Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обоснование необходимости применения тест реакции термотаксиса paramecium caudatum в качестве средства контроля токсичности водных сред 10
1.1. Основы биотестирования 10
1.2. Температура
1.2.1. Температура как лимитирующий фактор 12
1.2.2. Основы термотаксиса живых организмов
1.3. Аналитический обзор биотестов контроля токсичности водных сред при помощи тест-реакции термотаксиса 18
1.4. Аналитический обзор влияния биологических и технических факторов на реакцию термотаксиса организмов 19
1.5. Обзор макетов экспериментальной установки для апробации биотеста на модельных токсикантах 32
1.6. Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Исследование влияния биотехнического фактора на тест-реакцию термотаксиса инфузорий, анализ температурных эффектов для выбора тест-реакции на токсичность 40
2.1. Анализ температурных эффектов для выбора тест-реакции на токсичность 40
2.1.1. Температурный эффект, основанный на локальном нагреве (концепция термодиффузии) 40
2.1.2. Температурный эффект, основанный на локальном охлаждении 45
2.2. Исследование биотехнических факторов, влияющих на термотаксическую реакцию инфузорий 51
2.3. Выводы по главе 57
ГЛАВА 3. Разработка дискретной рекуррентной математической модели температурных популяционных реакций инфузорий 58
3.1. Разработка метода моделирования термотаксиса инфузорий (прямая задача) 58
3.1.1. Построение линейной рекуррентной клеточной модели 58
3.1.2. Моделирование ненаправленного движения частиц 60
3.1.3. Моделирование однонаправленного движения частиц в зону комфортной температуры (в крайнюю ячейку)
3.2. Информативный параметр из математической рекуррентной модели (обратная задача) 62
3.3. Выводы по главе 68
ГЛАВА 4. Прикладное программное обеспечение, необходимое для реализации процессов моделирования и обработки цифровых изображений термотаксических реакций инфузорий 70
4.1. Задачи прикладного программного обеспечения 70
4.2. Моделирование термодинамических процессов 71
4.3. Реализации модели ненаправленного и направленного движения организмов по узкой протяженной кювете 77
4.4. Определение линейного тренда популяционного распределения инфузорий по кювете 79
4.5. Определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий - коэффициентов перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной с функцией ручной раскодировки 86
4.6. Определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий - коэффициентов перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной с функцией автоматической раскодировки 91
4.7. Определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий - градиента наклона линейного тренда и концентрации 101
4.8. Комплексная программа для определения информативных параметров таксиса инфузорий 105
4.9. Выводы по главе 107
ГЛАВА 5. Результаты экспериментов по исследованию тест-реакции термотаксиса 112
5.1. Структура аппаратно-программного комплекса для биотестового контроля токсичности водных сред на базе тест-реакции термотаксиса Paramecium caudatum 112
5.2. Метод культивирования инфузорий 114
5.3. Исследование воздействие ингибиторов клеточного дыхания на тест-реакцию термотаксиса инфузорий 116
5.4. Методика определения токсичности водных сред на базе тест-реакции термотаксиса инфузорий 119
5.5. Выводы по главе 121
Заключение 122
Список литературы 123
- Основы термотаксиса живых организмов
- Температурный эффект, основанный на локальном нагреве (концепция термодиффузии)
- Моделирование ненаправленного движения частиц
- Реализации модели ненаправленного и направленного движения организмов по узкой протяженной кювете
Введение к работе
Актуальность работы. Токсичность, или биологическая вредность, – фактор, определяющийся на основе биологической реакции. Экотоксикология, объединившая экологию и токсикологию, активно развивается, привлекая возможности технологий биотестирования на основе неразрушающего контроля. Существующие проблемы оценки экотоксичности в сложных экологических системах описаны у Ку-ценко С.А. (2003). В последние годы важной проблемой стало изучение взаимодействия температуры и токсичности (К. Д. Гордон, 2005).
Микробиотестирование – новая область биотестирования, использующая организмы малых размеров и малые объемы проб, что требует аппаратурные средства контроля тест-реакций (А. В. Пожаров, 1978; Г. В. Рид, Д. М. Харкин, К. Е. Густав-сон, 1998). Использование в качестве тест-реакций популяционных перемещений организмов под действием градиента физических или химических факторов – таксисов – позволяют обеспечить статистическую достоверность. В последние годы были исследованы различные виды таксисов инфузорий – хемотаксис, гальванотаксис и динамика гальванотаксиса.
Термотаксис – направленное перемещение организмов в зону оптимальной температуры. В начале XXI века было выявлено, что свойства термотаксиса инфузорий сходство с температурной регуляцией многоклеточных (Г. Малвин, 1994-98). Особенно важно исследование температурной регуляции животных в условиях проявляющегося в мире глобального потепления, которое побуждает к миграции многие популяции организмов (К. Д. Гордон, 2005). Одноклеточные организмы, не обладая нервной системой, образуют плавающие структуры, способные находить зону температурного оптимума (М. Мендельсон, 1905; К. Гертер, 1934). Не имея температурных рецепторов, эти организмы реагируют на остро опасные воздействия, чтобы обеспечить выживание популяции (К. Тавада, Ф. Оосава, 1972; Т. Томинага, Я. Наитох, 1992). Современные открытия в области исследования термотаксиса показали возможность определения токсичности водных сред по температурной реакции инфузорий (Купер К.Е., 2002).
Проведенный аналитический обзор выделил две группы тестов, влияющих на процессы дыхания: тест in vivo на основе температурной реакции у базидиомицета Trametes maxima (О. И. Кляйн, 2013) и тест in vitro на основе субмитохондриальных частиц (Р. Тодешини, С. Ж. Бетио, Г. Гьюрин, 1996).
Выбор простейшими зоны комфортных температур, зависящий от гипоксии (К. Д. Гордон, 2005), инфекций (Г. Малвин, 2003), ряда химических токсикантов (Т. Иное, Ю. Накаока, 1996) и биохимических блокаторов метаболизма (С. Имада, Ф. Оосава, 1999), определяет актуальность создания приборного биотеста, основанного на температурном таксисе.
Однако современные исследования не вышли за границы лабораторных экспериментов, так как являлись технически сложными для реализации биотеста и при-
борной регистрации. Продолжались они более часа (К. Гертер, 1934). Существующие методы контроля в основном опирались на визуальные наблюдения и отсутствовали количественные критерии тест-реакции.
Целью диссертационной работы является разработка экспресс-
микробиотеста токсичности водных сред на базе тест-реакции термотаксиса инфузорий.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выявить влияние биологических и физических факторов на реакцию термотаксиса Paramecium caudatum и выделить главные факторы, определяющие возникновение тест-реакции.
-
Разработать математическую модель, описывающую температурное перераспределение популяции инфузорий в токсичной и нетоксичной среде.
-
Разработать компоненты инструментального, алгоритмического и программного обеспечения экспресс-микробиотеста на базе тест-реакции термотаксиса инфузорий для контроля токсичности водных сред.
-
Экспериментально апробировать экспресс-микробиотест на модельных токсикантах.
Объектом исследования данной работы являются приборы неразрушающего биотестового контроля токсичности водных среды.
Предметом исследования являются компоненты информационного, инструментального, методического и программно-алгоритмического обеспечения системы, реализующего контроль токсичности водных сред по реакции термотаксиса инфузорий.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы биотехнологий, математические методы моделирования, методы математической статистики, методы обработки цифровых изображений, а также информационно-программные методы моделирования.
Новые научные результаты:
-
Новое пространство информативных признаков биологических и физических факторов тест-реакции термотаксиса инфузорий, обеспечивающее возможность контроля токсичности водных сред.
-
Математическая модель движения популяции по кювете в условиях токсичности водной среды, позволяющая выявить процесс самоорганизации популяции.
-
Метод и средство контроля сигнала реакции термотаксиса P. caudatum.
-
Концепция экспресс-биотеста контроля токсичности водных сред на основе искусственной гипоксии инфузорий.
Практическая ценность работы:
1. Информационное пространство, основанное на параметрах биологических и физических факторов тест-реакции термотаксиса инфузорий, обеспечивает метод и средство контроля токсичности водных сред.
-
Алгоритмы и программная реализация на основе математических моделей позволяет получить информативные параметры, выявляющие изменение распределения популяции инфузорий при воздействии температуры и токсичности.
-
Совокупность предложенных элементов инструментального, алгоритмического и программного обеспечения экспресс-микробиотеста на базе тест-реакции термотаксиса инфузорий позволяет контролировать токсичность водных сред.
-
Метод аппаратно-программной регистрации параметров цифровых видеоизображений для контроля пространственно-временного распределения инфузорий, отражающих воздействие токсичных факторов на реакцию термотаксиса.
-
Результаты апробации экспресс-биотеста на модельных токсикантах – ингибиторах клеточного дыхания.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Биотестовый метод на основе искусственной гипоксии, изменяющей распределение инфузорий по кювете, позволил использовать термотаксис для контроля токсичности пресных водных сред.
-
Математический метод расчета коэффициентов перехода между последовательными распределениями популяции, позволил выявить процессы самоорганизации термотаксиса инфузорий.
-
Система аппаратурно-программного контроля реакций инфузорий впервые позволила выявить градиент наклона линейного тренда популяционного распределения инфузорий как информативный параметр, отражающий воздействие токсичности на тест-реакцию термотаксиса.
Достоверность результатов исследования обеспечена корректным дополнением теоретических методов и постановки экспериментов; опорой на основные принципы проведения опытов в области биотехнологий; логикой исследования; анализом отечественных и зарубежных источников; учетом количества факторов, адекватного задачам; применение современных методов и статистических программ; расчетами, выполняемыми с помощью компьютерных программ.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли применение при выполнении НИР «БТС для контроля токсичности водных сред на базе тест-реакции термотаксиса инфузорий» конкурса грантов 2013 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (договор серии ПСП №13064); в НИР «Разработка биотехнической системы для экспресс-контроля токсичности водных сред на основе тест-реакции термотаксиса P. caudatum» программы «УМНИК» (договор 9913ГУ/2015), а также внедрены в практику работы ООО «Центр Проектирования и Экологии» и отдела наладки, технического обслуживания и ремонта ООО «Мобильные Системы Диагностики Холдинг». Работа выполнена в рамках государственного заказа «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, при-5
кладных научных исследований и экспериментальных разработок)» базовой части государственного задания Минобрнауки России (код проекта 2548).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 25 научных конференциях, среди которых 15 конференций – международных (1 входит в базу Scopus, 2 – в базу IEEE), 3 конференции – межрегиональные (всероссийские), 7 конференций – ведомственных.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, среди которых 6 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 – в журнале, индексируемая Scopus, 19 – в материалах международных и российских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах. Работа содержит 10 таблиц и 84 рисунка.
Основы термотаксиса живых организмов
Аналитический физико-химический и биологический контроли являются взаимно дополняющими при экологическом мониторинге качества окружающей среды. Биологический контроль окружающей среды, способный выявлять изменение вредности смесей, которые обладают эффектом синергизма и антагонизма, включает в себя три основные группы методов: биоиндикацию, биотестирование и биосенсорный контроль [1, 2].
Определений понятия "биотестирования" в литературе встречается очень много, но одним из основным является определение, данное в докладе Временной научно-технической комиссии «О современном состоянии и перспективах развития научно-исследовательских работ по биотестированию природных и сточных вод»: «Под биотестом понимается оценка (испытание) в строго определенных условиях действия вещества или комплекса веществ на водные организмы путем регистрации изменений того или иного биологического (или физиолого-биохимического) показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем»[3].
Полностью не заменяя химических и физических методов, биотестирование занимает всё более значительное место среди других методов индикации токсических веществ, давая дополнительную информацию о состоянии биосферы, которую другими методами не получить. Биологические тесты занимают важное место при оценке природных экосистем, которые тесно связаны с химико-аналитическими методами, проводимыми на сложном оборудовании. Кроме того, аналитические методы не позволяют оценить свойства синергизма и антагонизма двух и более веществ, которые способны претерпевать в окружающей среде разные превращения, усиливая или ослабевая свое токсическое действие. Поэтому на данный момент стало необходимо разрабатывать новые методы косвенной оценки токсичности природных сред [71].
Биотестовые методы контроля токсичности водных сред не позволяют установить спектр загрязнителей, но они дают общую оценку токсичности. Но при использовании тест-организмов разного уровня возможно получить данные о составе загрязнителя.
Тест-организмом является организм, которого специально вырастили в условиях лаборатории в контролируемых условиях. Для данного вида биологического контроля данный организм должен быть наиболее чувствительным.
При воздействии данных факторов происходит изменение тест-системы в целом, в которой происходят изменения на разных уровнях формирования. Ответные реакции тест-системы отличаются по скорости проявления, чувствительности, простоте наблюдения и прочему, среди которых выбирают в виде тест-реакции, которая из себя представляет изменение свойств организмов (популяции), на которые оказано воздействие вредного фактора [4, 73].
Тест-критерий служит для определения свойств исследуемого образца по выраженности проявления одной или нескольких тест-реакции.
На данный момент при помощи методов биотестирования возможно решение следующих задач мониторинга окружающей среды: анализ состояния сточных вод с целью определения потенциально опасных источников загрязнения и предупреждения поступления токсичных веществ в биоценоз активного ила, при проектировании очистных сооружений; определение уровней безопасного разбавления сточных вод для организмов гидробионтов при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов; анализ и обоснование нормативов ПДК и классов опасности веществ; контроль качества почв и токсичности кормов; экспертиза новых материалов, веществ, изделий и пр. [6, 7] . Согласно международной классификации, выделяют острую токсичность, проявляющуюся не более чем за 48 часов, и хроническую - за счет аккумуляции вредных веществ в течение более 48 часов. Острая токсичность является очень опасным вредным фактором загрязнителя, так как проявляется при воздействии веществ, влияющих на жизненно-важные системы живого [8, 74].
Таким образом, биотесты можно разделить на интегральные и селективные, которые ориентированы на определенный спектр веществ, подавляющих, к примеру, клеточное дыхание, то есть такие микробиотесты смогут идентифицировать вещества-ингибиторы клеточного дыхания.
Температурный эффект, основанный на локальном нагреве (концепция термодиффузии)
Наклон 0,055оC/сек то же самое, что и наблюдалось в контрольной группе. Таким образом, порог чувствительности Paramecium к изменению температуры не зависит от вязкости раствора. Этот эксперимент исключает возможность того, что инфузории обнаруживают разницу температур по всей длине. В противном случае, критический градиент температуры будет зависит от скорости взвеси.
Два эксперимента, показанные на рис. 1.12 и 1.13 дают убедительные доказательства, что инфузории обнаруживают непосредственно изменения температуры при движении в оптимальном диапазоне температур, когда скорость изменения температуры 0,055 оС/сек. При температуре ниже 10С или выше 33С, Paramecium имеет достаточно высокую чувствительность к градиентам температур, как показано пунктирной линией на рис. 1.13. В таких условиях очень хорошо видна реакция избегания инфузорий, реакция наблюдается довольно редко в середине градиента температур.
В таблице 1.3 представлена зависимость критического градиента температуры от температуры и скорости инфузорий, где T/х - критический градиент температуры, T1 и T2 - температура на концах стеклянной кюветы, Тм - температура в середине стеклянной ячейки, Vм - скорость взвеси Paramecium на Тм в стеклянной кювете, Vm -скорость Paramecium при Тм =Т1= Т2. Зависимость критического температурного градиента от обратной скорости плавания Paramecium при различной вязкости. Концентрация метилцеллюлоза (4000 cP) варьировалась в диапазоне 0-0,15% [23].
Таким образом, при экстремально низких и высоких температурах, механизмы терморегуляция в Paramecium могут отличаться от тех, которые присутствуют при физиологических температурах [21, 22, 23]. 1.5. Обзор макетов экспериментальной установки для апробации биотеста на модельных токсикантах Установка на основе метода Гертера
При исследовании температурной регуляции организмов К. Гертер в 1932 г. предложил камеру [7], градиент температур в которой создавался путем нагрева одной стороны толстой стальной полосы и охлаждением ее с другой. На пластину помещался организм, который, передвигаясь по полосе, выбирал оптимальную комфортную температуру (рис. 1.15). Длительность регистрации эксперимента составляла 1 час.
Установки для создания тест-реакции термотаксиса плажающих организмов представлены в работах [8] и [9], которые основы на локальном охлаждении и нагреве торцов кюветы при помощи проточных систем с нагретой и охлажденной водой. Благодаря этой установке были обнаружены популяционные эффекты, зависящие от температур среды одноклеточных, исследованы условий возникновения температурных эффектов, диапазон температурных оптимумов.
При реализации данного метода исследуется только перемещение максимума распределения популяции инфузорий и невозможно выявление процессов, отражающих воздействие токсичности на температурную регуляцию простейших [28]. Установка градиента температур в стеклянной кювете (модифицированная установка на основе метода Гертера) Простейшие помещались в стеклянную кювету, толщина стенок которой варьировалась от 0,13 до 0, 17 мм. Температурой взвеси управляли с помощью двух металлических блоков с впадинами для воды (вода поставлялась от водной ванны, которая управлялась термостатом). Металлические блоки были склеены внизу. Градиент создавался путем нагревания одного блока и охлаждением другого [15].
Установка градиента температур на основе медных полосок Градиент температуры создается в медных полосах при нагревании одного конца полоски и охлаждением другой. Вода желаемой температуры распространяется через трубку на каждый конец доски и с помощью 2 электротермостатов (Ямато, модель CTR-120). Ячейка (0,8 мм глубиной) из тонкого стекла установлена на медных полосках. Температурный градиент, созданный в стеклянной ячейке, был линейным, как показано на рис. 1.16.
Моделирование ненаправленного движения частиц
Таким образом, инфузории-туфельки воспринимают в качестве вредного фактора антисептик – бриллиантовый зеленый. В ближней зоне к токсическому воздействию происходит лизис клеток, в следующей зоне образуется скопление из неподвижных целых клеток, а в дальней зоне сохраняются жизнеспособные особи. Нагретые слои с токсикантом меньше выделяют в среду вредных веществ и их выделение приводит к отрицательному таксису простейших организмов, а не к общей гибели, т. е. клетки успевают уйти из зоны токсического воздействия.
Термодиффузия токсикантов из стратифицированной среды происходит медленнее, чем распространение токсиканта в однородной жидкости. Можно предположить, что токсичные вещества в этом случае будут дольше сохраняться в нагретых слоях природной воды и быстрее выделяться при охлаждении воды (при смене сезона или при уменьшении глобального потепления). Кроме того, токсические вещества в стратифицированной среде могут переноситься течениями на большие расстояния. К примеру, такое крупное теплое течение, как Гольфстрим, должно за счет термодиффузии накапливать загрязнители и переносить их на большие расстояния. В тоже время охлаждение Гольфстрима может привести к выбросу части токсиканта в окружающие водные среды.
Данный температурный эффект был исследован, но не был использован в качестве тест-реакции из-за сложности контроля диффузии токсикантов, не являющихся красителями [32-35].
В основу экспресс-метода проверки термотаксической реакции был положен другой температурный эффект, основанный на локальном охлаждении (рис. 2.5), который основан на свойстве инфузорий при гипоксии (температура воды 26±1С) двигаться к зоне с пониженной температурой. Данный метод включает три фазы: 1. начальное распределение инфузорий по узкой протяженной кювете близкое к равномерному, условно показано на графике в виде аппроксимирующей линейной функцией с наклоном =0; 2. термотаксис при перемещении инфузорий к охлаждающему элементу аппроксимируется линейной функцией с наклоном +; 3. при перемещении популяции от охлаждающего элемента у аппроксимирующей линейной функции наклон – . Данные регистрировались телевизионными методами, а обработка проходила при помощи разработанных алгоритмов (приведены в главе 4).
Для реализации принципа физиологической нагрузки тест-реакция была поделена на две фазы: 1. выдерживания инфузорий в токсической среде; 2. стимуляции термотаксиса для обнаружения токсического эффекта. Вторая фаза выделяет действие токсикантов, которые подавляют систему терморегуляции инфузорий.
Основной метод формирования термотаксического градиента реализуется в большинстве научных работ с помощью использования льда, как источника холода, и кипящей жидкости, как источника тепла.
Для первичной проверки формирования тест-реакции термотаксиса применялся метод источника холода, как фактора физиологической нагрузки, в качестве которого использовалась ячейка со льдом в металлическом корпусе, прижимаемая к стенке стеклянной кюветы с правой стороны. В дальнейшем данный метод может быть заменен аппаратурной реализацией на базе элементов Пельтье [36].
Теоретические основы формирования тест-реакции термотаксиса базируются на положениях термодинамики с учетом эмпирических закономерностей, выявленных исследователями термотаксиса [37-42].
Термодинамическая задача сводится к определению параметров источника холода, действующего на торец кюветы, для необходимого снижения температуры за фиксированное время и установлении температурного градиента. Общая формула термодинамического процесса формирования тест-реакции включает учет следующих термодинамических источников - тепло, отнимаемое льдом у исследуемой среды; потери на теплопроводность ячейки; потери на охлаждение кюветы; отнимаемое тепло, обеспечивающее снижение температуры среды [44, 45].
В первом приближении формула изменения температуры: где То и Ті - начальная и конечная температуры плавления льда; у - доля тепла, отнимаемого через стенку ячейки; L - удельная теплота плавления льда (кДж/кг); М - масса льда (кг); Vh V2, V3 - суммарный объем стенок кюветы, соприкасающихся с исследуемой средой, стекла кюветы и водного раствора соответственно (м3); pi, р2, Рз - плотность ячейки, стекла кюветы и водной среды соответственно (кг/м3); сь с2, с3 - теплоемкости металлической ячейки, стекла и водного раствора соответственно (Дж/ (кг К)); 3 - толщина стенки (м); X - коэффициент теплопроводности (Дж/(кг К)); S - площадь стенки ячейки (м2); Р - мощность источника охлаждения (Дж).
Реализации модели ненаправленного и направленного движения организмов по узкой протяженной кювете
Кнопка «Загрузить анализируемое растровое изображение» предлагает начать работу путем загрузки исходных изображений. Она откроет окно «Обзор папок», где оператор сможет выбрать папку (директорию) с блоком изображений. Для построения графика необходимо нажать кнопку «Распределение яркостей пикселей вертикальных». После запуска интерактивной системы MATLAB происходит инициализация исходных данных, которая включает в себя чтение растрового изображения, перевод его в режим градации серого. Данное изображение представляет матрицу яркостей каждого пикселя. Далее преобразуется матрица яркостей пикселей в одномерный массив, характеризующий сумму яркостей пикселей вертикальных. На этом заканчивается этап цифровой обработки изображений и начинается статистическая обработка данных, которая включает в себя сглаживание и выявление информативных параметров данных. Чаще всего графику, характеризующему распределение инфузорий по кювете, необходима дополнительная фильтрация для более точного определения информативного параметра наличия тест-реакции термотаксиса, поэтому осуществляется фильтрация методом скользящего среднего с нормируемым параметром. Также программа позволяет сохранять данные массива ЯПВ, обработанный методом скользящего среднего в файл типа MS Excel после записанных раннее данных (при нажатии кнопки «Записать в файл»).
Исходными данными в данной программе являются фотоизображения, которое делается путем ручной раскодировки видеофайлов движения инфузорий по кювете.
Определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий - коэффициентов перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной с функцией ручной раскодировки
Метод определения информативных параметров термотаксической реакции инфузорий, в качестве которых выступают коэффициенты перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной был также автоматизирован в интерактивной среде MatLab (рис. 4.16).
В качестве исходных данных в данном программе является блок кадров с шагом раскодировки 30 с., состоящий из 9 фотоизображений. Для инициализации программы необходимо загрузить матрицу в которой отображаются суммы яркостей пикселей снимков в формате .xls. Количество строк инициализируемой матрицы равно 9, а количество столбцов зависит от размера и качества изображения.
Для трансформации матрицы в 20-ячеечную используется инструмент доступа к элементам матриц, при помощи двух индексов — номеров строки и столбца.
Алгоритм составления матрицы вида 20-ти ячеечной модели представлен на рисунке 4.18. Первым этапом осуществляется загрузка матрицы. Проверяется размеры матрицы: количество строк 9, количество столбцов 20 или более. Второй этап: деление количества столбцов на 20 с усечением дробной части числа. Результатом вычисление является значение k. Третий этап: выделение блоков из загруженной матрицы. Параметры блока: 9 строк, k столбцов. Модель представлена на рис. 4.19. Рис. 4.13. Модель разбивки матрицы на 20 блоков. Четвертый этап: вычисление суммы элементов столбцов. Заключительным этапом является составление итоговой матрицы и проверка её размеров. Она должна иметь следующие параметры: количество строк 9, количество столбцов 20. Для определения коэффициентов перехода выполняется вычисление разности между предыдущим и последующим значением элементов столбца матрицы ЯПВ с последующим сохранением в матрицу при помощи инструмента ввода матрицы и подсчета суммы по столбцам. Матрица коэффициентов вычисляется по методу, представленному в разделе 3. На выходе программы отображаются графики ЯПВ по столбцам. Для каждого этапа строятся графики коэффициентов перехода с нанесением линий полиномиальной аппроксимации 3-ого порядка, выводятся коэффициенты для каждого полиномиального тренда. Реализация разработанного алгоритма также проводилась в интерактивной среде MatLab, в которой использовался графический интерфейс GUI и приложение обработки изображений IPT. Диалоговое окно представлено на рис. 4.20. Рис. 4.20. Диалоговое окно программы, реализующей определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий коэффициентов перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной модели.
В разработанной программе реализуется функция сохранения данных в файл uiputfile, где в качестве аргумента выступают следующие параметры: фильтр - .xls, название диалогового окна- «Запись коэффициентов».
Скорость обработки блоков видеофайлов составляет порядка 10 блоков/мин без учета раскодировки видеофайла. 4.6. Определение информативных параметров термотаксической реакции инфузорий - коэффициентов перехода по разработанной математической имитационной рекуррентной с функцией автоматической раскодировки Главным недостатком предыдущей программы определения коэффициентов перехода по модели является ручная раскодировка видеофайлов, которая занимается достаточно длительное время и является сложным процессом. Поэтому возникла необходимость в автоматизации этого процесса в среде MatLab. В качестве исходных данных в данном программе является видеозапись. Программа осуществляет автоматическую раскодировку с шагом 30 с. и выводит в соответствующие поля диалогового окна информацию только о первых 4,5 минутах (т.е. 9 анализируемых фрагментов). Для упрощения представления алгоритма он разбит на несколько частей. Общая схема цифровой обработки изображений микроорганизмов представлен на рис. 4.21.