Система реального времени для биологических исследований сократительной способности мышц

Внедрение: 2015 г.

Journal of Biomedical Science and Engineering опубликовал статью учёных из Института иммунологии и физиологии УО РАН "Альтернативный подход к изучению сократительной способности препаратов изолированных мышц в режиме реального времени" [1].

В нашем портфолио данная работа связана с ранее опубликованной статьёй "Неоднородность вязкоупругих свойств миокарда. Модель и эксперимент" близкой темой и общим автором и содержит важные технические детали реализации того же самого экспериментального комплекса, где на основе процессора Blackfin платы L‑502 была реализована низкоуровневая подсистема реального времени. Для экспериментального комплексного ПО авторы [1] разработали две программы: прошивку и пользовательское приложение. Первая загружается в модуль L‑502 и работает в режиме реального времени. Вторая содержит графический интерфейс. Пользовательское приложение позволяет управлять работой первой программы, передавая ей команды в виде наборов данных, и работает как обычная программа для Windows или Unix.

На рисунке 1 показана блок-схема взаимодействия между пользовательским интерфейсом (PC, user interface) и платой ввода-вывода L‑502 в течение одного цикла управления, составляющего 100 мкс.

Рисунок 1. Схема обработки данных между пользовательским интерфейсом и платой ввода/вывода в течение одного цикла управления: Command buffer – буферная память команд; Processed data buffer – буферная память результатов обработки; L-502 firmware – встроенное ПО L‑502; DAC – ЦАП, управляющий сервомотором; ADC, Digital ports – каналы АЦП и цифрового ввода, использующие буфер данных (data buffer). 

Авторы отмечают, что важным достижением, которое стало возможным благодаря модулю L‑502, является пользовательский контроль частоты электростимуляции препаратов. Эта функциональность позволяет контролировать задержку для каждого из каналов экспериментальной установки отдельно, а также контролировать задержку возбуждения между препаратами. Таким образом, можно моделировать вклад пространственной и временной неоднородности слоев миокарда в насосную функцию сердца. Также возможно улучшить вышеупомянутые функциональные режимы, а также генерировать совершенно новые режимы без какого-либо усовершенствования аппаратного обеспечения. Таким образом, разработана биомеханическая система, которая реализует принцип независимости между функциями приема, обработки данных, функциями хранения и обработки изображений. 

В качестве репрезентативного примера авторы получили и обработали данные по изотоническим сокращениям во время эксперимента на живой папиллярной мышце правого желудочка сердца крысы (рисунок 2). Эти данные представляют возможность контроля длины препарата в режиме реального времени, так что величина силы, развиваемой мышцей, находится на заданном уровне.

Рисунок 2. Суперпозиция серии изотонических сокращений. Верхние кривые представляют изменения в длине папиллярной мышцы, нижние кривые представляют изменения в силе, развиваемой препаратом.

Авторы отмечают основные технические преимущества предлагаемого технического решения системы измерения-управления на основе L‑502:

1. Режим реального времени не зависит от какой-либо ОС. Весь алгоритм взаимодействия персонального компьютера с механизмом управления реализован через внутреннюю программу внешнего модуля. Это позволяет использовать некоторые функции в параллельном потоке (например, запись видео) без потери системных ресурсов.
2. Экспериментальный комплекс – кроссплатформенный. Для работы с внешним модулем требуется только соответствующий драйвер (обычно поставляется с завода в стандартном драйвере устройства для Windows и Linux). Более того, если пользовательский интерфейс разработан на Delphi, его можно адаптировать к Linux (через специализированную IDE, например, Kylix или Lazarus). Нет необходимости учитывать мощность ПК и объем его оперативной памяти, поскольку модуль использует только свои собственные ресурсы для обработки данных.
3. Существует возможность масштабирования системы (в отличие от подходов, использующих ОС реального времени) путем добавления новых модулей, синхронизированных относительно друг друга на внутреннем или внешнем источнике тактовых импульсов. Это обеспечивает значительное преимущество, поскольку устраняет необходимость фундаментальных изменений в аппаратно-программном комплексе и расширения вычислительной мощности, обслуживающей эксперимент. В то же время масштабирование абсолютно не нарушает режим реального времени.
4. Сам модуль L‑502 представляет собой очень компактное устройство с интерфейсом PCIe, которое достаточно компактно для использования в MidiTower. Кроме того, модуль потребляет минимальное количество энергии и не требует активного охлаждения, что снижает затраты на потребление энергии для эксперимента.
5. Внедренный комплекс имеет простой в использовании интерфейс, который не требует от ученых специальных навыков программирования или администрирования.
6. Предполагается, что эта система будет распространяться как свободное программное обеспечение. Таким образом, существует возможность улучшения и разработки новых функций для нужд конкретной задачи. Данные, полученные на выходе, хранятся в незашифрованном виде и легко поддаются любой статистической обработке.

Авторы отмечают также и следующие недостатки. Поскольку ресурсы внешнего модуля сильно ограничены мощностью внутреннего ЦП и объемом внутренней памяти, невозможно реализовать алгоритмы со сложной рекурсией. Но эта проблема решается за счет масштабирования системы, а также использования оптимизированных алгоритмов. 

В заключении авторы утверждают, что аппаратно-программный экспериментальный комплекс на основе внешнего модуля L‑502 предоставляет уникальный удобный инструмент с удобным интерфейсом реального времени для изучения механических свойств биологических материалов, который был успешно испытан в ходе биомеханических экспериментов. 

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 13‑04‑00367, 14‑04‑00085, Программа ученых Совета Президиума РАН 2014.

Источник:

Balakin, Alexandr & Lisin, Ruslan & Smoluk, Aleksey & Protsenko, Yuri. (2015). Alternative Approach for Studying Contractility of the Isolated Muscle Preparations in Real-Time Mode. Journal of Biomedical Science and Engineering. 08. 643‑652. 10.4236/jbise.2015.89060.

Разработчик: Балакин А.А., Лисин Р.В., Смолюк А.Т., Проценко Ю.Л. (Институт иммунологии и физиологии УО РАН, Екатеринбург)