Против карт » Публикации » От животных к людям! Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической системы мониторинга лабораторных животных в России

От животных к людям! Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической системы мониторинга лабораторных животных в России

 (голосов: 3)

От животных к людям!

Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической

системы мониторинга лабораторных животных в России

 


От животных к людям! Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической системы мониторинга лабораторных животных в РоссииПредлагаемый проект решает фундаментальную задачу создания новой технологии для медико-биологических испытаний широкого профиля, проводимых как на лабораторных животных, так и впоследствии при клинических испытаниях, что является весьма актуальным, в частности, при разработке новых лекарственных препаратов. В настоящее время в связи с появлением генетических моделей заболеваний ставятся задачи миниатюризации сенсорных элементов, (большинство генетических моделей создаются с использованием мелких лабораторных животных — мышей или крыс), вживления сенсоров на длительный срок (имплантируемая телеметрия) и стандартизации методов обработки данных, которыми бы могли пользоваться одновременно исследователи разных лабораторий и институтов. Работа проводится в рамках гранта РФФИ и семинара ВМиК МГУ посвященного сенсорным сетям.


http://ipmce.ru/about/press/articles/opyt-biotelematiki/

 

Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической

системы мониторинга лабораторных животных


Чечендаев А. В., Бодунов Н. В., Игнатьева С. А., Медведев О. С., Пыптев С. А., Сухомлин В. А., Ступаченко А. В., Шашурин Д. А.

В статье рассматривается опыт разработки распределенной информационной системы проведения биомедицинских лабораторных исследований, включающей в себя имплантируемые электронные модули, предназначенный для функционирования внутри мелких лабораторных животных (крыс). Назначение системы — проведение длительных измерений физиологических показателей животных с минимальным вносимым стрессом.

В проекте использованы технологии из современного научного направления сенсорных сетей, в частности, максимизация времени активного функционирования при обеспечении двухсторонней цифровой радиосвязи между модулем(внутри животного) и ПК. Несмотря на то, что в данном проекте отсутствуют ключевые отличительные особенности сенсорных сетей- ретрансляция сообщений и самоорганизация, большая часть архитектурных решений принималось в расчете на повторное использование артефактов в проектах, связанных с сенсорными сетями.

Предлагаемый проект решает фундаментальную задачу создания новой технологии для медико-биологических испытаний широкого профиля, проводимых как на лабораторных животных, так и впоследствии при клинических испытаниях, что является весьма актуальным, в частности, при разработке новых лекарственных препаратов. В настоящее время в связи с появлением генетических моделей заболеваний ставятся задачи миниатюризации сенсорных элементов, (большинство генетических моделей создаются с использованием мелких лабораторных животных — мышей или крыс), вживления сенсоров на длительный срок (имплантируемая телеметрия) и стандартизации методов обработки данных, которыми бы могли пользоваться одновременно исследователи разных лабораторий и институтов. Работа проводится в рамках гранта РФФИ и семинара ВМиК МГУ посвященного сенсорным сетям.

Область применения

Основная цель рассматриваемого проекта, — создать инструментальное средство, повышающее эффективность биомедицинских исследований широкого профиля и, в частности, исследования новых лекарственных средств. Это планируется обеспечить за счет разработки сетевой технологии проведения экспериментов на лабораторных животных, которая включает в себя два ключевых компонента:

  • Имплантируемый телеметрический модуль, функционирующий внутри животного, осуществляющий прямое измерение физиологических показателей и передачу результатов при помощи цифрового радиоканала.
  • Распределенную систему сбора и обработки экспериментальных данных, обеспечивающую сбор информации с нескольких географически распределенных лабораторий, хранения результатов в унифицированном формате, предоставления исследователям удаленного доступа к накопленным данным.

Рассмотрим эти компоненты по отдельности. Имплантируемый телеметрический модуль призван решить задачу сбора достоверных данных о физиологических показателях животного при долговременном (несколько месяцев) эксперименте без внесения погрешностей, обусловленных применением наркоза или факторами эмоционального стресса. В данном проекте рассматривались методы измерения следующих физиологических параметров:

  • ЭКГ
  • Температура
  • Частота дыхательных движений
  • ЭЭГ
  • Давление внутри левого желудочка
  • Объем крови внутри левого желудочка
  • Объемная скорость потока крови через сосуд

 

 

Следует заметить, что с одной стороны, цифровое ядро имплантата принципиально может работать с широким набором датчиков различной природы, с другой стороны разработка конкретных датчиков не относится к предмету нашего исследования. Данный список приведен для того, чтобы конкретизировать обсуждение, указывая, о каких физиологических параметрах идет речь. В настоящее время основными методами измерения такого рода параметров являются:

  • Измерение во время острого опыта (во время хирургической операции)
  • Установка датчика внутрь животного с выводом контактных элементов вне организма животного, т. е. через разрез в кожном покрове
  • Периодическое измерение параметра внешними датчиками

Все варианты имеют недостаток — значительное воздействие на животное, вносящее изменения в измеряемые данные и, тем самым, приводящие к погрешностям в измерении. Что касается последнего варианта, то многие физиологические параметры не допускают измерение с использованием внешних датчиков.

По сравнению с приведенными вариантами имплантируемый модуль обладает меньшей травматичностью, то есть оказывает меньшее влияние на состояние экспериментального животного, что при обеспечении надлежащей точности измерений делает его оптимальным решением поставленной задачи[1—6].

Рассмотрим теперь распределенную систему сбора и обработки экспериментальных данных. Данная система должна обеспечить минимально необходимые функции, — принять данные от имплантата и сохранить их на персональном компьютере для последующей обработки. Наряду с этим, разрабатываемая система должна способствовать решению следующих задач:

  • Стандартизации медико-биологических исследований
  • Минимизации искажения результатов исследования систематическими погрешностями при проведении испытаний в лаборатории
  • Облегчению доступа научной общественности к результатам экспериментов

Вопросы стандартизации клинических исследований и протоколов получения, передачи и накопления медицинских данных значительно лучше решены в клинике (стандарты DICOM, HL7, SNOWMED и др.), чем это существует в медико-биологических исследованиях самого широкого профиля.

Принципиально изменить ситуацию может создание технологии сбора и передачи первичной информации по каналам связи в локальный центр обработки и хранения полученной информации. Использование систем и программ обработки экспериментальных медико-биологических данных на едином сервере автоматически снимает проблему несовместимости результатов сходных экспериментов и резко повышает достоверность результатов исследований, проводимых в разных лабораториях и институтах.

Возможность поддержки географически распределенного эксперимента позволяет проводить эксперимент в разных лабораториях, что позволит выявлять систематические погрешности, связанные с конкретной лабораторией и способствовать, таким образом, достоверности результатов. Наряду с этим, наличие мощной информационной системы и разделение центра планирования и интерпретации экспериментов и центра(ов) проведения испытаний будет способствовать более широкому и методологически более правильному семейству «слепых» методов исследования, ставших де-факто стандартом в клинических исследованиях.

Имплантируемая биотелеметрическая система как применение технологии сенсорных сетей

Как уже упоминалось, система содержит два компонента, достаточно разнородных, в первую очередь, по используемым технологиям. Их объединяет целевая задача — повышения качества медико-биологических исследований, однако при этом каждая из них достаточно ценна сама по себе, и они, в некотором роде, независимы. Технология имплантируемого сбора информации не требует распределенной обработки, а распределенная обработка может использовать и неимплантируемые средства получения первичных данных(как это делается в клинических исследованиях). Следует признать, что попытка в рамках одного проекта обеспечить два значимых улучшения в технологии медико-биологических исследований является спорной, поскольку приводит к распылению ресурсов, дефокусированию работ, что в свою очередь создает риски для успешности проекта.

Тем не менее, есть два довода в пользу объединения этих двух направлений в рамках данного проекта:

  • Цифровые технологии реального времени приносят наибольшую эффективность, когда охватывают все цепочку обработки информации, без «белых пятен» в виде ручной обработки
  • Данная биотелеметрическая система рассматривается нашим коллективом как прикладное применение технологии сенсорных сетей. В сенсорных же сетях технологии создания самих элементов(включая ПО) и технологии управления сетью(включая обработку данных) сильно взаимосвязаны.

С точки зрения технологии сенсорных сетей, разработка имплантата очень близка к классической задаче разработки элемента сети, поскольку решаются задачи:

  • Минимизации габаритов устройства
  • Минимизации энергопотребления для долгого срока службы батарей
  • Опроса сенсора и передачи данных в цифровом виде

В отличие от классических элементов сенсорной сети имплантат не поддерживает ретрансляцию сообщений от одного к другому. Тем не менее, общность многих задач позволяет рассматривать имплантат как промежуточный шаг на пути создания элемента сенсорной сети.

Сенсорная сеть как совокупность миниатюрных узлов расположенных на объекте требует, как правило, сложной программной системы исполняемой на ПК. Данная система:

  • Собирает информацию с элементов сети, обычно при помощи множества шлюзов, соединяющих беспроводную сеть с TCP/IP сетью
  • Управляет элементами сенсорной сети, определяя их режимы функционирования
  • Управляет информацией об элементах сенсорной сети, поскольку результаты измерений, полученные сенсором, не могут быть интерпретированы без информации о расположении сенсора и деталей его установки. Эта задача становится еще более актуальной при гетерогенной сети, содержащей датчики различных модификаций
  • Обеспечивает хранение информации, полученной с сенсоров
  • Обеспечивает обработку и предоставление информации в требуемом виде

Во многих приложениях сенсорной сети такая управляющая система должна удовлетворять нескольким критериям:

  • Поддерживать множество шлюзов (в том числе географически распределенных) соединяющих беспроводную сеть с TCP/IP сетью
  • Поддерживать базу данных информации полученной с сети
  • Обеспечивать удаленный доступ как к полученной информации, так и к управлению сетью для различных сотрудников с различными полномочиями

Множество распределенных шлюзов будет требоваться как при сборе информации с одной большой сети, когда точки доступа ставятся в разных точках, чтобы сократить количество ретрансляций сообщения внутри сенсорной сети, так и на предприятиях которые используют несколько несвязанных передачей сообщений сетей(но имеющих, например общую администрацию).

В рамках данного проекта проводится попытка создать распределенную систему сбора и обработки экспериментальных биотелеметрических данных, масштабируемую в последствии до полноценной системы управления сенсорной сетью.

Применение семантической базы данных для описания элементов сенсорной сети

При разработке системы учитывалось, что потенциально может быть множество различных типов имплантируемых модулей, отличающихся используемыми сенсорами и режимами работы. Более того, поскольку предполагается использовать разрабатываемую систему в качестве управляющей системы сенсорных сетей, задача поддержки разнообразных элементов становится еще более актуальной.

Сенсорные сети, с точки зрения области применения, являются частным случаем сетей мониторинга и контроля. Последние являются устоявшейся областью со сформировавшимися стандартами, например LonTalk и IPMI [7—8]. В этих стандартах уделяется повышенное внимание классификации сенсоров, разделению их на классы и предоставлению возможности программному обеспечению управлять сенсором, зная только его класс, независимо от производителя и деталей реализации. Это вызвано разработкой различными производителями множества сенсоров, совместимых со стандартом, отдельной разработкой различными компаниями сенсорных устройств и ПО управления. Классификация сенсоров и спецификация их в стандарте частично решает это проблему, но, как и любая зафиксированная классификация, она страдает недостаточной гибкостью, что нередко ограничивает разработчиков.

В сенсорных сетях пока еще отсутствуют стандарты классификации сенсоров, однако проблема совместимости программного обеспечения управления сети и различных сенсорных элементов, несомненно, появится в ближайшем будущем до появления соответствующих стандартов. Чтобы с самого начала развития технологии обеспечить совместимость с широким кругом датчиков, была предпринята попытка создать систему описания элементов сенсорных сетей при помощи технологий семантических баз данных, разработанных в рамках движения «Symantec WEB»[9].

В рамках этого подхода была разработана метамодель предметной области, включающая в себя такие понятия, как устройство, сенсор устройства, конфигурируемый параметр сенсора, конфигурируемый параметр модуля. Одним из наиболее важных компонентов метамодели является отношение «данный сенсор — частный случай сенсора X».

Предполагается, что система будет работать следующим образом: она будет опрашивать доступные шлюзы и определять для них количество и тип устройств, с которыми есть связь. Далее будет предпринята попытка найти в семантической базе данных описание данного сенсора, в котором будет ссылка на исполняемый код, предназначенный для обработки данных с этого сенсора и описание параметров сенсора. В случае, если данный частный тип сенсора не требует специального кода, или если код недоступен, будет использован код от более общего типа сенсоров(суперкласса), включающего данный подтип. По параметрам сенсоров, описанным в семантической базе данных, может быть сгенерирован интерфейс пользователя, позволяющий настраивать эти параметры. При этом параметры также могут быть типизированы, что позволит настраивать их в соответствии с их смыслом(например, контролировать граничные значения).

Основное достоинство использования семантических баз данных заключается в возможности совершенствования как модели, так и метамодели выбранной области, при сохранении совместимости снизу вверх. Программы, поддерживающие предыдущие версии метамодели, смогут работать с описаниями, использующими расширенную метамодель, игнорируя незнакомые понятия. Другим достоинством выбранного языка RDF[9] является запас выразительной мощности, что позволяет надеяться на адекватность этого средства описания сенсоров не только сейчас, но и в обозримом будущем.

Особый интерес представляет возможность описания на языке RDF не только предметной области сети мониторинга и контроля(как сейчас), но и прикладных предметных областей(например, биотелеметрических исследований). В этом случае появляется возможность создания программного обеспечения, в исполняемом коде которого отражены лишь самые общие закономерности области использования(в некоторых случаях даже этого может не потребоваться), а детали такие как допустимый набор сущностей и их взаимодействие могут быть описаны в модели.

В рамках данного проекта был разработан макет семантической базы данных по управлению имплантируемыми биотелеметрическими устройствами в рамках дипломной работы Игнатьевой Светланы (ВМиК МГУ, 2005г). Макет по описанию набора устройств на языке RDF конструировал интерфейс пользователя для управления параметрами устроуств и посылал команды на изменение параметров. Работа над макетом показала принципиальную осуществимость выбранного подхода, частично подтвердила его соответствие декларируемым целям. Вместе с этим была еще раз подтверждена сложность используемых технологий и необходимость концентрации значительных усилий на направлении семантических баз данных.

Исходя из этого, было принято разветвить работы, а именно: создать программное обеспечение, основанное на классических технологиях, управляющее одним конкретным типом имплантата (с датчиком ЭКГ) и отдельно семантическую базу данных для работы с многообразием сенсоров.

Архитектура системы

Состав системы и функции, выполняемые каждым компонентом описан таблицей № 1.

Компонент Функция
Имплантируемый модуль (включает один или несколько датчиков)
  • Производит измерения физиологических параметров
  • Производит частичную обработку (если требуется)
  • Обеспечивает двустороннюю цифровую связь с внешним миром
  • Отрабатывает команды по изменению режима измерений (переход в сон)
Блок связи с имплантируемым модулем
  • Обеспечивает двухстороннюю цифровую радиосвязь с имплантируемыми модулями
  • Обеспечивает сохранение всех полученных от модуля данных
  • Передает полученные данные всем авторизованным подписчикам сервиса
  • Ретранслирует имплантату команды управления, полученные от авторизированных подписчиков сервиса
  • Предоставляет по запросу данные, полученные ранее от имплантата
Сервер эксперимента
  • Собирает данные с одного или нескольких блоков связи
  • Обеспечивает сохранение всех полученных данных
  • Выдает сохраненные данные по запросу с рабочих мест исследователей
Рабочее место исследователя
  • Предоставляет графический интерфейс пользователя системы
  • Обеспечивает отображение, частичную обработку и сохранение для детальной обработки экспериментальных данных, собранных имплантатами
  • Предоставляет пользователю возможность управления системой
Таблица № 1: компоненты системы и их функции.

Представленная архитектура является классической для такого рода задач. Среди ее особенностей хочется отметить сохранение всех результатов измерения блоками связи с имплантатом. Это сделано исходя из двух соображений:

  • Повышение надежности системы: при отказе сервера или системы связи с сервером, данные будут накапливаться в блоке и потом могут быть запрошены сервером
  • Разработка сервера планируется на 2006г., и до завершения этого этапа блок связи будет элементом, обеспечивающим накопление результатов эксперимента

Обеспечивая накопление данных, блок связи выполняет минимум интеллектуальных функций,- он сохраняет данные «как есть» не проводя никакой интерпретации и не имея информации о семантике этих данных. Информация о семантике данных, и, соответственно, интерпретация производится на сервере и рабочем месте.

Для связи компонент «блок связи»-«сервер»-«рабочее место исследователя» разрабатывается протокол, основанный на языке XML. Использование XML должно обеспечить гибкость системы, что соответствует намерению в рамках проекта разработать универсальное ПО управления сенсорной сетью. Гибкость, обеспечиваемая семантическими базами данных в описании элементов сенсорной сети, должна адекватно поддерживаться гибкостью на уровне протокола взаимодействия, что и планируется обеспечить протоколом, базирующемся на XML. Для уменьшения потока трафика планируется рассмотреть возможность сжатия трафика с использованием априорной информации о протоколе.

Заключение

Результатом предлагаемого проекта будет принципиально новая сетевая технология поддержки широкого спектра фундаментальных исследований в области медицины и биологии, основанная на интеграции возможностей распределенной обработки данных в среде Интернет и технологии сенсорных сетей.

Ключевым компонентом подобных систем должен явиться сенсорный носимый или имплантируемый модуль, обеспечивающий беспроводную передачу данных от объекта исследования. Биотелеметрическая система позволяет получать первичную информацию без внесения в эксперимент погрешностей, обусловленных применением наркоза или факторами эмоционального стресса. Кроме того, подобная система позволяет получать результаты на доклиническом уровне, которые с большей вероятностью могут быть применимы к клиническим ситуациям, что, собственно, и является основной задачей экспериментальных исследований.

  1. Van Den Buuse, M Сircadian Rhythms of Blood Pressure, Heart Rate, and Locomotor Activity in Spontaneously Hypertensive Rats as Measured With Radio-telemetry.. Toxicology 1994 55:4 783—787.
  2. Butz, Genelle  M. Davisson, Robin  L. Long-term telemetric measurement of cardiovascular parameters in awake mice: a physiological genomics tool Physiol. Genomics 2001 89—97.
  3. Gross V Milia AF Plehm R Inagami T Luft FC Long-term blood pressure telemetry in AT2 receptor-disrupted mice Journal of Hypertension 2000 18 955—961.
  4. Uemura K., kashihara K.,Kawada T., Suimachi  M., Sunagawa  K. A bluetooth-based implantable ventricular pressure- volume telemetry system in conscious, freely mooving rats. Transactions of the Japanese Society for Medical and Biological Engineering, 2004, Vol. 42, Suppl.1, p.368.
  5. Medvedev OS, Beklemishev VV, Trofimov MIu, Tolkachev VV. Biotelemetric system for recording arterial pressure in freely moving animals Fiziol Zh SSSR Im I M Sechenova. 1979 Jan;65(1):138—40.
  6. Ismailov ShI, Baranov VS, Medvedev OS, Matsievskii DD, Suchkov VV. Evaluation of a tetrapolar rheographic method for determining cardiac output in rats. Fiziol Zh SSSR Im I M Sechenova. 1982 Aug;68(8):1171—4.
  7. www.lonmark.org
  8. www.intel.com/design/servers/ipmi/spec.htm
  9. www.w3.org/RDF/

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий