МОДЕЛЮВАННЯ КІБЕРФІЗИЧНОЇ ІМУНОСЕНСОРНОЇ СИСТЕМИ НА ПРЯМОКУТНІЙ РЕШІТЦІ З ВИКОРИСТАННЯМ РІЗНИЦЕВИХ РІВНЯНЬ ІЗ ЗАПІЗНЕННЯМ
MODELING OF THE CYBER-PHYSICAl IMMUNOSENSOR SYSTEM IN THE RECTANGULAR LATTICE BY USING DIFFERENCE EQUATIONS WITH DELAY
Сторінки: 41-48. Номер: №6, 2021 (303) 
Автори:
СВЕРСТЮК А. С
Тернопільський національний медичний університет імені І. Я. Горбачевського
ORCID ID: 0000-0001-8644-0776
e-mail: sverstyuk@tdmu.edu.ua
ЗАГОРОДНА Н. В.
Тернопільський національний технічний університет імені І. Пулюя
ORCID ID: 0000-0002-1808-835X
e-mail: zagorodna.n@gmail.com
МАРЦЕНЮК В. П.
Університет в Бельсько Бяла, Польща
ORCID ID: 0000-0001-5622-1038
e-mail: vmartsenyuk@ath.bielsko.pl
СТАДНИК М. А.
Тернопільський національний технічний університет імені І. Пулюя
ORCID ID: 0000-0002-0287-2254
e-mail: maria.stadnyk@gmail.com
СВЕРСТЮК С. А.
Тернопільський національний педагогічний університет імені Володимира Гнатюка
ORCID ID: 0000-0001-5595-4918
e-mail: sverstiuks@gmail.com
Аndriy SVERSTYUK
Ternopil National Medical University. J. Gorbachevsky
NATALIYA ZAGORODNA
Ternopil National Technical University named after Puliy
VASYL MARTSENYUK
University of Bielsko-Biała, Poland
MARIA STADNIK
Ternopil National Technical University named after Puliy
SOFIA SVERSTYUK
Ternopil National Pedagogical University named after Volodymyr Hnatiuk
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-303-6-41-48
Рецензія/Peer review : 04.11.2021 р.
Надрукована/Printed : 30.12.2021 р.
Анотація мовою оригіналу
У зв’язку із стрімким розвитком науки та техніки зростає необхідність у точному вимірюванні показників, що відображають та характеризують різноманітні фізичні процеси у харчовій та оборонній промисловості, економіці, охоронні здоров’я, зміні стану довкілля та інших сферах людського існування. Відповідно це призводить до популяризації кіберфізичних систем, які характеризуються тісним зв’язком між досліджуваним фізичним об’єктом та відповідним програмним забезпеченням. Така привернута увага до кіберфізичних систем є підґрунтям для розробки нових математично-обчислювальних засобів для отримання та аналізу результатів чисельного моделювання при їх проектуванні. Основною метою статті є розробка математичної та комп’ютерної моделі кіберфізичної імуносенсорної системи з використанням різницевих рівнянь із запізненням на прямокутній решітці та дослідження їх стійкості. Методичним інструментарієм проведеного дослідження є різнецеві рівняння із запізненням. Об’єктом дослідження є процес моделювання кіберфізичної імуносенсорної системи. Побудову моделі в статті здійснено в наступній логічній послідовності: дослідження функціональної схеми кіберфізичної системи, визначення вимог до математичної моделі, комп’ютерне моделювання досліджуваної моделі. Отримані результати експериментальних досліджень у вигляді решітчастих зображень антигенів, антитіл, решітчастих зображень ймовірності зв’язків антигенів з антитілами в біопікселях, зображення флуоресціюючих пікселів систем та електричного сигналу з перетворювача, який характеризує кількість флуоресціюючих пікселів
Ключові слова: комп’ютерне моделювання, кіберфізична система, імуносенсорна система, різнецеві рівняння із запізненням, прямокутна решітка.
Розширена анотація англійською мовою
Due to the rapid development of science and technology, there is a growing need for accurate measurement of indicators that reflect and characterize the various physical processes in the alimentary and defense industry, economy, health, environmental changes and in other areas of human existence. Accordingly, this leads to the popularization of cyberphysical systems, which are characterized by a close connection between the studied physical object and the relevant software. Such attention to cyberphysical systems is the basis for the problem of developing new mathematical and computational tools for obtaining and analyzing the results of numerical modelling in their design. The main purpose of the article is to develop a mathematical and computer model of the cyberphysical immunosensory system using difference equations with delay on a rectangular lattice and investigate it stability. The methodological tools of the study are the difference equations with the delay. The object of research is the process of modelling the cyberphysical immunosensory system. The construction of the model in the article is carried out in the following logical sequence: the study of the functional diagram of the cyberphysical system, determining the requirements for the mathematical model, computer modelling of the investigated model. The results of experimental studies are received in the form of lattice images of antigens, antibodies, lattice images of the probability of binding of antigens to antibodies in biopixels, images of fluorescent pixels of systems and electrical signal from the converter, which characterizes the number of fluorescent pixels.
Keywords: computer simulation, cyberphysical system, immunosensory system, difference equations with delay – rectangular grid.
References
- Dziadevych S. V. Amperometrychni fermentni biosensory. Biotekhnolohiia. 2008. T. 1, № 1. S. 46–60.
- Kucherenko I. S., Soldatkin O. O., Kasap B. O., Akata B., Soldatkin O. P., Dziadevych S. V. Vykorystannia sylikalitiv z riznym rozmirom chastynok pry stvorenni fermentnykh konduktometrychnykh biosensoriv. Sensorna elektronika i mikrosystememni tekhnolohii. 2013. T. 10. № 1. Pp. 60–69.
- Soldatkin O. O. Optymizatsiia odnochasnoi roboty trokh mikrobiosensoriv dlia multyanalizu hliukozy, laktatu ta hliutamatu. Sensorna elektronika i mikrosystememni tekhnolohii. 2012. T. 3. № 3. Pp. 53–61.
- Stepurska K. V., Dziadevych S.V. Rozrobka matematychnoi modeli potentsiometrychnoho biosensoru na osnovi zvorotnoho inhibuvannia atsetylkholinsterazy dlia vyznachennia aflotoksynu V1. Sensorna elektronika ta mikrosystemni tekhnolohii. 2016. № 1. Pp. 66–74.
- Kłos-Witkowska A. The phenomenon of fluorescence in immunosensors. Acta Biochimica Polonica. 2016. Vol. 63 (2). P. 215–221.
- Wang P., Li M., Pei F., Li Y., Liu Q., Dong Y., Chu, Zhu H. An ultrasensitive sandwich-type electrochemical immunosensor based on the signal amplification system of double-deck gold film and thionine unite with platinum nanowire inlaid globular SBA-15 microsphere. Biosensors and Bioelectronics. 2017. Vol. 91. P. 424–430.
- Yana H., Gonga L., Zang L., Yan H., Gong L., Zang L., Dai H., Xu G., Zhang S., Lin Y. Dual-responsive competitive immunosensor for sensitive detection of tumor marker on g-CN/rGO conjugation. Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 230. P. 810–817.
- Martsenyuk V., Klos-Witkowska A., Sverstiuk A., Bagrii–Zayats O., Bernas M. On modelling predator–prey cellular automaton with help of lattice differential equations with time dilay. Advances in biotechnology. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018. Nano, bio, green and space technologies for a sustainable, 2th–8th of July, Albena, Bulgaria. 2018. Vol. 18. P. 407–414.
- Martsenyuk V.P., Andrushchak I.Ye., Zinko P.M., Sverstiuk A.S. On Application of Latticed Differential Equations with a Delay for Immunosensor Modeling. Journal of Automation and Information Sciences. 2018. 50 (6). P. 55–65.
- Sverstiuk A.S. Modeliuvannia kiber-fizychnoi imunosensornoi systemy na priamokutnii reshittsi z vykorystanniam reshitchastykh dyferentsialnykh rivnian iz zapiznenniam. Sensorna elektronika ta mikrosystemni tekhnolohii. 2019. № 2. S. 53–65.
- Martseniuk V.P., Sverstiuk A.S., Kozodii N.V., Kravchyk Yu.V. Vykorystannia paketu R dlia kompiuternoho modeliuvannia kontaktiv antyheniv z antytilamy v kiberfizychnykh imunosensornykh systemakh na priamokutnii reshittsi. Herald of Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky. Khmelnytskyi. 2019. № 4. S. 97–105.
- Martsenyuk V.P., Sverstiuk A.S., Andrushchak I.Ye. Approach to the Study of Global Asymptotic Stability of Lattice Differential Equations with Delay for Modeling of Immunosensors. Journal of Automation and Information Sciences. 2019. Vol. 48 (8). P. 58–71.
