ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Левкін Артур Володимирович
УДК 621.375.826+636.082.4
БІОТЕХНІЧНА СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО
ДІЛЕННЯ ЕМБРІОНІВ У ТВАРИННИЦТВІ
Спеціальність 05.11.17 – біологічні і медичні прилади та системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка, Міністерство аграрної політики України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Путятін Валерій Петрович
Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка,
завідувач кафедри кібернетики
Офіційні опоненти:
доктор фізико–математичних наук, професор Дзюбенко Михайло Іванович.
Науково–дослідний інститут радіофізики та електроніки
Національної академії наук України,
завідувач відділом квантової електроніки та нелінійної оптики
кандидат технічних наук, доцент Величко Ольга Миколаївна.
Харківський національний університет радіоелектроніки
Міністерства освіти і науки України,
доцент кафедри біомедичних електронних приладів та систем
Провідна організація:
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра обчислювальної техніки і програмування
Захист відбудеться “22” травня 2007р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою:
61166, м. Харків, пр. Леніна 14.
Автореферат розісланий “___” __________ 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради М. П. Мустецов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність. Однією з значущих завдань в аграрно–промисловому комплексі, яку необхідно вирішувати на основі сучасних наукових досягнень, є забезпечення населення високоякісною продукцією тваринництва.
Біотехнічним методом прискореного відтворювання високопродуктивних тварин, складовою частиною селекції та одним із засобів інтенсифікації використання генетичного потенціалу корів–рекордистків є трансплантація ембріонів великої рогатої худоби. Якщо врахувати, що від одного донора можна одержувати ембріони чотири–п'ять раз на рік, то вже на сучасному етапі розвитку біотехнології трансплантації очевидна реальна можливість мати по 20–25 телят від кожної корови–рекордистки. Використовуючи 20 корів для отримання ембріонів, тільки протягом одного року можна створити високопродуктивне молочне стадо в 200 корів з середньою продуктивністю, визначуваною складом тварин–донорів. Природним шляхом від тих же 20 корів за рік можна отримати не більше 20 телиць і бичків.
Створення сучасних технологій трансплантації ембріонів вимагає подальшого їх вдосконалення. Зокрема, слід впроваджувати новітні методи ділення ембріонів з подальшою пересадкою їх реципієнтам, що допоможе розв'язати задачу копіювання генотипів високопродуктивних тварин і збільшення поголів'я стада великої рогатої худоби в цілому. Застосування мікрохірургічних методів для ділення ембріонів в тваринництві вимагають великих витрат часу та дорогого устаткування, залежать від кваліфікації фахівців і мають низький рівень стерильності проведення ділення. Тому дослідження видатних учених направлені на вдосконалення існуючих та розробку нових методів ділення ембріонів, результати яких довели ефективність використання лазерних систем. Проте, застосування існуючих спеціалізованих лазерних систем медичного, біологічного та сільськогосподарського призначення пов'язано з великими труднощами. Це пов’язано з тим, що сучасні лазерні системи, які випускаються промисловістю серійно, є спеціалізованими та орієнтовані на вирішення чітко окресленого класу задач. Доробка та адаптація їх значно збільшує загальну вартість. Цей факт вельми істотний у зв'язку з орієнтацією на широкомасштабне тиражування та впровадження таких систем на районних станціях штучного запліднення тварин.
Таким чином, розробка автоматизованої системи ділення ембріонів, доступної при промисловій експлуатації на станціях штучного запліднення, яка забезпечить необхідні стерильність, якість, малі витрати часу на ділення ембріонів, є актуальним завданням. Цим питанням і присвячена дисертаційна робота.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи були отримані та реалізовані при особистій участі автора у зв'язку з виконанням науково–дослідних робіт:“
Розробка методів лазерного ділення ембріонів великої рогатої худоби” (розділ 1.7 № ДР 0206U000717);“
Розробка засобів підвищення надійності електропостачання та нових електротехнологій для забезпечення виробничого процесу АПК” (розділ 1.16 № ДР 0102U000688);
Розробка та впровадження в виробництво машино–технологічних систем (розділ 4.7 № ДР 0100U005610);
науково–дослідна робота Харківського національного технічного університету сільського господарства Використання обчислювальної техніки та засобів автоматизації в аграрно–промисловому комплексі.
Мета дослідження – розробка біотехнічної системи лазерного ділення ембріонів у тваринництві.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: –
обґрунтувати переваги лазерного ділення ембріонів і вимоги до технічних засобів, що реалізовують процес лазерного ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби; –
обґрунтувати доцільність застосування двох технологій лазерного ділення ембріонів: для кількості бластомерів 2–16 технологія ділення лазерною плямою, для кількості бластомерів 18–64 – лазерним відрізком; –
на основі наближених фізичних моделей уточнити математичні моделі аналізу теплових процесів для досліджуваних технологій ділення ембріонів;–
сформулювати критерії якості технологічного процесу лазерного ділення ембріонів; –
запропонувати методику вибору робочих параметрів технічних засобів для лазерного ділення ембріона; –
запропонувати шляхи підвищення точності фокусування лазерного випромінювання на ембріон, управління потужністю лазерного джерела випромінювання та реалізації методу оптимізації траєкторії руху лазерного променя по ембріону;–
модифікувати існуючий метод ділення ембріонів і провести апробацію біотехнічної системи лазерного ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби в племінному тваринництві.
Об'єкт дослідження – процес лазерного ділення ранніх ембріонів у племінному тваринництві.
Предмет дослідження – методи та технічні засоби для забезпечення технологічного процесу лазерного ділення ранніх ембріонів у племінному тваринництві.
Методи дослідження – для моделювання процесів взаємодії лазерного випромінювання з ембріоном використані методи теплопереносу та теорії взаємодії електромагнітного випромінювання з мікробіологічними об'єктами; для управління потужністю джерела лазерного випромінювання – теорію регулювання; для завдання траєкторії руху лазерного променя – методи оптимізації траєкторії; для обґрунтовування комплексу оптичних засобів і підвищення точності фокусування лазерного випромінювання – методи розробки елементів і систем лазерної оптики, методи дифракції; для експериментальної апробації біотехнічної системи – методи штучного запліднення сільськогосподарських тварин.
Наукова новизна отриманих результатів. В процесі проведення дослідження отримані наступні нові наукові результати, що виносяться на захист.
1. Модифіковано метод лазерної дії на мікробіологічні об'єкти шляхом урахування специфіки мікробіологічного об'єкту, що дало можливість підвищити якість процесу ділення ранніх ембріонів у племінному тваринництві.
2. Вперше з урахуванням специфіки ембріона запропонована та реалізована математична модель оптимальної траєкторії руху лазерного променя по ембріону, що забезпечує максимальне число одержуваних життєздатних частин ембріона.
3. Отримали подальший розвиток дві технології ділення ембріонів: лазерною плямою та лазерним відрізком, що дозволило оптимізувати основні параметри біотехнічної системи лазерного ділення.
4. Отримала подальший розвиток методика обґрунтування робочих параметрів технічних засобів для лазерного ділення ембріона, що дозволило здійснити пошук потужності та геометричних параметрів сфокусованої лазерної плями, які забезпечують підвищення якості технологічного процесу ділення ембріона.
Практичне значення отриманих результатів.
Результати проведеного дослідження дозволили розробити та здійснити апробацію лазерної системи ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби. Використання розробленої системи на станціях штучного запліднення дозволило підвищити ефективність операції ділення. Впровадження системи лазерного ділення ембріонів здійснювалося при виконанні науково–дослідних робіт:“
Розробка методів лазерного ділення ембріонів великої рогатої худоби” (№ ДР 0206U000717); “Розробка засобів підвищення надійності електропостачання та нових електротехнологій для забезпечення виробничого процесу АПК” (№ ДР 0102U000688); “Розробка та впровадження в виробництво машино–технологічних систем” (№ ДР 0100U005610);
розробка розділів, присвячених питанням інтенсифікації тваринництва та поетапного впровадження програми відтворення та селекції великої рогатої худоби в тваринницьких підприємствах, що є додатком до “Комплексної програми розвитку сільського господарства Харківської області у 2005–2010 роках та на період до 2015 року” в якості її наукового супроводження (акт впровадження в Комплексну програму розвитку сільського господарства Харківської області в 2001–2005 роках та на період до 2010 року);
вдосконалення технології ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби, що застосовується в практиці робіт Інституту експериментальної і клінічної ветеринарної медицини УААН (акт впровадження в Інституті експериментальної і клінічної ветеринарної медицини УААН).
Теоретичні та практичні питання побудови біотехнічної системи лазерного ділення ембріонів у тваринництві використовуються в навчальному процесі Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за курсами “Проектування технологічних процесів в тваринництві”, “Технології виробництва продукції тваринництва”, “Основи наукових досліджень”, “Ідентифікація та моделювання технологічних об'єктів”, “Дослідження операцій”, “Автоматизація систем керування технологічними процесами сільськогосподарського виробництва” при проведенні лекційних та лабораторних занять (акт впровадження в навчальний процес ХНТУСГ імені Петра Василенка).
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що складають сутність роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового і практичного значення, отримані автором самостійно. У роботах [4 – 6, 10, 17], виконаних у співавторстві з науковим керівником, автором належать вибір методів досліджень, а також способів вирішення поставленої задачі.
Публікації [1 – 3, 7, 9, 12 – 15] – без співавторів.
У публікаціях, написаних у співавторстві з колегами [4, 5, 6, 8, 10, 11, 16, 17], особистий внесок здобувача в кожній з цих статей є визначеним, що підтверджується наступними новими науковими результатами, які отримані автором особисто: у роботі [4] проведено математичне моделювання з метою оптимізації робочих параметрів технічних засобів для забезпечення теплової стійкості (життєздатності) одержуваних частин ембріона; у патенті на винахід [5] запропонована реалізація способу створення хімер сільськогосподарських тварин за рахунок використання оптико–акустичного ефекту лазерної дії на ембріон, що знаходиться в питомому середовищі; у патенті на винахід [6] запропонована апаратурна реалізація способу отримання монозиготних тварин на основі використання лазерних систем ділення ембріонів, а також додаткових пристроїв підвищення точності фокусування лазерного променя на біооб'єкт; у роботі [8] висвітлені шляхи поліпшення поголів'я худоби методами біотехнологій; у роботі [10] обумовлені принципові можливості та перспективність застосування комп'ютерних технологій в племінному тваринництві; у роботі [11] запропонована ідея застосування оптико–електронних систем у тваринництві; у роботі [16] розглянуті особливості взаємодії електромагнітного випромінювання з ембріоном; у роботі [17] на основі експериментальних досліджень біотехнологічних методів ділення ембріонів пропонується використовування методів автоматизації в біометрії.
Апробація роботи. Основні результати роботи докладалися та обговорювалися на 13 конференціях та семінарах: –
міжнародних конференціях “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (м. Туапсе, 1995 р., 1996 р.); –
II міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке” (м. Харків, 1998 р.); –
семінарі Інституту лазерної біології та лазерної медицини Харківського державного університету (м. Харків, 1999 р.); –
міжнародних науково–практичних конференціях “Применение лазеров в медицине и биологии” (м. Харків, 2000 р., м. Одеса, 2003 р., м. Ялта, 2003 р., м. Ялта, 2004 р., м. Миколаїв, 2005 р., м. Ялта, 2005 р., м. Луцьк, 2006 р.); –
III Міжнародній конференції “Актуальные проблемы биологии в животноводстве” (м. Боровськ Калужської області, 2000 р.); –
міжнародній науково–практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2002 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 робіт, у тому числі 2 патенти України на винаходи [5, 6], 4 роботи [1 – 4] опубліковано у виданнях, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт та 8 публікацій у тезах доповідей і матеріалах науково–технічних конференцій.
Структура роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, переліку посилань та додатків. Загальний обсяг дисертації 163 стор., у тому числі 7 рисунків на окремих сторінках, 6 додатків та перелік літературних джерел з 169 найменування на 19 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У введенні обґрунтовано актуальність теми дисертації, проведено аналіз стану завдання, визначено задачі дослідження, їхній зв’язок із науковими програмами та темами НДР, сформульовані мета та науково–технічні задачі, визначений особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, наведена інформація про апробації результатів дисертаційної роботи.
У першому розділі проведено аналіз біотехнологічних методів і пристроїв, які використовуються для інтенсифікації відтворення та селекції великої рогатої худоби. Отримано висновок, що інтенсифікація технологічного процесу відтворювання та селекції тварин диктує необхідність вдосконалення й адаптації до практичного використання існуючих методів і технічних засобів ділення ранніх ембріонів.
Аналіз публікацій у науково–технічній літературі показує, що у ряді країн інтенсивно проводяться дослідження з отримання ідентичних близнят за допомогою мікрохірургії та лазерного ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби. Крім того, розглянувши сучасні технічні засоби дії лазерного випромінювання на мікробіологічні об'єкти в медицині, біології та ветеринарії вказано на можливість і ефективність застосування саме лазерних установок ділення ранніх ембріонів. Показано, що існуючі методи і технічні засоби для ділення ембріонів мають ряд недоліків, а саме: використання висококваліфікованих фахівців і дорогого устаткування при мікрохірургічному методі ділення, необґрунтованість застосування конкретних лазерів, а також низький відсоток виходу життєздатних частин ембріонів. Сформульовані основні задачі дослідження з метою підвищення ефективності існуючих методів ділення.
Другий розділ присвячений аналізу особливостей, специфіки та прийнятим допущенням, що властиві ембріону, на який впливає локальне рухоме лазерне джерело енергії. Зроблено висновок про те, що ми маємо справу з нестаціонарною, нелінійною, неоднорідною, багатовимірною теплофізичною системою, що містить дискретне, рухоме джерело лазерної дії на біологічний об'єкт. Крім того, енергія лазерного випромінювання, що потрапляє на ембріон, в основному витрачається на: випаровування рідини та термодеформації в точках траєкторії руху лазерного джерела, розповсюдження тепла за рахунок теплопровідності в найближчі до місця безпосередньої дії випромінювання клітки ембріона.
На рис.1 схематично зображена фізична модель процесу лазерного ділення ембріона. Ембріон з теплофізичної точки зору є мікробіологічним об'єктом з різними коефіцієнтами теплопровідності: для бластомерів; для перівителірованого простору; для оболонки; для живильного середовища, тобто має місце регіональна за коефіцієнтом теплопровідності різнорідність. Для проведення чисельних розрахунків зроблено перехід до однорідного середовища з . В цьому випадку можливий наближений розрахунок температурного поля з “перевищенням”, що при контролі неперевищення температурним полем у характерних точках ембріона є виправданим.
Рис. 1. Ембріон у канюлі з живильним середовищем, на який діє джерело лазерного випромінювання.
У якості математичної моделі теплових процесів лазерного ділення ембріону, на основі особливостей досліджуваного об'єкту, обрано задачу нестаціонарної теплопровідності для неоднорідної за теплопровідністю зони ембріона, що зводиться до інтегрування параболічного рівняння другого порядку:
, (1)
де сi–питома теплоємкість відповідного середовища;
i – щільність відповідного середовища;
– оператор Лапласа;
Т – температура;
t – час;
x, y, z – просторові координати;
P – функція, що характеризує розподіл енергії лазерного випромінювання, має вигляд:
, (2)
де L – зона дії лазерного випромінювання;
– тривалість впливу імпульсного джерела.
Коефіцієнт теплопровідності для неоднорідної зони має вигляд:
.
Розподіл температури в рівнянні (1) повинен задовольняти:–
початковій умові при t=0:
; (3)–
граничній умові на зовнішній поверхні Г0 ? канюлі (умова теплообміну з навколишнім середовищем):
, (4)
де – напрямок нормалі до Г0I ;
– коэфіціент теплообміну;–
граничній умові на поверхнях розділу середовищ (рівності теплових потоків і температур).
Подальший розвиток і уточнення математичних моделей теплових процесів у ембріонах з урахуванням різних стадій їх розвитку, дозволив запропонувати дві технології ділення ембріонів: для кількості бластомерів 2–16 – технологія ділення лазерною плямою; для кількості бластомерів 18–64 – технологія ділення лазерним відрізком.
Постановка нестаціонарної задачі (1–4), що описує динаміку температурного поля при дії на ембріон дискретного джерела лазерного випромінювання у вигляді плями, має наступний вигляд. Нестаціонарне температурне поле однорідного за теплопроводністю тіла в вигляді кулі радіусу , що містить у центрі (найбільш “навантажений температурний режим”) дискретне лазерне джерело з радіусом , описується в сферичній системі координат параболічним рівнянням другого порядку з відповідними початковими та гранічними умовами.
Задача (1–4), що описує динаміку температурного поля при дії на ембріон дискретного джерела лазерного випромінювання у вигляді відрізка описується параболічним рівнянням другого порядку в декартових координатах з відповідними початковими та гранічними умовами.
На рис. 2 показаний аналітичний графік залежності температури в ембріоні, що ділеться, від часу дії лазерного випромінювання. З нього видно зростання температури в межах лазерного імпульсу тривалістю та її повільний спад за межами випромінювання.
Рис. 2. Динаміка теплових процесів у ембріоні, який ділеться.
На основі уточнених математичних моделей лазерно–теплової дії на ембріон та аналізу динаміки теплових процесів у ембріоні, який ділеться, можливо обґрунтовано перейти до формулювання функціонала якості технологічного процесу та обмежень на робочі параметри технічних засобів, що забезпечують відповідний технологічний процес.
Третій розділ присвячений формулюванню функціонала якості та обмежень на процеси, що протікають в ембріоні при його діленні, що дозволило врахувати основні параметри технологічного процесу лазерного ділення ембріона та запропонувати критерій оптимальності технологічного процесу.
Запропонований функціонал якості протікання технологічного процесу лазерного ділення ембріона має наступний вигляд:
, (5)
де – температурне поле (результат рішення відповідної краєвої задачі);
– функція, що описує рухоме лазерне джерело;
– допустиме значення температурного поля;
;
– внутрішні точки ембріона;
– зовнішня межа ембріона;
– просторові змінні;
t – час;
t0 – час початку процесу;
t* – час закінчення процесу;
– відхилення максимального значення температурного поля від заданого допустимого значення поля.
Критерієм оптимальності технологічного процесу лазерного ділення ембріона на основі співвідношення (5) є:
(6)
Відзначимо, що окремим випадком функціонала (5) якості технологічного процесу лазерного ділення ембріона може бути критерій не перевищення температурним полем в заданій контрольованій точці наперед заданого допустимого значення. В цьому випадку функціонал (5) приймає вигляд:
, (7)
де – точка контролю температурного поля.
Критерієм оптимальності у випадку (7) буде:
(8)
До обмежень на параметри системи належать наступні обмеження на: потужність джерела, геометричні параметри лазерного джерела, траєкторію руху лазерного джерела, швидкість руху джерела, температурне поле в ембріоні. Формалізована система обмежень на параметри технологічного процесу лазерного ділення ембріона, що дало можливість обґрунтувати значення робочих параметрів біотехнічної системи.
Для усереднених значень теплопровідності ембріону 0,25, питомої теплоємкості ембріону с1,55, радіусу променя r04мкм, радіусу ембріона R150мкм, контролю температурного поля в точці r1*= r0+0,1 r0* (де r0*– усереднений радіус бластомера), числа бластомерів m=16 проведені чисельні розрахунки за визначенням потужності джерела з урахуванням допустимої температури Т1*=49±0,30С. Відповідне значення потужності лазера дорівнює 2 Вт.
Розрахунки розсіяння теплоти для P=2 Вт засновані на припущенні, що теплопровідність ембріона близька до теплопровідності води. Оскільки, ембріон складається на 80% з води, таке припущення є цілком прийнятним. Насправді, воно робиться із запасом, оскільки наявність у складі ембріона білків зменшує теплопровідність, отже, результуючий розподіл температури буде менше розрахованих. На рис. 3 показано як змінюється температура в залежності від відстані до вісі променя лазерного випромінювання, що ділить ембріон. Видно, що зона перевищення допустимої температури 490С (зона пошкодження) складає 10 мкм. Це є допустимим значенням для повноцінного розвитку частин ембріона, що залишилися.
Рис. 3. Розподіл температури в контрольованих точках ембріона, що ділеться.
Для обґрунтовування можливих зон застосування певного лазера в медицині, біології та ветеринарії крім теоретичних і експериментальних досліджень важливою передумовою є, по можливості більш широке знання спектральних характеристик поглинання різних біооб'єктів. На рис. 4 наведені спектри поглинання оболонки, перівителірованого простору, бластомерів, що входять до складу ембріона.
Рис. 4. Спектри поглинання оболонки, перивітелірованого простору, бластомерів, що входять до складу ембріона.
Як слідує з розрахунків потужності лазера, розподілу температури в ембріоні при дії лазерного випромінювання та спектрів поглинання обґрунтованим є використання аргонового лазера безперервної дії з довжиною хвилі випромінювання 515 нм або 488 нм і регульованою потужністю в діапазоні 0–2 Вт з акустико–оптичним модулятором, що формує промінь лазера у вигляді імпульсів тривалістю 1 мс і менше; енергія імпульсів 0,002 Дж; расходимість 0,9 мрад.
Експериментальні результати та кількісна оцінка основних фізичних параметрів, що характеризують теплову взаємодію лазерного випромінювання з мікробіологічними об'єктами (ембріонами), дозволили визначити структуру біотехнічної системи лазерного ділення ембріонів у тваринництві. Основні блоки та зв’язки між ними показані на рис. 5.
На ступінь травмованності частин ембріона також впливає і точність фокусування лазерного випромінювання. Існуючі оптичні та стежачі системи не дозволяють повною мірою вирішити цю задачу. У зв'язку з цим в роботі запропонований спосіб і пристрій точного фокусування лазерної плями на ділимий ембріон на основі використання дифракційної решітки.
Поставлена мета досягається тим, що установку фокусної відстані
Рис. 5. Структурна схема біотехнічної системи лазерного ділення ембріонів у тваринництві.
необхідно проводити шляхом визначення максимальної температури на приймальному елементі, при проходженні через нього променя лазера, а візуальне поєднання ембріону з віссю променя лазера проводити в зоні максимальної температури.
В місце фокусування лазерного випромінювання за допомогою оптичної системи поміщають приймальний елемент, що складається з однієї або двох, взаємоперпендикулярних, рідких дифракційних решіток, натягнутих на діелектричний (наприклад, текстолитовий) каркас з отвором в середині діелектрика для проходження променя лазера. При цьому для усунення повних втрат випромінювання лазера, що складаються з втрат на віддзеркалення, поглинання в елементах решіток і дифракцію, а також для усунення залежності приладу від напрямку поляризації випромінювання, використовуються дві взаємоперпендикулярні рідкісні решітки, в яких період значно більше діаметра дроту. Приймальний елемент необхідно поміщати на дистанційно керований стіл, переміщаючи який у вертикальному напрямку в межах передбачуваного розташування перетяжки сфокусованого лазерного променя, знаходять по найбільшому відхиленню індикатора розбалансу моста найбільшу температуру дроту, а значить найбільшу густину потужності випромінювання лазера. Використання даного пристрою дозволяє визначити положення фокусної плями випромінювання з точністю до одиниць мікронів.
У четвертому розділі на етапі експериментальних досліджень системи лазерного ділення ембріонів за технологією ділення лазерною плямою необхідно управляти потужністю лазера, бо потужність, прикладена до центру ембріона повинна бути більше тієї, яку необхідно прикладати при діленні в інших точках ембріона. Здійснивши управління потужністю лазера при проходженні лазерної плями в процесі ділення ембріона значно (на 60–70%) підвищується вихід життєздатних половинок ембріона. Як приклад апаратного забезпечення завдання з реалізації підсистеми управління потужністю лазера, яка забезпечує потужність у межах 0,5–2 Вт, запропоновано використання мікроконтролера AVR ATmegal6(L) і відповідної асемблер – програми.
Запропонований метод побудови оптимальної траєкторії лазерного ділення ембріона та алгоритм його реалізації. У зв'язку з цим була вирішена наступна задача. При лазерному діленні ембріона на частини, які складені з бластомерів, використовування його двовимірного зображення можна вважати адекватним, оскільки в умовах, коли лазерний промінь направлений перпендикулярно до площини зображення, пошкодження або не пошкодження складових його бластомеров не залежить від їх віддаленості по нормалі. В цих умовах задачу лазерного ділення можна розглядати як задачу розбиття двовимірних зображень бластомерів, причому всі вони представлені на площини кругами рівного радіусу. При цьому загальне число бластомерів не перевищує 64. Помітимо, що сама технологія ділення ембріона лазерним променем дозволяє розглядати послідовність не обов'язково зв'язних ламаних, як послідовність траєкторій лазерного ділення, що в певному значенні визначає ітераційну декомпозицію задачі ділення ембріона, причому для різних комбінацій введених критеріїв і обмежень.
Для вирішення задачі оптимізації траєкторії лазерного променя в роботі були побудовані геометрична та графо–топологічна моделі траєкторій.
Запропонована модель і метод рішення задачі оптимізації траєкторії руху лазерного променя при лазерному ділення ембріона допускають ефективну обчислювальну реалізацію, не вимагаючи значних витрат пам'яті та трудомісткості, що дозволяє використовувати їх для вирішення відповідних практичних задач в реальному масштабі часу, тобто безпосередньо при отриманні зображення ембріона. Це істотно важливо для процесу лазерного ділення, оскільки за час побудови оптимальної траєкторії ембріон не встигає значуще змінити своє положення.
Аналіз алгоритмічної реалізації методу побудови оптимальної траєкторії ділення ембріона та існуючих технічних засобів дозволяє зробити висновок про те, що необхідно здійснити управління рухом лазерного променя на основі числового програмного управління. При цьому до складу технічних засобів, що забезпечують цей підхід, включено дві відхилюючи системи (в площині), алгоритм побудови оптимальної траєкторії, алгоритм завдання приростів для відхилюючих систем та їх програмні реалізації.
Вдосконалено існуючий метод мікрохірургічного ділення ембріона, шляхом використання методу лазерного ділення ранніх ембріонів. Це дає можливість автоматизувати процес ділення, виключити “людський чинник” на етапі ділення, підвищити якість процесу ділення та тим самим збільшити число життєздатних частин ембріона.
Експериментальні дослідження для 20 ембріонів показали, що процес ділення ембріонів доцільно проводити на стадіях розвитку пізня морула або рання бластоциста (рис. 6) і підтверджують, що використання системи дає можливість збільшити вихід життєздатних половинок ембріонів на 15–20% порівняно до методу мікрохірургічного ділення, який на сьогодні застосовується в тваринництві (рис. 7).
Рис. 6.
Рис. 7.
ВИСНОВКИ
1. Сформульовані основні задачі дослідження, що дозволило обґрунтувати необхідність вдосконалення технології ділення ранніх ембріонів у тваринництві на базі лазерної системи.
2. Отримали подальший розвиток і уточнення математичні моделі теплових процесів в ембріонах для різних стадій їх розвитку і пов'язаних з цим технологій ділення на базі лазерної системи, що дозволило запропонувати дві технології ділення: для кількості бластомерів 2–16 – технологія ділення лазерною плямою; для кількості бластомерів 18–64 – технологія ділення лазерним відрізком.
3. На основі уточнених математичних моделей лазерно–теплової дії на ембріон проаналізована динаміка теплових процесів в ембріоні, який ділеться, що дозволяє обґрунтовано перейти до формулювання функціонала якості технологічного процесу та обмежень на робочі параметри технічних засобів, що забезпечують відповідну ділянку технологічного процесу ділення ембріона.
4. Сформульований функціонал якості технологічного процесу лазерного ділення ембріонів на основі критерію не перевищення температурним полем у ембріоні наперед заданого допустимого значення температури, що дозволило врахувати основні параметри технологічного процесу та запропонувати критерій оптимальності технологічного процесу.
5. Вперше, запропонований метод побудови оптимальної траєкторії лазерного ділення ембріона та алгоритм реалізації на ПЕВМ цього методу. Застосування такого підходу дозволяє шляхом аналізу структури розташування бластомерів вказати найраціональнішу траєкторію пересування лазерного променя (плями), що забезпечує збільшення числа якісних (життєздатних) частин ембріона.
6. Отримала подальший розвиток методика обґрунтування робочих параметрів технічних засобів для лазерного ділення ембріона, що дозволило визначити потужність та геометричні параметри сфокусованої лазерної плями, що забезпечує підвищення якості технологічного процесу ділення ембріона.
7. Запропонована апаратурна реалізація методу лазерного ділення ранніх ембріонів у тваринництві на основі використання лазера на аргоні, що працює у видимій зоні спектру. Обґрунтовано використання лазеру безперервної дії, з довжиною хвилі випромінювання 515 нм або 488 нм і регульованою потужністю в діапазоні 0–2 Вт з акустико–оптичним модулятором, який формує промінь лазера у вигляді імпульсів тривалістю 1 мс і менше, з енергією 0,002 Дж і расходимістю 0,9мрад.
8. Розроблена підсистема управління потужністю лазера в межах 0,5–2 Вт на основі використання мікроконтролера AVR ATmegal6(L) і асемблер – програми для нього, що дозволяє знизити кількість травмованих бластомерів у ембріоні, який ділеться.
9. Розроблені методи та їх апаратні реалізації у вигляді пристроїв, які дозволяють: проводити фокусування лазерного випромінювання на ембріон, оптимізувати траєкторію руху лазерного променя по ембріону при його різанні, що забезпечує підвищення точності ділення ембріона на 10-15%.
10. Експериментальні дослідження лазерної системи ділення ранніх ембріонів показали, що процес ділення ембріонів доцільно проводити на стадіях розвитку: пізня морула або рання бластоциста. Крім того, вихід життєздатних частин ембріонів при методиці лазерного ділення ембріонів збільшився на 15–20% у порівнянні з методом мікрохірургічного ділення, що використовується в тваринництві.
11. Впровадження в біотехнологічні центри трансплантації ембріонів запропонованих інновацій дасть можливість підвищити точність ділення на 15–20%; скоротити час ділення від 5 до 10 разів; зменшити чисельність персоналу та витрати лабораторії мікроманіпуляцій з ембріонами на 30–45%; скоротити в 10–30 разів загальний час забезпечення тваринницьких центрів трансплантації достатньою кількістю ембріонів, необхідних як для підвищення поголів'я стада великої рогатої худоби, так і з різною дослідницькою метою.
ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Левкін А.В. Аналіз біо– та електротехнологій ділення ранніх ембріонів великої рогатої худоби // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. – Т.1. ––Вип. 37, – Харків: ХНТУСГ ім. Петра Василенка, 2005. – С. 271–277.
2. Левкин А.В. Модель и метод решения задачи оптимизации лазерного деления эмбриона // Системи обробки інформації. – Вип. 5 (45), – Харків: Харківський університет повітряних сил, 2005. – С. 85 – 92.
3. Левкин А.В. Методика обоснования параметров процесса лазерного деления эмбриона крупного рогатого скота // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. – Вип. 32, – Мелітополь: ТДАТА, 2005. – С. 117 – 123.
4. Путятін В.П., Левкін А.В. Задача оптимізації параметрів процесу лазерного розподілу ембріонів в тваринництві // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. – Київ: НАУ. – 2005. – № 3. – С. 76 – 81.
5. Пат. 20967А Україна, МПК 6 А 01 К 67/02, А 61 D 19/04. Спосіб одержання химер сільськогосподарських тварин: Пат. 20967А Україна, МПК 6 А 01 К 67/02, А 61 D 19/04 / М.В. Зубец, В.П. Буркат, Ю.Є. Мегель, В.П. Путятін, А.В. Левкін (Україна); № 93007654. Заявлено 26.07.93. Опубл. 07.10.97. Бюл. № 1. – 6 с.
6. Пат. 99042015 Україна, МПК 6 А 61 D 1/00. Спосіб одержання монозиготних тварин: Пат. 99042015 Україна, МПК 6 А 61 D 1/00 / М.В. Зубец, Ю.Є. Мегель, В.П. Путятін, А.В. Левкін (Україна); № 99042015.Заявлено 09.04.99. Позит. ріш. від 14.12.99. – 6 с.
7. Левкін А.В. Біотехнологічні методи підвищення ефективності тваринництва в період реструктуризації // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. – Вип. 10, – Харків, 2002. – С. 240 – 242.
8. Левкін А.В., Чалий І.В. Шляхи підвищення репродуктивної здатності тварин // Науковий вісник Національного аграрного університету. – Вип. 22, – К.: НАУ, 2000. – С. 169 – 171.
9. Левкин А.В. Аспекты применения лазеров в ветеринарии // Фотобіологія та фотомедицина. – Харків, 2001. – № 1, 2. – С. 119.
10. Путятин В.П., Левкин А.В., Левкина Р.В. Компьютерная биометрия в животноводстве // Материалы Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации (18 – 21 сентября, 1995 г., г. Туапсе). – Харьков: ХГТУРЭ, 1995. – С. 213.
11. Путятин В.П., Левкин А.В., Чалый И.В. Оптический контроль в животноводстве // Материалы Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации. – Туапсе: ХГТУРЭ, 1996. – С. 47.
12. Левкин А.В. Система лазерного деления ранних эмбрионов в животноводстве // Материалы ХХ юбилейной Международной научно – практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии. – Ялта, 2003. – С. 136 – 137.
13. Левкин А.В. Физиологическое действие лазера // Материалы ХХII Международной научно – практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии. – Ялта, 2004. – С. 156 – 157.
14. Левкин А.В. Подсистема управления мощностью лазера в процессе деления ранних эмбрионов крупного рогатого скота // Материалы ХХV Международной научно – практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии. – Луцк, 2006. – С. 135 – 136.
15. Левкин А.В. Оптимизация траектории движения лазерного пятна в процессе деления эмбрионов животных // Материалы ХХIV Междунар. научно – практической конференции “Применение лазеров в медицине и биологии (5–8 октября 2005 г.). – Ялта, 2005. – С. 153–154.
16. Левкин А.В., Мегель Ю.Е. Моделирование процессов взаимодействия лазерного излучения с микробиологическими объектами // Материалы III Международной научно – технической конференции “Методы представления и обработки случайных сигналов и полей. – Харьков: ХГТУРЭ, 1993. – С. 21 – 22.
17. Бабич С.В., Левкин А.В., Путятин В.П. Проектирование оптико – электронных систем для сельского хозяйства // Проектирование автоматизированных систем контроля и управления сложными объектами: Программа и аннотация докладов Международной школы (14 – 19 сентября 1992 г., г. Туапсе). – Харьков: ХГТУРЭ, 1992. – С. 25.
АНОТАЦІЯ
Левкін А.В. Біотехнічна система лазерного ділення ембріонів у тваринництві – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.11.17 – біологічні та медичні прилади та системи – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.
Дисертація присвячена питанням розробки автоматизованої системи ділення ембріонів у тваринництві. Обґрунтовано актуальність роботи.
Удосконалюється існуюча мікрохірургічна технологія ділення ранніх ембріонів у тваринництві за допомогою заміни етапу безпосереднього ділення ембріона – біотехнічною системою на базі використання лазерного випромінювання. Обґрунтовано вибір типу лазера, запропонована підсистема управління потужністю лазера на основі використовування мікроконтролера AVR ATmegal6(L) і асемблер – програми. Обґрунтовані методи та їх реалізації для фокусування лазерного випромінювання на ембріон і оптимізації траєкторії руху лазерного променя по ембріону при його різанні.
Експериментальні дослідження біотехнічної лазерної системи показали, що вихід життєздатних половинок ембріонів збільшився на 15–20%., скорочується час ділення від 5 до 10 разів, зменшується чисельність персоналу та витрати лабораторії мікроманіпуляцій з ембріонами на 30–45%.
Ключові слова: лазерне випромінювання, біооб'єкт, ембріон, біотехнічна система, біотехнологія, трансплантація, запліднення, племінне тваринництво.
АННОТАЦИЯ
Левкин А.В. Биотехническая система лазерного деления эмбрионов в животноводстве – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 – биологические и медицинские приборы и системы – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.
Диссертация посвящена вопросам разработки автоматизированной системы деления эмбрионов животных. Обоснована актуальность работы.
На основе специфики математических моделей лазерно – теплового воздействия на эмбрион, проанализирована динамика тепловых процессов в разделяемом эмбрионе. Сформулирован функционал качества технологического процесса лазерного деления эмбрионов на основе критерия не превышения температурным полем в эмбрионе наперед заданного допустимого значения температуры и ограничения на рабочие параметры биотехнической системы.
Обосновано применение лазера непрерывного действия с длиной волны излучения 515нм или 488нм и регулируемой мощностью в диапазоне 0–2Вт с акустико–оптическим модулятором, пропускающим луч лазера в виде импульсов длительностью 1мс и меньше; энергия импульсов 0,02–0,1 Дж; расходимость 0,9 мрад; питание – сеть 220 В.
В используемом в биотехнической системе аргоновом лазере заложена функция управления мощностью в пределах 0–2Вт за счет управляющего напряжения от 0 до 5В. Однако ручная регулировка мощности излучения не позволяет без ущерба жизнеспособности делимого эмбриона точно регулировать мощность по заданному закону. В связи с этим необходимо использовать систему автоматического регулирования мощности излучения лазера посредством изменения управляющего лазером напряжения в пределах от 0,5 до 2 Вт на основе использования микроконтроллера AVR ATmegal6(L) и ассемблер – программы для него, что позволяет понизить число травмируемых бластомеров в делимом эмбрионе.
Обоснован метод и его реализация в виде устройства, позволяющие обеспечить повышение точности фокусировки лазерного излучения на эмбрион. Предложен метод и его реализация для оптимизации траектории движения лазерного луча по эмбриону при его резке.
Внедрение в биотехнологические центры трансплантации эмбрионов предложенных инноваций даст возможность повысить точность деления на 15–20%; сократить время деления от 5 до 10 раз; сократить персонал и затраты лаборатории микроманипуляций с эмбрионами на 30–45%.
Ключевые слова: лазерное излучение, биообъект, эмбрион, биотехническая система, биотехнология, трансплантация, оплодотворение, племенное животноводство.
Abstract
Levkin A.V. Biotechnical system of laser embryos division in livestock breeding – The Manuscript.
Thesis for a Candidate Degree in Technical Sciences, speciality 05.11.17 – Biological and Medical Devices and Systems. – Kharkiv National University of Radioelectronics. – Kharkiv, 2007.
The dissertation is devoted by a question of automatic system of division of embryos of animals. The urgency of work is proved.
The paper presents improved microsurgical technology of division of embryos at an early stage of their development in livestock breeding. It elaborates the replacement of natural embryo division period by biotechnical system with applying laser radiation. The laser type is determined; the subsystem of laser power control on the basis of application of microcontroller AVRAT mega 16 (L) and assembler program is propounded. Methods and techniques for focusing laser radiation upon embryos and optimal trajectory of laser beam movement along embryo while it is cutting are developed.
Experimental research of biotechnical laser system resulted in increasing the output of embryos halves by 15–20 %, reducing embryo division period by 5–10 times, decreasing the number of personnel and costs of laboratory micromanipulations with embryos by 30–45%.
Key words: laser radiation, biological object, embryo, biotechnical system, biotechnology, transplantation, conception, pedigree livestock breeding.
Відповідальний за випуск
Підписано до друку ___________________. Формат 60x80 Умов. друк. арк... 1,2. Облік. вид. арк... 1,0. Тираж 100. Зам. №______
Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.
Надруковано в навчально – науковому видавничо – поліграфічному центрі ХНУРЕ.
Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14
