Биоэлектронная система регистрации и анализа в реальном времени кардиоритма беспозвоночных с экзоскелетом

Внедрение: 2017 г.

В настоящее время наибольшие успехи в развитии инструментальных биологических методов оценки качества поверхностных вод в реальном времени достигнуты в направлении, основанном на неинвазивной регистрации ответных реакций основных функциональных систем организмов-биоиндикаторов на изменения качества среды их обитания [1]. Существенным преимуществом биоиндикации качества воды такими методами является не только их экспрессность, но и принципиальная возможность интегральной оценки и острого, и хронического воздействия загрязняющих веществ на биоту.

В 1999 г. в НИЦЭБ РАН (ФГБУН Санкт-Петербургском научно-исследовательском центре экологической безопасности Российской академии наук) был разработан волоконно-оптический метод регистрации кардиоактивности бентосных беспозвоночных с экзоскелетом с применением модуля АЦП E14‑140. На рисунке 1 представлена блок-схема этого метода. 

Рисунок 1. Блок-схема системы мониторинга кардиоактивности методом вариационной пульсометрии: ЛВОФ – лазерный волоконно-оптический фотоплетизмограф; АЦП – аналого-цифровой преобразователь E14‑140; ПК – персональный компьютер; КИ – кардиоинтервал; СКО – среднеквадратическое отклонение; SI – стресс-индекс.

В рамках данного биоэлектронного метода (рисунок 1) происходит преобразование исходной фотоплетизмограммы (ФПГ) – оптического сигнала, содержащего информацию о частоте сердечных сокращений (ЧСС) биоиндикатора – в аналоговый электрический сигнал с последующей его оцифровкой. Основная трудность обработки таких сигналов заключается в том, что, в отличие от кардиограмм, в сигнале ФПГ отсутствует острый зубец, по которому легко определять величины ЧСС. Автоматизация обработки данных включает адаптивную цифровую фильтрацию, анализ вариабельности кардиоинтервалов (временных интервалов между двумя соседними циклами кардиоритма) по методу вариационной пульсометрии (ВП), сохранение и визуализацию данных. Метод ВП изучает общую вариабельность ритма сердца по характеристикам распределения кардиоинтервалов по величине. Основными измеряемыми характеристиками при этом являются среднее значение кардиоинтервала (КИср), соответствующие ему ЧСС, СКО и SI.

Программное обеспечение биоэлектронной диагностики VarPulse было разработано в среде Microsoft Visual Studio 6.0 на языке Visual С++ с целью автоматизации и повышения скорости обработки информации предложенного биоэлектронного метода. ПО VarPulse работает с одним из двух источников данных: поток данных с многоканального АЦП (E14‑140) или бинарные файлы, содержащие ранее записанную ФПГ. При запуске программы происходит инициализация переменных и считывание последних сохраненных настроек программы из файла настроек. На следующем шаге алгоритма предусмотрен автоматический запуск потока чтения данных с АЦП (который может быть отменен пользователем), необходимый при работе программы в автономном режиме. Анализ данных происходит в режиме реального времени для каждого из каналов и реализован в виде блоков-подпрограмм: чтения данных, цифрового фильтра, определения интервалов и анализа вариабельности работы сердца.

Рисунок 2. Сигнал ФПГ рака Pontastacus leptodactylus во временном и частотном (быстрое преобразование Фурье) доменах до (сверху) и после (снизу) цифровой фильтрации НЧ артефактов. S – полезный сигнал; N – шум. Частота настройки фильтра f₀ = 0,415 Гц.

Авторы статьи [1] отмечают, что область применения разработанного ПО VarPulse не ограничивается только экофизиологическими исследованиями, связанными с оценкой качества поверхностных вод. С 2005 г. ПО VarPulse входит в состав программного комплекса аналитического блока СПБМКВ ГУП «Водоканал Санкт- Петербурга». Данный комплекс (программы FishMonitor, VarPulse, DataAdmin, DataMonitor, макросы MS Office) включает набор средств анализа, визуализации, архивирования и передачи удаленным пользователям данных о функциональном состоянии биосенсоров СПБМКВ.

Источник:
Куракин А.С., Холодкевич С.В., Иванов А.В. Программно-алгоритмическое обеспечение диагностики качества вод с использованием биоэлектронной системы регистрации и анализа в реальном времени кардиоритма беспозвоночных с экзоскелетом // Системы контроля окружающей среды. – 2017. – № 10 (30). – С. 38‑47.

Разработчик: Куракин А.С., Холодкевич С.В. (НИЦЭБ РАН, СПб), Иванов А.В. (Санкт-Петербургский гос. университет)