Sistema Automatizado de Coleta de Dados para Experimentos

IV Workshop de Informática aplicada à Saúde – CBComp 2004
Teses e Dissertações
Sistema Automatizado de Coleta de Dados para
Experimentos Biológicos Baseados em
Labirintos com Animais do Tipo “Ratos
Brancos”
A. R. Cantieri, MSc, Unicenp, e N. Fortes, Unicenp
Abstract - The system presented in this project has the purpose to
automatize collection of data in biological experiments with small
animals, mainly of the type analysis of behavior with white rats
or mice. This automatization will be made by means of the
acquisition and picture processing of the movements of the
animals in a labyrinth, returning the interest data inside of a
daily pay-definitive set, and by the use of a microcontrolled
system that will carry through the automation of the control of
variables of an environment and possible stimulatons applied to
the animals. The system has as main characteristic the
application flexibility, therefore small alterations in the
configurations and the code of software make possible its use in
diverse types of similar experiments.
Index Terms – Word-key - biological Experiments with
labyrinths, experiments, analysis of behavior, collect automatic
of biological data.
Resumo - O sistema apresentado nesse projeto tem a finalidade
de automatizar coleta de dados em experimentos biológicos com
pequenos animais, principalmente do tipo análise de
comportamento com ratos brancos ou camundongos . Essa
automatização será feita por meio da aquisição e processamento
de imagens dos movimentos dos animais em um labirinto,
retornando os dados de interesse dentro de um conjunto prédeterminado, e do uso de um sistema microcontrolado que
realizará a automação do controle de variáveis de um ambientes
e de possíveis estímulos aplicados aos animais. O sistema tem
como principal característica a flexibilidade de aplicação, pois
pequenas alterações nas configurações e no código do software
possibilitam sua utilização em diversos tipos de experimentos
similares.
Palavras-chave – Experimentos com labirintos, experimentos
biológicos, análise de comportamento, coleta automática de
dados biológicos.
I. INTRODUÇÃO
A
análise de comportamento de animais é uma técnica já
antiga de estudo aplicada a vários ramos da ciência
humana. Sua utilização permite aos estudiosos a busca
de respostas para muitas questões relacionadas as mais
diversas áreas do conhecimento [1]. Dentre estas, uma das que
mais influenciam o dia a dia do homem é o desenvolvimento
de medicamentos, cujos testes preliminares devem ser feitos
com a utilização de animais, devido ao risco envolvido. Este
tipo de análise necessita de um número grande de testes em
vários grupos de animais, pois a confirmação da ação dos
fármacos é baseada em análise estatística do resultado obtido.
Em muitos casos, as análises são realizadas pelo
experimentador de forma manual, o que pode gerar
imprecisões devido aos métodos utilizados.
Com o surgimento dos computadores, estas atividades
tornaram-se mais simples, rápidas e confiáveis, principalmente
através da utilização de sistemas automáticos de coleta de
dados. A tecnologia necessária para o desenvolvimento de
sistemas desse tipo, com o grau de precisão exigida, está
atualmente disponível para uso a baixo custo, o que é um
grande incentivo para sua utilização. O fato de que sistemas
comerciais importados serem ainda uma alternativa inviável
pelo alto custo envolvido torna este desenvolvimento ainda
mais interessante, principalmente para aplicações em
ambientes acadêmicos. Dessa forma, este trabalho objetiva
descrever o desenvolvimento de um protótipo de sistema de
coleta de dados para experimentos biológicos do tipo maze ou
labirinto, de baixo custo, inicialmente projetado para
utilização em experimentos na área farmacêutica e de
psicologia, mas que pode também ser facilmente adaptado a
experimentos de outras áreas, devido a sua flexibilidade e de
construção.
II. LABIRINTOS OU MAZES
Experimentos com animais para estudos de comportamento ou
de ação de fármacos são bastante utilizados principalmente em
laboratórios de desenvolvimento e no meio acadêmico. A
utilização de labirintos especialmente projetados, baseados em
um conjunto de protocolos experimentais mundialmente
aceitos é uma técnica muito vantajosa pelo fato de que nestes
experimentos as variáveis de interesse são perfeitamente
controladas pelo experimentador. A função do labirinto é de
colocar o animal em uma situação tal que a reação natural do
mesmo diante desta seja evidenciada, e da mesma forma, que
qualquer influência que altere tal reação também possa ser
facilmente percebida e medida. Para isso, geralmente utilizase de um sistema de observação, onde o animal colocado no
ambiente do labirinto tem suas ações medidas e
contabilizadas, como deslocamento, número de paradas,
tempo de parada, etc e onde algumas vezes é utilizado um
estímulo externo, como por exemplo um choque ou a
liberação de alimento.
Alguns exemplos de labirintos bastante utilizados nos estudos
são o labirinto aquático, labirinto em cruz elevada, esquiva
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IV Workshop de Informática aplicada à Saúde – CBComp 2004
passiva e campo aberto [2] [3]. Em todos estes, uma medida
precisa dos parâmetros de estudo é essencial para o bom
desenvolvimento do experimento, o que geralmente é difícil
de obter-se através de processos manuais.
III. DESCRIÇÃO DO SISTEMA
O projeto descrito consiste em um sistema automatizado de
coleta de dados para experimentos em labirintos com animais
do tipo rattus norvegicus, ou “ratos brancos”. É composto de
duas partes fundamentais, um sistema de coleta e
processamento de imagens para verificação de grandezas
como deslocamento, velocidade, trajetória, etc, e a outra, de
interface de sensores e atuadores programáveis para
desenvolvimento de experimentos com interações mais
complexas.
O sistema de captura e processamento de imagens é composto
de um computador do tipo PC com sistema operacional
Windows 2000, do software de coleta e processamento de
dados e uma câmera digital do tipo Web Cam [4]. A câmera
realiza a captura do vídeo com a movimentação do animal
pelo labirinto, guardando os quadros adquiridos em um vídeo
para processamento posterior. O vídeo é armazenado em
quadros de 320 x 240 pixels, coloridos, que são armazenados
na forma de quadros separados no formato bitmap 24 bits, o
que facilita o processamento. Estes quadros são guardados em
um arquivo nomeado com os dados do experimento em
andamento, e podem ser mantidos como dados de backup para
estudos posteriores.
As imagens são processadas por um programa feito na
linguagem C++, capaz de reconhecer a variação de cores entre
o rato e o labirinto, que devem ser razoavelmente distintas. O
sistema obtém os pontos em que o animal se encontra em cada
intervalo de tempo de aquisição. Para cada frame (quadro) do
filme capturado, os pixels são agrupados em quadrantes, cada
qual com 300 pixels, resultado da divisão da imagem de 320 x
240 pixels em 16 linhas por 16 colunas, conforme visto na
Figura 1.
Teses e Dissertações
limiar padrão adotado, o que indicará se ele é um pixel “claro”
ou “escuro”. O quadrante que possuir maior quantidade de
pixels escuros é marcado como local onde o rato se encontra,
sendo armazenada a coordenada matricial da posição deste
como resultado, além do tempo de aquisição do quadro. Esse
procedimento é repetido para todos os quadros capturados,
sendo que para cada um deste a nova coordenada é
armazenada.
O valor de 16 linhas por 16 colunas foi escolhido
empiricamente através da análise do espaço ocupado pelo rato
na imagem adquirida. Este valor pode ser alterado para que se
possa adequar o sistema ao labirinto a ser utilizado bem como
à distância de fixação da câmera. A quantidade de linhas e
colunas deve ser proporcional ao tamanho da imagem, no caso
320 x 240 pixels, para que não haja espaçamentos entre os
quadrantes, o que resultaria em perda de dados das imagens.
O sistema de interface de sensores e atuadores tem como
objetivo permitir a realização de interação com o animal,
como a aplicação de estímulos por exemplo. É composto de
um sistema microprocessado baseado no microcontrolador
8051, que se comunica com o PC através da interface serial
[5]. Este sistema controla um grupo de oito entradas
analógicas, oito entradas digitais e oito atuadores. As entradas
analógicas permitem o acoplamento de dispositivos sensores
com intervalo de entrada entre 0V e 5V CC, que são
disparados em um determinado valor programado pelo
operador. Quando isso acontece, o microcontrolador aciona a
saída de número correspondente ao sensor acionado, cujos
atuadores poderão acionar cargas de até 1A, 0-127V. Os
sensores digitais são acionados em nível TTL, e compartilham
os acionadores com os sensores analógicos por motivo de
economia de hardware. Assim, se um sensor analógico for
utilizado no experimento, o sensor digital de mesmo número
deverá preferencialmente não ser utilizado, apesar dos dois
poderem operar em conjunto. O microcontrolador realiza a
varredura constante de todos os sensores em loop. As entradas
analógicas são ativadas através da comparação do valor lido
no sensor presente na porta correspondente e um valor padrão
limite armazenado na memória do microcontrolador antes do
início do experimento. As entradas digitais são ativadas em
nível lógico alto, individualmente.
Este sistema de sensores e atuadores permite a utilização de
cargas de diversos tipos, de baixa velocidade de disparo, o que
permitirá acoplar controle automático a dispositivos diversos
de interesse, como lâmpadas, sirenes, dispositivos de choque
elétrico, o que aumenta a flexibilidade de aplicação do
sistema.
IV. UTILIZAÇÃO DO SISTEMA
Fig. 1. Divisão do labirinto para processamento das imagens
Para cada quadrante, o total de pixels é varrido e é realizada
uma análise que separa os pixels considerados “claros” e
“escuros” presentes neste, ou seja, pixels com valores abaixo
ou acima do limiar especificado para a diferenciação de cor
entre o rato e o labirinto. Isto é realizado tomando-se a média
dos seus valores RGB e comparando-se o valor obtido com o
O sistema é ativado e controlado através do software de
controle. Uma tela do mesmo é mostrado na Figura 2.
Inicialmente o usuário deve escolher, no computador, quais
serão os parâmetros dos sensores analógicos que estarão
habilitados. Em seguida, deve realizar a transferência dessa
configuração para o microcontrolador. Após isso o usuário
define se o labirinto é claro ou escuro em relação ao rato, o
que é feito através de um radio button. Posteriormente são
definidas as cores limiar do labirinto e a cor do rato, o que é
feito “clicando-se” inicialmente no botão adquirir imagem,
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IV Workshop de Informática aplicada à Saúde – CBComp 2004
para que uma imagem estática do labirinto com o rato seja
adquirida. Logo em seguida, “clica-se” em cima do rato e
posteriormente em cima do labirinto, o que define a cor de
cada um destes para o software. Os valores de cor do rato, do
labirinto e do limiar entre estes calculado automaticamente,
são mostrados. Em seguida deve ser definida a duração do
experimento e ativada a gravação das imagens, onde o usuário
tem a opção de determinar manualmente o término do
experimento. Durante a gravação, os quadros adquiridos são
armazenados em disco.
Teses e Dissertações
sistema a flexibilidade de aplicações à qual inicialmente tinhase como objetivo, uma vez que o mesmo serve como base de
processamento de imagens adaptável a diversas aplicações,
sendo o banco de dados a interface destes dados brutos com o
sistema de processamento necessário para cada experimento
em questão. Espera-se que tais aplicações sejam
desenvolvidas dentro dos ambientes de estudo que se
utilizarão desta ferramenta, garantindo assim que o mesmo se
adapte a cada necessidade de forma otimizada.
VI. TESTES DE APLICAÇÃO E RESULTADOS
Fig 2 Tela de utilização do software com parâmetros iniciais
Após o término do experimento, o sistema processa estes
valores, gerando a posição do animal em cada instante de
tempo e retorna como variáveis a posição do animal e o tempo
de aquisição, salvando esses dados em um banco de dados
para uma análise posterior. Através destes dados básicos, o
sistema pode gerar um arquivo que pode ser acessado por um
software auxiliar, desenvolvido conforme a necessidade de
cada experimento, de forma a processar e mostrar os
parâmetros do experimento em questão ao operador da forma
mais conveniente. Isto é interessante pelo fato de dar
flexibilidade de aplicação do sistema em diversos
experimentos, uma vez que para cada um destes o software de
visualização será construído de acordo com a particularidade
de cada caso. Para o experimento de validação deste projeto,
um software de visualização da posição do animal no labirinto
foi criado, demonstrando a aplicação desta funcionalidade.
O valor limiar para diferenciação do labirinto e do rato
também é configurável via software, de forma que diversos
tipos de experimentos podem ser realizados com uma certa
precisão, desde que estas cores sejam razoavelmente distintas.
V. INTEGRAÇÃO E EXPANSÃO
O sistema foi projetado para obter os valores dos pontos
relativos à posição do animal e o tempo em que foram obtidos
e colocá-los no banco de dados, conforme mostrado
anteriormente. Esses dados são armazenados como um vetor
tipo texto puro, tempo x posição, e estes são armazenados
com os dados identificadores do experimento, adicionados no
momento da realização deste. Dessa forma, qualquer
experimento que necessite realizar o processamento dos dados
obtidos pode ser implementado através de um outro software,
independentemente projetado para este fim. Isto garante ao
Para analisar todas as funções que esse sistema permite, foi
elaborado um labirinto do tipo tradicional, com corredores e
ambientes feitos em madeira. Nele foram instalados sensores
analógicos de luminosidade e digitais de passagem, com uma
lâmpada ligada ao primeiro sensor e uma sirene ligada ao
segundo, estas funcionando como exemplos de atuadores.
Para sua utilização prática, optou-se por realizar o
experimento com um animal tipo “hamster chinês”, marrom,
de tamanho equivalente à um camundongo, devido à
dificuldade de obtenção destes para os testes necessários.
Foram realizadas 10 aquisições, de 1 minuto cada, com o
animal em livre movimentação pelo labirinto. Para todas estas,
os sensores foram acionados corretamente dentro dos limites
esperados, não havendo nenhum falso acionamento ou perda
de disparo. Em todos os experimentos foram realizadas 50
comparações por amostragem entre a posição do animal na
imagem capturada e a posição adquirida pelo software, sendo
que de destas 2 posições foram tomadas incorretamente
segundo análise, tendo o software marcado a posição vizinha à
verdadeira segundo a imagem pesquisada. Da mesma forma,
foram verificadas as filmagens de três experimentos em
relação ao processamento, com objetivo de verificar
integralmente os pontos obtidos, com paradas e
movimentações e seus tempos, verificando-se nestes casos
uma coincidência entre os resultados do software e do
operador superior a 95%, o que foi considerado um resultado
satisfatório. A duração dos experimentos gerou um tempo de
processamento bastante longo, apesar da simplicidade do
processamento. Para cada minuto gravado são necessários em
média três minutos de processamento, tempo bastante elevado
para este tipo de aplicação, se levarmos em conta o número de
experimentos realizados em cada caso.
VII. CONCLUSÕES E POSSÍVEIS ESTUDOS FUTUROS
De acordo com os resultados obtidos nos testes, verifica-se
que o sistema desenvolvido atingiu os objetivos inicialmente
desejados, com relação a flexibilidade de aplicações, à
abrangência e a eficiência. Com relação à aplicabilidade,
existe uma dificuldade proveniente do tempo necessário ao
processamento de cada experimento, o que não inviabiliza
porém sua aplicação. Propõe-se que posteriormente o
algoritmo de processamento seja revisto, procurando-se obter
de preferência um sistema em tempo real. Os testes realizados
com relação ao processamento de imagens e verificação de
posição mostraram resultados satisfatórios, principalmente se
comparados com sistemas manuais onde a imprecisão é muito
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IV Workshop de Informática aplicada à Saúde – CBComp 2004
grande. Com relação ao sistema de sensores e atuadores, os
experimentos realizados demonstraram que os mesmos são
adequados para a maior parte das aplicações estudadas,
fornecendo algumas vezes mais recursos que muitos sistemas
similares no mercado, o que pode permitir a realização de
experimentos mais complexos sem grandes dificuldades
técnicas. Pela sua característica modular, percebe-se essas
novas aplicações podem ser desenvolvidas sem grandes
modificações de base, o que torna sua aplicação em áreas
diversas da biologia ou mesmo fora desta, como em
aplicações de robótica, também interessante. Uma possível
melhoria é a modificação do software de reconhecimento para
a identificação de mais de um animal, o que exigiria uma
modificação no algoritmo de processamento de imagens mas
também tornaria o sistema ainda mais flexível. Outra melhoria
interessante seria a implementação da interação em tempo real
com o microcontrolador, que apesar de não ser necessária
dentro dos experimentos utilizados como base para o
desenvolvimento, pode se apresentar como uma alternativa
para a realização de experimentos mais complexos onde a
interação com o objeto de pesquisa deve ser modificada
durante a execução do mesmo.
Teses e Dissertações
Alvaro Rogério Cantieri, nascido em
12 de agosto de 1972 em Umuarama,
no estado do Paraná, graduou-se em
Engenharia Elétrica com ênfase em
Eletrônica na Universidade Federal do
Paraná, em 1997. Obteve o título de
Mestre em Engenharia Elétrica, também
por esta universidade em 2002. Atuou
no magistério técnico secundário a
partir de 1992, iniciando no magistério
superior em 2001.
Natasha Fortes, nascida em 20 de
novembro de 1982, em Curitiba, no
estado do Paraná, graduou-se em
Engenharia da Computação no
Centro Universtário Positivo em
2003. Atualmente atua como
desenvolvedora no Instituto Curitiba
de Informática, na capital.
VIII. REFERÊNCIAS
[1] APASFA, “Associação Protetora de Animais de São Francisco de Assis”,
[on-line] WEBSITE APASFA, visitado em 24/08/2003, Disponível:
http://www.apasfa.org/futuro/ratos.doc
[2] TATIANA RODRIGUES NAHAS, “A Apredizagem da Esquiva”, [online] Departamento de Fisiologia, Instituto de Biociências, Universidade de
São Paulo, Disponível: http://www.ib.usp.br/~gfxavier/cap12.html.
[3] ANDRÉA MARIA GARRIDO DOS SANTOS, “Aprendizagem e
memória no labirinto aquático de Morris”, [on-line] WEBSITE, Departamento
de Fisiologia, Instituto de Biociências, Universidade de São Paulo, visitado
em 24/08/2003, Disponível: http://www.ib.usp.br/~gfxavier/cap8.html
[4] LABS, CREATIVE, “Web-Cameras”, [on-line] WEBSITE, Creative Labs,
2003, visitado em 24/08/2003, Disponível: http://www.ame ricas.creative.com
[5] NICOLOSI, DENYS E.C.. “Microcontrolador 8051 Detalhado”. Ed. Érica,
2000.
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