Институт физиологии им. И.П. Павлова
Российской Академии Наук


ЛАБОРАТОРИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

(Зав. – к. т. н. В. Н. Чихман)

Chihman V.N.

 

В 1969 году постановлением Президиума АН СССР в Институте физиологии им. И.П. Павлова была образована лаборатория прикладной математики с целью обслуживания ленинградских академических институтов биологического профиля. Позднее лаборатория была реорганизована в Межинститутский Вычислительный Центр (ВЦ) и группу прикладной математики, которые осуществляли математическую постановку биологических задач, моделирование и централизованную обработку экспериментальных данных на базе мэйнфреймов.

На слайде 1 и слайде 2 представлены фотографии машинных залов ВЦ в 1970 году и 1976 годах.

Зав. лаб.к.т.н. В.Н.Чихман (справа), с.н.с.С.Д.Солнушкин (слева)
 

В настоящее время основными задачами лаборатории информационных технологий и математического моделирования являются разработка и сопровождение информационных систем и математических методов для анализа физиологических данных, автоматизации электрофизиологических и психофизических экспериментов, цифровой обработки биологических изображений и сигналов, моделирование.
В лаборатории разрабатываются аппаратно-программные средства автоматизации эксперимента. Ранее был реализован ряд аналого-цифровых преобразователей (АЦП) различной разрядности и быстродействия для шины ISA, различные усилители, блоки ввода в ЭВМ межимпульсных интервалов, кнопочные пульты ввода ответов испытуемых в психофизических экспериментах (слайд 3). АЦП с дифференциальными входами имели встроенную систему автокоррекции смещения нуля и нелинейности. В блоке управляемых фильтров на переключаемых конденсаторах были реализованы фильтры восьмого порядка Бесселя, Чебышева, Баттерворта с программной перестройкой частоты среза в диапазоне от 30 Гц до 10 кГц. Выносной пульт с кнопками, удаляемый от системного блока на расстояние до 50м, имел эффективную систему подавления дребезга контактов.
Обслуживание устройств в операционной среде Windows было организовано с помощью драйверов, поддерживающих различные режимы работы аппаратных модулей – запуска по таймеру, внешнему сигналу, обработки кодов с прерыванием программы в режиме прямого доступа в память. Программы обслуживания устройств обеспечивали контроль аппаратуры, накопление и визуализацию вводимых сигналов, управление экспериментом в диалоговом режиме.
На базе разработанных аппаратно-программных средств был реализован ряд автоматизированных установок, например, для исследований биоэлектрической активности переживающих срезов мозга, анализа динамики содержания мембранно-связанного кальция в нервных клетках и др.

В последние годы в лаборатории разработаны новые устройства, ориентированные на подключение к ЭВМ с помощью USB интерфейса или по радиоканалу (слайд 4). Например, устройство MD 155 предназначено для измерения и преобразования в цифровой код сигналов от низкоуровневых датчиков напряжения по восьми коммутируемым каналам, а также для ввода и вывода дискретных сигналов с уровнями 5В КМОП логики. Основным элементом устройства, определяющим его метрологические характеристики, является микросхема сигма-дельта АЦП AD 7731 (Analog Devices). Особенностью сигма-дельта АЦП является большой динамический диапазон, существенное увеличение отношения сигнала к шуму квантования по сравнению с другими видами АЦП за счет функции цифровой фильтрации.
На базе устройства было обеспечено проведение экспериментов по исследованию сократительной функции сосудов и узлов кровеносной и лимфатической систем (слайд 5). В ходе эксперимента осуществлялось измерение биопотенциала и силы сокращения гладких мышц, температуры физиологического раствора. Программа эксперимента включала процедуры цифровой фильтрации для удаления высокочастотных шумов, подсчета локальных максимумов, изменения масштаба осей, определения выборочных участков графического отображения процессов.

Реализован модуль MD 171 , обеспечивающий параллельную регистрацию до двадцати шести электрофизиологических сигналов (слайд 6). Прибор подключается к компьютеру через USB порт, через который осуществляется и питание устройства.
Устройство MD 226 измеряет сигналы с передачей результата по радиоканалу в компьютер и представляет собой восьмиканальный 24-разрядный сигма-дельта АЦП, управляемый со стороны компьютера через интерфейс Bluetooth.
Устройство MD228 представляет собой программируемый четырехканальный генератор импульсов (слайд 7). Устройство MD236 предназначено для контроля изменения частоты импульсной активности нейронов при воздействии на биологический объект. На базе устройства MD236 проведение экспериментов по исследованию фармакологии синаптической передачи в рецепторах вестибулярного аппарата лягушки (слайд 8). Устройство MD245 предназначено для использования в системе оценки функционального состояния дыхательных мышц человека (слайд 9). Цифровая часть устройства выполнена на микросхеме CPLD EPM570T100C5 (Altera). Устройство имеет две основных функции: снятие показаний с датчика давления, встроенного в прибор для медико-физиологических исследований дыхания, передача данных в компьютер, а также управление электромагнитным клапаном перекрытия воздушного потока.
Программная поддержка разработанных устройств организована с помощью драйверов, а также dll-библиотек, написанных для среды C ++ и Delphi и включающих функции верхнего и нижнего уровня. В среде Delphi с использованием DirectX разработаны программы контроля аппаратуры, обработки и визуализации сигналов, управления экспериментом в диалоговом режиме. Например, программа для оценки функционального состояния дыхательных мышц пациента обеспечивает отображение регистрируемого давления во времени, определение различных временных параметров дыхательного цикла, вычисление индекса функционального состояния инспираторных мышц. Оцифрованные процессы сохраняются в реляционной базе данных. Программа включает процедуры фильтрации, изменения масштаба осей и т.п. Реализован экспорт данных в Excel .

В 90-е годы при лаборатории был создан центр обработки изображений, на базе которого были решены задачи цифровой обработки изображений различных биологических объектов. Например, проводился морфометрический анализ скоплений нейронов зрительных полей коры мозга кошки, осуществлялся ввод изображений отдельных нервных сплетений для измерения площади рецепторных полей, длины волокон и т. п. В настоящее время продолжается разработка программ для интерактивной цифровой обработки морфологических изображений (выделение областей интереса в интерактивном режиме и расчет их оптико-геометрических характеристик) (слайд 10) .

В лаборатории длительное время совместно с лабораторией физиологии зрения выполняется работа по организации и проведению компьютеризированных психофизиологических экспериментов по исследованию механизмов зрительного восприятия. Реализован ряд программ синтеза и предъявления изображений-стимулов с задаваемыми параметрами, проведения экспериментов, накопления и анализа данных по исследованию механизмов пространственного зрения, восприятия неполных изображений, краудинг-эффекта и др. (слайд 11, слайд 12, слайд 13).

Лаборатория проводит работу по внедрению и сопровождению математических алгоритмов для обработки физиологических данных и моделирования. Например, ранее были выполнены следующие оригинальные работы:

  • Разработка (совместно с л. физиологии поведения приматов) модели поведения приматов в условиях переменного лабиринта.
  • Разработка (совместно с л. физиологии речи) моделей периферического и более высоких уровней обработки речевого сигнала.
  • Создание (совместно с л. физиологии зрения) метода определения весовой функции рецептивного поля наружного коленчатого тела.
  • Создание (совместно с л. физиологии вестибулярного аппарата) модели, описывающей участие различных механизмов вестибулярного аппарата в стабилизации вертикальной позы.
  • Создание метода и определение параметров кинетики выведения натрия из срезов коры головного мозга крыс (совместно с л. экспериментальной эндокринологии).
  • Разработка (совместно с лабораторией физиологии пищеварения) модели процесса пищеварения, воспроизводящей структуру взаимодействий нейрогормональных, секреторно-ферментативных и транспортных процессов и исследование с ее помощью процессов пищеварения у собак. История создания и описание модели процесса пищеварения
  • В последнее время выполнены работы с применением моделей регрессионного и дисперсионного анализа, например, для исследования механизмов долговременных влияний болевого синдрома новорожденных (совместно с лаб. онтогенеза нервной системы); изучения психофизиологии ассоциативных процессов, эмоциональных и когнитивных реакций при восприятии визуальных стимулов, локального и глобального анализ изображений в норме и при шизофрении (совместно с лаб. физиологии зрения); исследования роли эндотелиальной и нейрональной синтаз оксида азота в регуляции желудочной секреции бикарбонатов на фоне слабой ирритации слизистой оболочки (совместно с лаб. пищеварения) и др.
  • Одна из работ лаборатории - компьютерная реализация модели регуляции процесса пищеварения (cлайд 14). Математическая модель регуляции процесса пищеварения – система, построенная на основании дифференциальных уравнений. Это – единственная модель, разработанная с использованием практически всех имеющихся в настоящее время сведениях о взаимодействиях в пищеварительной системе у собак.
    Демо-версия программного модуля (Model.zip - 603 Kb)

В лаборатории выполняются разработки методических средств для исследования влияния слабых низкочастотных магнитных полей на биологические объекты различной степени сложности (слайд 15). Выполнен расчет и изготовление экранирующей камеры для растительных объектов и клеток, проводилась работа по исследованию механизмов влияния сверхслабых магнитных полей на компоненты крови и возбудителей инфекционных заболеваний, исследовалось влияние сверхслабого статического магнитного поля на снижение активности развития возбудителей инфекционных заболеваний (по договорам о сотрудничестве с ИЭФБ РАН, ФГУ ФЦСКЭ им. В.А. Алмазова, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», СПГУ).
Сотрудниками лаборатории осуществляется развитие и сопровождение серверного оборудования компьютерной сети Института, телекоммуникационных систем, обеспечивающих работу локальных компьютерных сетей, их связь с глобальной сетью Интернет.
Сотрудниками лаборатории опубликовано более 500 работ.

Избранные публикации

  << Назад