Système basé sur NI FieldPoint pour la surveillance de l'activité d'alimentation des animaux de laboratoire

Author(s):
Edward Ulman - Research Diets, Inc.
Matthew R.. Williams - Research Diets, Inc.

Industry:
Research, Life Science

Products:
LabVIEW, FieldPoint Real-Time Controllers

The Challenge:
Surveiller et enregistrer l'activité d'alimentation d'animaux de laboratoire, dont la consommation totale, la durée et la structure des repas et les effets des différents protocoles de traitement sur le comportement alimentaire.

The Solution:
Bâtir un système d'acquisition de données et d'analyse multivoie basé sur le matériel FieldPoint de National Instruments avec une interface utilisateur sur PC. Le contrôleur NI FieldPoint opère en tant que matériel autonome, en enregistrant l'activité d'alimentation selon un algorithme configurable par l'utilisateur. Le PC offre en outre l'analyse de données, la génération de rapports et le stockage à long terme.

L'activité d'alimentation des animaux de laboratoire, typiquement des souris et des rats, peut être significativement influencée par les protocoles de traitement. Être capable de quantifier ces influences est critique pour la compréhension des effets des différents médicaments sous investigation. Le système offre aux chercheurs des données qui décrivent exactement quand et combien chaque animal mange, jusqu'au niveau du "grignotage" individuel.

Les souris de laboratoire adultes ingèrent typiquement trois à six grammes de nourriture par jour ; cependant, très peu d'informations sont connues à propos de l'importance du repas, de sa fréquence, de sa durée ou de son rythme. Tandis qu'il est facile d'observer des modifications massives de l'activité d'alimentation sur une base quotidienne, de nombreux protocoles de traitement ont un impact significatif sur le comportement alimentaire, sans affecter la consommation totale sur des périodes étendues. La compréhension de ces modifications des caractéristiques alimentaires est essentielle pour la compréhension des effets des médicaments, des nutriments et d'autres protocoles de traitement.

Le système permet au chercheur d'observer les comportements alimentaire des animaux avec bien plus de détails qu'auparavant. Les méthodes traditionnelles impliquaient une pesée manuelle périodique de la nourriture, ce qui perturbait les animaux et ce qui était sujet à erreurs, ou l'observation humaine directe de l'activité d'alimentation. Aucune de ces méthodes n'est facile à automatiser ou à étendre à plusieurs animaux.

Le système FieldPoint permet l'observation simultanée de 32 animaux avec un seul élément matériel. De plus, FieldPoint étant un système autonome, plusieurs modules FieldPoint peuvent être surveillées par un seul PC, ce qui offre une solution d'automatisation aisément extensible pour une activité qui utilisait auparavant beaucoup de main d'œuvre.

Architecture du système

Le système intègre trois composants logiques :

• le nœud FieldPoint
• l'application de surveillance
• l'application d'analyse.

Le nœud FieldPoint rassemble les données provenant des capteurs primaires et les enregistre dans sa mémoire. L'application de surveillance récupère les données provenant du nœud FieldPoint, effectue quelques traitements de données préliminaires et ensuite, stocke les résultats sur un disque local ou sur un disque réseau. L'application d'analyse, qui peut fonctionner sur le PC de l'application de surveillance ou sur un PC différent, récupère les données sur le disque, effectue une analyse comme indiqué de manière interactive par l'utilisateur, puis présente visuellement les données ou génère différents fichiers de sortie.

Le système FieldPoint et le Module LabVIEW Real-Time de National Instruments sont les composants majeurs

En implémentant l'algorithme de mesure primaire dans le contrôleur FieldPoint, nous avons pu rassembler toutes les données brutes dans le nœud FieldPoint. Le PC peut rester connecté, mais ce n'est pas nécessaire. Ceci permet de créer une solution fiable, puisque les indisponibilités du réseau ou du PC n'ont pas d'impact sur la collecte réelle des données.

Des jauges de contrainte sont utilisées pour mesurer la quantité de nourriture consommée ainsi que pour indiquer le niveau d'activité de l'animal. L'algorithme a nécessité un effort de développement conséquent, le résultat étant que le système peut mesurer précisément l'activité d'alimentation pour une quantité aussi faible qu'environ 0,02 gramme, même en présence de modifications de température. La précision, la résolution et les capacités de la plate-forme FieldPoint ont été essentielles au développement du système.

La souplesse de NI LabVIEW accélère le processus de développement

Notre mesure primaire, la jauge de contrainte, produit une grande quantité de bruit relatif à la faiblesse du signal souhaité. En créant notre application d'une manière modulaire, nous avons pu générer et évaluer rapidement différents algorithmes de mesure pour extraire les signaux souhaités. De plus, comme les algorithmes peuvent être développés directement sur le PC avant d'être ciblés sur le système FieldPoint, le développement peut s'effectuer très rapidement à partir d'un grand nombre d'algorithmes candidats. L'algorithme et les différents aspects du système sont couverts par des brevets déposés et en cours de dépôt.

Résultats de l'architecture modulaire en termes de souplesse et de fiabilité

L'application a été conçue de manière modulaire. LabVIEW a effectivement facilité la segmentation de l'application en modules gérables et la réalisation des tests unitaires. Le flux de données, la capacité à utiliser des données sur place et la fragmentation des données nous permet de prototyper de nouvelles fonctionnalités rapidement et de manière fiable. Lors de notre processus de développement de versions alpha, il a été possible de les distribuer à des utilisateurs finaux du monde entier le lendemain.

Cette modularité nous a également permis d'extraire des parties de l'application pour une utilisation dans d'autres outils, tels que des outils de résolution d'AQ et d'évaluation de systèmes. L'utilisation d'une bibliothèque partagée permet que les résultats rapportés par les différents outils reflètent avec précision ce que l'application primaire présente. Ceci facilite également le développement de produits dérivés, tels que les unités à petit nombre de voies pour une utilisation à l'échelle de la démonstration. Nous avons extrait les appels d'E/S FieldPoint, nous les avons remplacés par des équivalents USB-6009, connectés à un PC et nous avons obtenu un système portable dans un but de démonstration.

Représentation graphique des données

Le système permet de générer des enregistrements de milliers de séquences par jour. La présentation des données d'une manière gérable est essentielle pour la compréhension des chercheurs. Les outils de présentation dans LabVIEW sont essentiels pour la réalisation d'une interface utilisateur conviviale pour les chercheurs.

Nous avons créé un outil de visualisation de données qui permet aux chercheurs de comparer, organiser, analyser et extraire les données très rapidement. En présentant initialement les données graphiquement, l'utilisateur peut identifier rapidement quels animaux et quels moments sont intéressants. Le groupement de fonctions permet à l'utilisateur d'observer des moyennes ou des animaux individuels en un clic de souris (informatique). Les calculs les plus courants sont intégrés dans l'outil de visualisation et les données brutes sont également disponibles pour un traitement externe.

Chaque courbe représente l'activité d'alimentation d'un groupe d'animaux. Les effets d'un protocole de traitement sur le groupe A, le tracé rouge, sont facilement apparents, comparés aux deux autres groupes. L'ensemble des données détaillées qui a généré les totaux du groupe peut également être affiché.

Les motifs d'alimentation servant de ligne de base ont été établis pour différentes espèces d'animaux de laboratoire.  Alors que le taux de consommation globale pour les souris était bien connu, nous pouvons désormais montrer que dans ce total, les animaux prendront 10 à 20 repas d'environ 0,3 à 0,6 gramme chacun. Les repas individuels sont en outre divisés en 30 à 60 séquences d'alimentation d'environ 0,01 gramme. De surcroît, nous pouvons montrer assez clairement la relation entre les influences externes et l'activité d'alimentation ; par exemple, les rats prennent typiquement trois repas distincts pendant la nuit, les souris grignotant davantage.

Le système fournit au chercheur des données qui étaient tout simplement indisponibles auparavant. Le niveau de détail concernant l'alimentation de l'animal, combiné à la facilité de formatage et de présentation des données, permet au chercheur d'estimer rapidement et précisément les effets des protocoles de traitement.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Edward Ulman
Research Diets, Inc.
10 Jules Lane
NJ 08901
CA
Tel: (732) 247-2390
Fax: (732) 247-2340
ulman@researchdiets.com

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