналов. Нет фактов, что раки и моллюски вырабатывают такие электрические сигналы, которые можно непрерывно контролировать. Более того, даже в случае рыб перемещения организма и выработка сигналов могут быть не связаны друг с другом. Заявленное устройство позволяет контролировать самые разнообразные физиологические проявления тестируемых гидробионтов за счет контроля двигательной активности, а не электрогенерации. Амплитуду и фазу потенциалов определяют только относительно положения регистрирующего электрода (4). На фиг. 4, 5 и 6 представлены примеры работы устройства контроля физиологического состояния гидробионтов. На фигурах показан вид экрана компьютера (9), в режиме отображения, в частности, на фиг. 4 - положения трех контролируемых точек, в данном случа, трех разных животных. В правой части отображается аквариум с закрепленными на стенках излучающими электродами (3). Квадратики с круглыми метками отображают вычисленные положения контролируемых точек - гидробионтов, на которых закреплены регистрирующие электроды (4). В левой части отображаются осциллограммы сигналов регистрирующих электродов (4). Для пересчета потенциалов в координаты сигналы с регистрирующих электродов (4) умножаются на синус и косинус излучаемого сигнала излучающих электродов (3) по стандартной процедуре, а затем умножаются на нормировочные коэффициенты. Для более достоверного пересчета потенциалов в координаты, учета неравномерности поля и влияния стенок, может быть применена процедура предварительной калибровки. Калибровка может быть выполнена следующим образом: под прозрачное дно аквариума помещают лист бумаги с распечатанной на нем координатной сеткой. Определяют реальное положение регистрирующих электродов (4) по координатной сетке, а затем измеряют амплитуду и фазу потенциала. В результате можно составить таблицу соответствия реальных координат регистрирующего электрода (4) и его амплитуды и фазы. На основании этой таблицы могут быть рассчитаны калибровочные коэффициенты.
На основе вычисленных изменений координат контролируемых точек определяют показатели двигательной активности и физиологического состояния животных.
На одном тестируемом гидробионте (2) может быть закреплено несколько регистрирующих электродов (4). Например, два регистрирующих электрода на спине рака для контроля изменения его ориентации. Можно также закрепить один регистрирующий электрод (4) на спине, другой на клешне рака или два регистрирующих электрода (4) на разных створках моллюска и регистрировать относительные движения разных частей животных, например раскрытие створок. Для контроля раскрытия створок моллюсков целесообразно их размещать вертикально, например, с помощью подставок, так чтобы регистрирующие электроды при изменении раскрытия створок смещались в горизонтальной плоскости. Поскольку в этом случае регистрирующие электроды размещены вблизи друг друга и имеют близкие значения потенциала, то целесообразно дополнительно ввести в состав устройства дифференциальный усилитель, входы которого соединить с регистрирующими электродами, размещенными на разных створках гидробионта.
На фиг. 5 показан вид экрана компьютера в режиме отображения движений 2-х моллюсков, помещенных в круглый аквариум с 8-ю излучающими электродами. На одном моллюске закреплены 2 регистрирующих электрода (4) на разные створки вблизи друг друга. В момент фиксации экрана этот моллюск расположен вблизи центра и, соответственно, отображается двумя маркерами выше и правее центра. На втором моллюске закреплены 3 регистрирующих электрода - два на одной створке и один на другой. Соответствующие маркеры отображаются в нижней правой четверти неподвижного основания. На фиг. 6 показан вид экрана компьютера при закреплении на одном гидробионте (речном раке) 4-х регистрирующих электродов. Во всех случаях с высокой достоверностью отслеживается положение гидробионта и его двигательная и физиологическая активность. А свободное перемещение тестируемых гидробионтов с закрепленными на них регистрирующими электродами относительно излучающих электродов в любом направлении позволяет существенно расширить зону регистрации, за счет использования в качестве источника электрического сигнала относительно сильных стабильных искусственных электрических полей, создаваемых системой генераторов и излучающих электродов.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает высокую достоверность контроля физиологического состояния гидробионтов за счет надежной регистрации указанного физиологического состояния независимо от состояния тестируемого гидробионта и в любых условиях среды его пребывания. Кроме того, за счет возможности закрепления на теле гидробионта нескольких регистрирующих электродов, позволяющих контролировать относительные движения его частей, например створок или клешней. А также за счет быстрого наращивания количества тестируемых объектов, не предусматривающего отдельных секций для каждого тестируемого гидробионта.