.

Визначення часових і частотних параметрів та стану просторово розвинених невзаємних динамічних об\’єктів. методи та багатопозиційні системи (автореф

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 6236
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ШАРПАН Олег Борисович

УДК 620.179; 621.3.09; 621.317

Визначення часових і частотних параметрів та стану просторово розвинених
невзаємних динамічних об’єктів. методи та багатопозиційні системи

Спеціальність 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу
речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі теоретичних основ радіотехніки
Національного технічного університету України „Київський політехнічний
інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант :

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Дубровка Федір Федорович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний
інститут”, завідувач кафедри теоретичних основ радіотехніки.

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Скрипник Юрій Олексійович,

Київський національний університет технологій та дизайну, професор
кафедри автоматизації та комп’ютерних систем;

доктор технічних наук, професор

Куц Юрій Васильович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри
інформаційно-вимірювальних систем;

доктор технічних наук, професор

Чумаков Володимир Іванович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри

радіоелектронних пристроїв.

Провідна установа: Вінницький національний технічний університет
Міністерства освіти і науки України, м. Вінниця.

Захист відбудеться 27 лютого 2007 р. о 15 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 у Національному технічному
університеті України ”Київський політехнічний інститут” за адресою:
03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 1, ауд. 293.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці НТУУ
„КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий ”____”_____________2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Бурау
Н. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасних умовах розвитку суспільства значна роль
належить пристроям і системам, здатним отримати інформацію про параметри
і стан (структуру, пошаровий склад і динамічні функціональні зміни)
різноманітних просторово розвинених невзаємних об’єктів різної фізичної
природи: технічних, природничих і біологічних. Особливостями таких
об’єктів є те, що у них проходять процеси, розвинені у часі і просторі,
входи і виходи просторово не сумісні, а параметри передачі у прямому і
зворотному напрямках є різними. Такими об’єктами є, зокрема, компоненти
сучасних систем зв’язку і передачі інформації, багатопозиційних
радіотехнічних та енергетичних комплексів, підземні структури з
неоднорідностями, ряд біологічних органів і систем.

Незважаючи на різну природу зазначених об’єктів, є ознаки, які
об’єднують їх з точки зору визначення стану і режиму функціонування,
загальних особливостей і актуальних проблем оцінювання. Так, є ряд
однакових показників, що характеризують параметри, структуру і стан
таких досліджуваних об’єктів (ДО), насамперед, це час і швидкість
поширення та зміни амплітудних, часових і спектральних характеристик
сигналів. Для їх визначення застосовуються методи амплітудно-частотних,
фазочастотних і спектральних вимірювань, які добре розвинені у технічній
діагностиці. Адаптація їх щодо завдань фізіологічних досліджень дозволяє
розробити нові діагностичні методики. Невзаємність і багатопозиційність
потребує розроблення принципово нової методології визначення параметрів
і стану, оскільки для забезпечення точних часових і фазових вимірювань
існує проблема формування сигналів порівняння у багатьох просторово
рознесених пунктах. Оскільки визначення параметрів, як правило, має
відбуватись у процесі функціонування ДО за призначенням, вимірювання
необхідно виконувати швидко (у реальному масштабі часу), неруйнівними
методами, досить часто в умовах завад і артефактів підвищеного рівня та
у значному динамічному діапазоні амплітуд сигналів. Вимоги забезпечення
підвищеної точності визначення часових і частотних параметрів та
роздільної здатності структури і складу ДО обумовлюють необхідність
виконання широкосмугових вимірювань.

Аналіз відомих технічних рішень щодо одержання часових, фазових і
спектральних параметрів з метою визначення структури, складу і стану
просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктів свідчить про те, що
у цій проблемі є ряд не вирішених актуальних задач. Серед них такі.
Задача прямого визначення повного приросту та нелінійності фазочастотної
характеристики (ФЧХ) просторово розвинених невзаємних об’єктів, оскільки
поширені методи на основі визначення групового часу запізнювання (ГЧЗ)
не задовольняють у повній мірі сучасні вимоги щодо визначення стану ДО.
Задача підвищення точності визначення часових і частотних параметрів,
зокрема при частотних спотвореннях сигналів та при наявності завад і
артефактів, що є характерним для всіх об’єктів, але найбільш яскраво
проявляється у випадку фізіологічних досліджень (так, при використанні
традиційних методів вимірювань похибки визначення таких важливих
діагностичних показників, як час і швидкість поширення пульсової хвилі
(ПХ), які найбільш адекватно характеризують стан серцево-судинної
системи (ССС), становлять десятки відсотків від номінальних значень цих
параметрів). Задача розвитку методів і апаратно-програмних засобів
пульсової діагностики, заснованих на визначенні амплітудних і часових
параметрів пульсу та спектральних і кореляційно-спектральних методах
його аналізу. Задача фазування з підвищеною точністю (в одиниці і долі
градусів) сигналів опорної фази при часових і фазових вимірюваннях у
просторово розвинених багатопозиційних системах різного призначення.

Отже, існує проблема підвищення точності і швидкодії одержання часових і
частотних параметрів при визначенні структури, складу і функціонального
стану просторово розвинених динамічних об’єктів різної фізичної природи.
В дисертації ця проблема вирішується на основі розвитку існуючих і
розроблення нових методів і просторово розвинених систем швидкісної
широкосмугової ампліфазометрії, амплітудної і фазової спектрометрії
підвищеної точності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Роботу виконано
у Національному технічному університеті України ”Київський політехнічний
інститут” відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки
в рамках НДР №№ 288, 722, 545, 442 серії „Днепр”–„Днепр-В, №
622 – „Клен”; № 845/321–„Форт”, № 580/522–„Фаэт”, № 855/338–„Флюид”,
№ 548 –„Дельта” № 350 –„Меридіан”, № 2506 (ДР. № 0193U028407); № 2782
(ДР. № 0195U028084); № 2506а (Др. № 0195U028083); № 2066 (Др. №
0196U009073, інв. № 0299U000374); № 2160 (Др. № 0197U009666, інв. №
0299U000375); № 2451 (ДР. № 0100U000733, інв. № 0202U006839); № 2608
(Др. № 0103U000119, інв. № 0204U006704).

Мета і задачі дослідження. Розвиток існуючих і розроблення нових методів
та швидкодіючих широкосмугових просторово розвинених систем імпульсної
ампліфазометрії і пульсової спектрометрії, здатних забезпечити одержання
з підвищеною точністю часових і частотних параметрів при визначенні
структури, складу і стану просторово розвинених невзаємних динамічних
технічних, природничих і біологічних об’єктів.

Для досягнення цієї мети в дисертації вирішуються такі основні задачі:

аналіз особливостей функціонування ДО і визначення параметрів їх часових
і частотних характеристик (ЧХ), встановлення зв’язку між станом ДО і
параметрами ЧХ та спектральними розкладами сигналів, визначення нових
критеріїв оцінки стану ДО;

розвиток теорії та практики формування сигналів порівняння (опорної
фази) в рознесених пунктах; розробка основ побудови багатопозиційних
систем фазування сигналів підвищеної точності і збільшеного просторового
рознесення пунктів фазування, відкритих щодо довільного нарощування
кількості цих пунктів;

розробка методології просторово рознесеної імпульсної фазометрії,
амплітудної і фазової спектрометрії і принципів побудови вимірювальних
засобів підвищеної точності і швидкодії та розширеного частотного
діапазону для прямого неруйнівного визначення параметрів ЧХ, амплітудних
і фазових спотворень та часу поширення сигналів у просторово розвинених
невзаємних об’єктах різного фізичного походження;

розробка теорії та основ побудови засобів підвищеної точності і
достовірності для визначення параметрів і стану ССС за параметрами ЧХ
ділянок судинних систем, часовими та швидкісними критеріями поширення
сигналів ПХ, одержаними за амплітудно-часовими, спектральними і
кореляційно-спектральними методами оброблення пульсових сигналів;
розроблення на цій основі методології визначення функціонального стану
органів і систем організму, ступеню напруженості вегетативної нервової
системи (ВНС), зокрема і в умовах дії завад і артефактів;

підтвердження ефективності отриманих теоретичних результатів на
прикладах створення засобів для визначення структури і стану просторово
розвинених невзаємних об’єктів різної фізичної природи.

Об’єктом дослідження є явища і процеси, що проходять у просторово
розвинених динамічних технічних, природничих і біологічних об’єктах,
обумовлюють характер їх часових і частотних характеристик, в яких
зосереджені діагностичні ознаки структури і стану об’єкта.

Предметом дослідження є методи, моделі, алгоритми і багатопозиційні
вимірювальні засоби, що здатні забезпечити високу точність визначення
динамічно змінюваних часових, частотних і спектральних параметрів
просторово розвинених невзаємних об’єктів.

Методи дослідження. Базуються на використанні теорії часових,
амплітудних, фазових і спектральних вимірювань з застосуванням часової і
фазової синхронізації просторово рознесених сигналів,
структурно-функціонального моделювання і аналізу, методів
електродинаміки і теорії кіл, скінченних елементів, часового,
частотного, спектрального, кореляційного і кореляційно-спектрального
аналізу, теорії матриць, теорії чутливості, комп’ютерного моделювання та
фізичних експериментів з використанням сучасних
інформаційно-вимірювальних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше отримані такі
наукові результати.

1. Сформульовано умови максимальної точності визначення часу поширення
і фазових спотворень сигналу в ДО за багатопараметричним критерієм
максимального кореляційного зв’язку вихідного і вхідного сигналів ДО,
одержаним на основі фізичної інтерпретації параметрів його ФЧХ.

2. Запропоновано і розроблено модифікований метод спектрометрії для
швидкого прямого визначення параметрів ФЧХ, часу поширення і амплітудних
і фазових спотворень широкосмугових сигналів в ДО. Метод заснований на
порівнянні спектральних параметрів вихідного вимірювального сигналу зі
спектральними параметрами копії тестового зондувального сигналу. Для
подальшого підвищення точності методу запропонована методологія
спектрометрії відносно двох опорних сигналів.

3. Розвинено теорію багатопозиційної фазової синхронізації гармонічних
та багаточастотних сигналів, зокрема: а) визначено джерела та отримано
аналітичні вирази для розрахунку похибок фазування просторово рознесених
сигналів; б) запропоновано нові підходи визначення і стабілізації
електричних довжин прямого і зворотного каналів передачі сигналів
синхронізації (як взаємних так і невзаємних), суть яких полягає у
відповідному виборі точок вимірювання різниць фаз сигналів та алгоритмів
оброблення виміряних різниць фаз для забезпечення необхідних зміни
електричних довжин каналів; в) запропоновано методологію
„багатошкального” фазування сигналів генераторів гармонік для виключення
неоднозначності фазування (промаху на ?) та підвищення точності
фазування до долей градуса відповідним вибором співвідношень робочих
гармонік системи фазування і вимірювальної системи.

4. На основі методології просторової ампліфазометрії розвинено теорію
та практику швидкого багатопозиційного визначення модуля, активної і
реактивної складових комплексного електричного імпедансу з підвищеною
точністю в розширеній смузі частот. Зокрема: а) одержано аналітичні
вирази для домінуючих методичних та апаратурних похибок визначення
параметрів імпедансу, обґрунтовано шляхи забезпечення необхідної
точності визначення параметрів; б) одержано аналітичні вирази для
розподілу поверхневих потенціалів при багатопозиційній
біоімпедансометрії, запропоновано метод „променів провідності” для
розв’язання оберненої задачі реконструкції імпедансних образів,
визначено розподіл і чутливість змін поверхневих потенціалів залежно від
структури і динаміки параметрів структурних елементів ДО, оцінено
чутливість реконструкції та обґрунтовано вимоги до точності і роздільної
здатності вимірювань амплітуд і фаз при визначенні структур об’єктів
різної фізичної природи; в) введенням додаткових вимірювальних частот
модифіковано тричастотний метод імпедансометрії для визначення наявності
неоднорідності біоструктур. Порівняно з існуючими методами „резистивної”
імпедансометрії все це дає можливість швидко визначати структуру, склад
і стан просторово розвинених об’єктів методами імпедансометрії і
імпедансної томографії, як діелектриків із втратами.

5. На основі підходів просторово розвиненої ампліфазової спектрометрії
розвинено теорію та методологію оцінювання стану біологічних органів і
систем за ЧХ судинних ділянок та спектральними розкладами сигналів ПХ,
суть яких полягає у наступному.

5.1. Запропоновано уточнені моделі ненавантаженої (для середніх значень
швидкості кровотоку і пульсового тиску) і навантаженої ділянок судинної
системи, як тракту передачі ПХ. В них, на відміну від відомих моделей,
одночасно враховуються інерційні і в’язкісні властивості рідини ССС
введенням активного і реактивного артеріальних опорів та активного опору
периферичної ділянки, причому у випадку моделювання навантаженої ділянки
опори артеріальної ділянки є параметричними.

5.2. Одержані аналітичні вирази для амплітудно-частотної (АЧХ) і ФЧХ
ненавантаженої ділянки, за аналізом яких: а) встановлено ефекти
можливого підйому (резонансу) АЧХ та змінюваність характеру ФЧХ
(вгнутості, вигнутості, лінійності, наявності або відсутності точки
перегину) залежно від стану судинної системи (ступеню пружності стінки і
швидкості поширення ПХ, співвідношення опорів артеріальної і
периферичної ділянок, довжини ділянки), які є якісними характеристиками
стану судинної системи; б) запропоновано кількісні критеріальні
параметри стану судинної системи: характеристична частота ?р, на якій
значення ФЧХ дорівнює ?/2, крутизна ФЧХ в околі частоти ?р, рівень та
частота ?м максимуму АЧХ; в) оцінено вплив АЧХ і ФЧХ судинної системи на
амплітудний і фазовий спектри (АС і ФС) і амплітудно-часові (контурні)
параметри ПХ; при цьому виявлено ефект впливу частоти серцевих скорочень
на ці параметри; г) доведено, що домінуючий внесок у похибки визначення
часу і швидкості поширення ПХ відомими методами мають амплітудні і
фазові спотворення ПХ при проходженні крізь судинну систему; д) виявлено
додаткові критерії визначення стану ССС при одночасному визначенні
параметрів хвилі тиску у кількох точках судинного русла.

5.3. За моделлю навантаженої ділянки судинної системи: а) уточнено
уявлення про поширення ПХ в судині під компресійною манжетою; б) з
урахуванням відмінностей процесів поширення ПХ в ненавантаженій і
навантаженій ділянках запропоновано новий метод просторової
кореляційно-спектральної осцилометрії, розроблено і верифіковано його
критеріальні основи. Метод базується на введенні опорного пульсового
сигналу і одержанні завадостійких критеріїв визначення параметрів
пульсового тиску шляхом кореляційно-спектрального порівняння параметрів
вимірювального сигналу, спотвореного тиском у манжеті, і просторово
віддаленого неспотвореного опорного сигналу.

5.4. Розроблено та верифіковано методологічні основи пульсової фазової
спектрометрії при визначенні стану біологічних органів і систем,
зокрема: а) розроблено методологію одержання ФС квазістаціонарного
сигналу ПХ; б) математичним моделюванням оцінено точність одержання ФС
такого сигналу, визначено потенційну точність, умови і частотний
діапазон можливого застосування пульсової фазової спектрометрії; в) 
запропоновано нові часові параметри ФС, еквівалентні груповому та
фазовому часу поширення сигналу; г) встановлено зв’язок і підвищену
чутливість параметрів ФС до змін стану ССС і ВНС порівняно з критеріями
контурного аналізу.

5.5. Запропоновано і розроблено нові алгоритми формування матричних
операторів та нормалізації пульсових сигналів, а також нові якісні й
кількісні (коефіцієнти трансформант) показники для дослідження стану ССС
за параметрами трансформант сигналів ПХ, одержаних з використанням
ортогональних перетворень із дійсним ядром (Уолша, REX і CoREX).

Практична значимість одержаних результатів. Результати дисертаційних
досліджень, розроблені в ній нові методи і алгоритми оброблення сигналів
становлять наукову основу створення і використання нових
вимірювально-діагностичних засобів підвищеного рівня інформативності й
достовірності, призначених для реалізації технологій оцінювання
параметрів і стану об’єктів різної фізичної природи. За результатами
дисертаційних досліджень: 1) запропоновано методики визначення
функціонального стану ДО на основі методології імпульсної і пульсової
ампліфазометрії; 2) запропоновано способи одержання і умови застосування
ФС квазістаціонарного пульсового сигналу; розширено сферу використання
АС коротких реалізацій ПХ для визначення стану стресу у реальному
масштабі часу; 3) створено методики оцінки показників точності
результатів вимірювань, потенційної точності засобів та
експериментальних досліджень; 4) розроблено нові способи вимірювань,
концепції побудови, нові структури і діючі зразки: а) багатопозиційних
систем формування сигналів опорної фази у просторово рознесених пунктах
підвищеної точності і збільшеного просторового рознесення; б) систем
прямого одержання параметрів ФЧХ для точного визначення часу поширення і
фазових спотворень сигналів у просторово розвинених невзаємних каналах
передачі сигналів; в) швидкодіючих просторово розгалужених систем
вимірювання різниць фаз і визначення фазової структури радіоімпульсних
сигналів; г) швидкодіючих засобів визначення частотних залежностей
параметрів комплексного електричного імпедансу; д) засобів пульсової
спектральної діагностики фізіологічного стану органів і систем людини;
е) завадостійкої системи достовірного визначення параметрів
артеріального тиску (АТ).

Розроблені засоби мають практичне застосування і впровадження. Так,
вимірювальні комплекси „Днепр-Б” та „Днепр-В”, призначені для визначення
часу поширення, амплітудних та фазових спотворень широкосмугових
сигналів у невзаємних каналах передачі просторово розгалужених фазових
систем спеціального призначення, впроваджені в Московському
науково-дослідному радіотехнічному інституті (МНИРТИ, м. Москва). Ряд
засобів швидкого вимірювання різниці фаз радіоімпульсних сигналів
фазових просторово розподілених багатопозиційних комплексів („Форт”,
„Фаэт”, „Флюид”), призначені для створення швидкодіючих багатопозиційних
систем контролю параметрів і стану адаптивних радіоелектронних
комплексів, впроваджені у науково-дослідному інституті радіофізики ім.
акад. А.А. Расплетіна (НИИРФ, м. Москва) при створенні в рамках ДКР 90М6
і 30Н1 принципово нових багатоканальних швидкодіючих радіотехнічних
систем спеціального призначення. Швидкодіюча вимірювальна система
визначення внутрішньої фазової структури радіоімпульсного сигналу
(„Клен”), призначена для контролю стану швидкоплинних процесів, що
протікають у енергетичних комплексах, зокрема просторово розгалужених,
використана для дослідження стану плазми. Завадостійка система
просторової осцилометрії, призначена для достовірного визначення
параметрів АТ в умовах дії завад і артефактів підвищеного рівня,
впроваджена у практику тестування і підготовки національних збірних
України в Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і
спорту України (м. Київ). Ведуться роботи щодо впровадження систем
біоімпедансометрії і пульсової амплітудної і фазової спектрометрії у
практику біомедичних досліджень. Результати дисертаційних досліджень
використовуються також у навчальному процесі Національного технічного
університету України ”КПІ” за спеціальностями „Радіотехнічні пристрої,
системи і комплекси”, ”Біотехнічні та медичні апарати і системи” та
Центру післядипломної освіти ВАТ „Укртелеком” за напрямками підвищення
кваліфікації „Транспортні системи первинної мережі”, „Системи комутації
та апаратно-програмні комплекси”, „Кабельні системи та кросове
обладнання”.

Особистий внесок здобувача. Матеріали, викладені в дисертаційній роботі,
всі теоретичні та практичні результати, висновки і рекомендації,
отримані автором особисто. Особистий внесок здобувача в працях,
опублікованих у співавторстві, такий. У цитованих звітах з НДР, що
виконувались під науковим керівництвом автора, ним обґрунтовано напрями,
методи і методики досліджень, ідеологія побудови вимірювальних засобів,
їх експериментальної перевірки і використання. В інших працях здобувачу
належить: [2, 3, 8, 41, 43] –розроблення концепції фазової синхронізації
сигналів; [4, 7, 10, 11, 24, 53, 54] –розробка концепції побудови і
структур зразків вимірювальних засобів, методик їх перевірки, аналіз
результатів випробувань; [6] – аналіз похибок фазового детектування;
[9] – аналіз похибок фазової синхронізації і стійкості системи;
[13, 31, 44-48] – ідеологія просторової кореляційно-спектральної
осцилометрії, обґрунтування критеріїв завадостійкого визначення АТ,
розроблення і верифікація нових способів вимірювань;
[14, 21-23, 28, 29] – концепція використання спектральних розкладів
пульсових сигналів у традиційних і нетрадиційних ортогональних базисах,
алгоритми нормалізації і формування матричних операторів та одержання
коефіцієнтів трансформант, інтерпретація одержаних результатів аналізу
щодо стану ДО; [15, 27, 55] – розробка методики досліджень, аналіз і
інтерпретація результатів щодо стану ДО; [18] – концепція
спектрально-часового аналізу для виділення дихальної складової сигналу;
[30, 49-52] – розробка моделей об’єктів, обґрунтування вимог до точності
і чутливості вимірювальних засобів, аналіз чутливості і потенційної
точності реконструкції образів; [33, 34, 37, 39] – розробка концепції
вимірювань відносно двох опорних сигналів; [38, 40] – ідея способу і
алгоритм визначення різниці фаз сигналів; [32] – концепція використання
спектральних розкладів періодичних імпульсних сигналів для дослідження
просторових невзаємних об’єктів, ідеологія модифікованого методу
спектрометрії та формування і синхронізації сигналів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати
дисертаційної роботи обговорювались на 28 Всесоюзних, республіканських і
міжнародних науково-технічних конференціях і симпозіумах. Серед них:
„Применение методов фазометрии для бесконтактных измерений и контроля”
(Київ, 1983 р.); „Методы и средства измерений в области электромагнитной
совместимости” (Вінниця, 1988 р.); „Метрологическое обеспечение в
антенных измерениях” (Єреван, 1990 р.); „Радиотехнические системы
(навигации, связи), средства измерений и новые информационные
технологии” (Красноярськ, 1992 р.); „Оброблення сигналів і зображень та
розпізнавання образів”. Третя Всеукраїнська міжнародна конференція
(Київ, 1996 р.); „Проблеми фізичної і біомедичної електроніки”
(Київ, 1997, 2000-2004 рр.) „Інформаційні технології і
програмно-апаратні засоби в медицині, біології і екології”
(Київ, 1998 р.), „Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”
(Житомир, 1999 р.), „Сучасні проблеми засобів телекомунікацій,
комп’ютерної інженерії та підготовки спеціалістів” (Львів, 2000 р.),
„Modern Problems of Radio Engineering Telecommunications and Computer
Science” (Lviv–Slavsko, Ukrainе, 2002 р.), „ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2004, 2005:
стан і перспективи” (Київ, 2004, 2005 рр.), Дев’ятий Всеросійський з’їзд
серцево-судинних хірургів (м. Москва, 2003 р.), „Сучасні проблеми
радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” СПРТП1-2005,
Вінниця, 2-5 червня 2005 р. .

Публікації. За темою дисертації опубліковано 70 робіт (11 без
співавторів), серед яких 36 статей опубліковано у провідних фахових
виданнях (8 – без співавторів), 13 авторських свідоцтв СРСР на винаходи
(3 – без співавторів), 5 патентів України. Основні публікації наведено в
кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу,
семи розділів, загальних висновків, списку використаних літературних
джерел (250 найменувань), восьми додатків. Основний текст викладено на
271 сторінці. Дисертація містить 109 рисунків і 12 таблиць в основній
частині та 39 рисунків і 10 таблиць у додатках. Загальний обсяг
дисертації становить 525 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і
задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність
отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію та впровадження.

Перший розділ містить аналіз проблеми точного неруйнівного одержання
часових та частотних параметрів просторово розвинених невзаємних
динамічних об’єктів для швидкого визначення їх структури, складу і
стану, окреслення задач дисертаційних досліджень. Основна увага
приділена таким значимим об’єктам: широкосмуговим технічним об’єктам
(каналам передачі), функціональний стан яких визначається параметрами ЧХ
коефіцієнта передачі сигналів; природничим і біологічним об’єктам,
структура і стан яких визначається параметрами ЧХ електричного
імпедансу; судинній системі, як тракту передачі хвилі тиску.
Встановлено, що такі об’єкти необхідно розглядати як невзаємні
просторово розвинені, досить часто – багатопозиційні. У деяких із них,
до того ж, наявний зсув частоти вихідного сигналу відносно вхідного.

Встановлено, що за сукупністю вимог швидкого неруйнівного визначення
стану просторових об’єктів і необхідності прямого визначення параметрів
ФЧХ, фазових спотворень і часу проходження в них сигналів, найбільш
прийнятними є методи, що базуються на використанні спектральних
розкладів широкосмугових сигналів. Для прямого визначення параметрів ФЧХ
просторово розвинених невзаємних об’єктів запропоновано модифікований
метод спектрометрії. Суть його полягає у порівнянні параметрів спектрів
вимірювального сигналу на виході ДО з параметрами спектрів опорного
сигналу, який є копією тестового зондувального сигналу. Визначення
параметрів можливе при ідентичності обвідних спектрів тестового і копії
тестового сигналів і різних варіантах частотної і фазової (часової)
синхронізації зондувального, копії зондувального і вихідного
вимірювального сигналів. Формування сигналів відносно носійної частоти
вперше забезпечує пряме визначення параметрів АЧХ і ФЧХ об’єктів зі
зсувом частоти. Обґрунтовано вимоги подальшого розвитку методу для
підвищення точності і швидкодії вимірювань, збільшення просторового
рознесення входу і виходу ДО, розширення функціональних можливостей.

Виходячи із сучасних вимог неруйнівного визначення стану природничих і
біологічних об’єктів як діелектричних структур із втратами (тобто
розширення діагностичного простору і усунення обмежень „резистивної”
імпедансометрії і імпедансної томографії) подальшого розвитку потребує
діагностичний напрямок, заснований на визначенні частотних залежностей
складових комплексного електричного імпедансу. Зокрема, слід
забезпечити: а) визначення не лише модуля комплексного імпедансу, а й
інших його складових (активної і реактивної, ємності); б) визначення
параметрів імпедансу в розширеній смузі частот (для біологічних об’єктів
до сотень кГц – одиниць МГц); в) підвищення точності; г) можливість
швидких багатоканальних автоматизованих вимірювань; д) розроблення
принципів побудови нових засобів і томографічних систем.

Особливістю визначення діагностичних часових і частотних параметрів при
визначенні функціонального стану людини є те, що зовнішні вимірювальні
тестові сигнали використовувати, здебільшого, неможливо. Але серце саме
продукує пульсовий сигнал, який є майже періодичною функцією часу, що є
підставою для розвитку методу періодичної пульсової спектрометрії для
отримання частотних, спектральних і часових параметрів систем і органів
організму безпосередньо при функціонуванні останніх. У цьому розділі
дисертації виконано аналіз особливостей і можливостей пульсової
діагностики стану біооб’єктів, запропоновано класифікацію методів.
Обґрунтовано необхідність подальшого їх розвитку в напрямках:
а) визначення стану органів і систем організму в частотній області за
параметрами ЧХ судинної системи та спектрів сигналу ПХ; б) підвищення
точності визначення часу і швидкості поширення ПХ; в) розробки основ
завадостійкого визначення АТ в екстремальних умовах при дії завад і
артефактів підвищеного рівня інтенсивності; г) забезпечення можливості
спостереження в реальному масштабі часу за напруженістю відділів ВНС і
визначення стану стресу.

Доведено актуальність подальшого розвитку методології формування
сигналів порівняння для підвищення точності вимірювань параметрів
просторово рознесених сигналів.

У другому розділі розроблено методологічні основи оцінювання структури
і стану об’єктів за часовими і частотними параметрами і критеріями, за
визначенням часу і швидкості поширення та спотворень в них сигналів.

Відомо, що оцінку зазначених параметрів доцільно здійснювати в частотній
області на основі уявлень про ЧХ коефіцієнта передачі ДО. Особливу вагу
має оцінка різних параметрів ФЧХ (нахилу, нелінійності, групового і
фазового часу поширення, дисперсії і т.п.) і їх впливу на процес
передачі. Важливо також, щоб кожний із прийнятих параметрів мав просту
фізичну інтерпретацію.

Розглянемо відоме формальне представлення ФЧХ ДО як суму нелінійної
?н(?), лінійної ?? і постійної (?0 + 2?n) складових

? (?)= ??(?)+??+(?0 + 2?n) ; ?0  1 максимум
відсутній і може спостерігатися деяке уповільнення спаду модуля
коефіцієнта передачі з ростом частоти. Форма кривої ФЧХ також залежить
від значення m. При m > 1 ФЧХ вгнута в усьому частотному діапазоні і її
крутість знижується в міру зростання частоти. Точка перегину функції
відсутня. При m  ?p вона завжди вгнута. Таким чином, при m 0~?ae ??$ ???$?? | ~ ? ‚ „ † ?   o ?$ ?????ae ???????$????? AE ????? ????? ????? ?????? ????????????$?? 8 ???????????????? ooa??oooooot ???? ? ? ?? ??$??????? =. Критеріями вибору j = a або j = b та значення константи ? є співвідношення полярностей вихідних сигналів Aa та Ab каналів залежно від значення вимірюваної різниці фаз ?в (квадранта, в якому перебуває ?в). П’ятий розділ присвячений розробці теорії і практики підвищення точності і швидкодії та розширенню смуги частот багатопозиційних засобів автоматизованого визначення ЧХ складових комплексного електричного імпедансу при рішенні завдань імпедансної діагностики і багатопозиційної імпедансної томографії просторово розвинених динамічних об’єктів на основі методології просторової ампліфазометрії і ампліфазової спектрометрії. Дослідження проведені виходячи із необхідності: а) виконувати окреме визначення реактивної і активної складових імпедансу в розширеній смузі частот; б) спостереження в реальному масштабі часу швидкоплинних динамічних процесів; в) багатопозиційності вимірювань. З точки зору забезпечення швидкодії вимірювань у розширеній смузі частот доведено перспективність потенціометричного методу на основі вимірювань комплексних амплітуд падіння напруги на ДО і струму в ньому. Але в цьому випадку відносні похибки одержання активної R і реактивної Х складових імпедансу визначаються як ?R/R = ?Z/Z – ??tg? і ?X/X = ?Z/Z – ??ctg? і різко зростають при ? ? 0 ( для Х) і ? ? ?/2 (для R). Це той випадок, коли одна складова імпедансу значно перевищує іншу, причому з максимальною похибкою визначається менша з них. Забезпечити задовільні похибки визначення цих складових пропонується відповідним вибором робочих частот (зокрема з використанням тричастотного методу вимірювань) у смузі, де значення активної і реактивної складових відрізняються менше, ніж на порядок. Досліджено особливості апаратурної реалізації вимірювань при одержанні параметрів комплексного імпедансу. Встановлено, що основний внесок у похибку вимірювань обумовлений вхідною частиною вимірювачів. З точки зору забезпечення необхідної точності вимірювань обґрунтовано вимоги до паразитних ємностей вхідних частин вимірювачів, встановлено необхідність використання в діапазоні високих частот „активних електродів”, доведено переваги двоелектродного методу вимірювань порівняно з чотириелектродним. Потреба у створенні нових імпедансних томографів, заснованих на визначенні комплексної діелектричної проникності об’єктів, обумовлює необхідність проведення досліджень щодо точності багатоканальних вимірювань амплітуд і фаз сигналів, зокрема в багатьох просторово рознесених пунктах. В дисертації це виконано шляхом аналізу розподілу поверхневих потенціалів при багатопозиційній імпедансометрії. Аналіз виконано методами теорії кіл і електродинаміки при моделюванні однорідних і неоднорідних об’єктів з використанням методу скінченних елементів. Потенційна роздільна здатність і чутливість інтроскопії оцінена з використанням моделей фантомів, які мають три-чотири неоднорідності питомої провідності. Обернена задача томографії розв’язана із застосуванням нового підходу на основі запропонованого методу „променів провідності”. Оцінка потенційної чутливості вимірювань виконана шляхом обчислення потенціалів на зовнішній межі для найбільш несприятливого випадку, коли неоднорідність розташована в центрі ДО. Встановлено, що для цього випадку, коли площа неоднорідності становить 2.7 % від загальної площі перетину, зміни потенціалів на найбільш чутливих електродах становлять одиниці мікровольт. При розв’язанні оберненої задачі це дозволяє ідентифікувати неоднорідності, які складають одиниці відсотків від загальної площі ДО при зміні питомої провідності у кілька десятків відсотків. Встановлено, що у випадку імпедансометрії біологічних об’єктів, за таких умов слід орієнтуватись на роздільну здатність фазометрії, не краще, ніж 5-6°, і роздільну здатність томографії відносно діелектричних неоднорідностей близько 10 % від загальної площі досліджуваного об’єкта. У випадку просторових природничих об’єктів, коли не ставляться жорсткі умови щодо обмеження рівнів зондувальних струмів, роздільна здатність фазометрії становить одиниці і долі градусів. а потенційна точність томографії – одиниці відсотків. Шостий розділ присвячений розробці та верифікації методології динамічної пульсової амплітудної і фазової спектрометрії при визначенні стану об’єктів за спектрами (трансформантами) ПХ у традиційних (за Фур’є) і нетрадиційних (Уолша, REX і CoREX) ортогональних базисах. Проаналізовано можливості швидкого визначення і контролю стану серця, судин і ВНС за АС коротких реалізацій пульсового сигналу (під "короткою" розуміється реалізація пульсового сигналу, тривалість якої є суттєво меншою, ніж прийнята базова вибірка у 100 (за Баєвським Р. М.) і більше кардіоциклів). Верифікація цих положень здійснювалась шляхом експериментального дослідження залежності параметрів АС при дії фізіологічних тестових впливів різного характеру. Дослідження виконані для різних вікових груп людей як в спокійному стані у положенні стоячи, сидячи, лежачи, так і з використанням різноманітних фізіологічних тестів, а саме: фізичного навантаження, холодової і ортостатичної проб, гіпервентиляції легень і затримки дихання, перетискування судин, паління, алкоголю, чаю, психологічної напруги тощо. Виконувались також досліди у реанімаційному відділенні лікарні з метою визначення дії лікарських засобів для післяопераційного знеболення. Доведено, що за проявом окремих складових, ступенем і характером розмитості АС можна визначати рівень і характер аритмії, вплив дихальної і повільних хвиль, тобто в реальному масштабі часу відстежувати стан і динаміку вегетативного гомеостазу, визначати стан „хвороби” і „передхвороби”. Слідкуючи за рівнями та зміною співвідношень амплітуд окремих трансформант АС, можна спостерігати за станом серцевого та судинного компонентів системи гемодинаміки. Перевагою такого підходу є те, що спектральний аналіз дає інтегральну характеристику сигналу обраної реалізації незалежно від форми ПХ. Це знижує втрати інформації і розширює можливості діагностики. Проаналізовано, розроблено і верифіковано основи визначення стану ССС і ВНС за методом фазової пульсової спектрометрії. Реалізація цього напрямку має свої особливості і передбачає вирішення ряду нових задач. Перша особливість полягає в тому, що існує проблема одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу з необхідною точністю. Тому в дисертації запропоновано методологію одержання ФС на основі визначення: а) спектральних компонентів за аналізом максимумів обвідної АС віконних реалізацій пульсового сигналу; б) окремих періодів при сплайновій інтерполяції пульсового сигналу. Проаналізовано точність одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу методами ДПФ з урахуванням впливу дихальних і повільних хвиль, дискретизації, шумів. Показано, що потенційна точність (невизначеність) методу фазової пульсової спектрометрії становить одиниці градусів при використанні перших п’яти-семи гармонік периферичного пульсу. Друга особливість полягає в тому, що при дослідженні параметрів периферичного пульсу відсутня інформація про час його поширення. Це не дозволяє визначати повну фазоспектральну характеристику сигналу. Тому в роботі оцінка діагностичної чутливості стану гемодинаміки одержана при аналізі нелінійної складової ФС. Третя особливість полягає в тому, що значення фаз гармонік, навіть при одному і тому ж стані серцево-судинної системи, залежать від ЧСС (див. правило, розділ 2). Щоб знизити вплив цієї залежності при контролі стану гемодинаміки запропоновано використовувати новий для гемодинаміки часовий параметр ?r ФС. Він має розмірність часу і визначається аналогічно груповому (?rГ) або фазовому (?rФ) часу запізнювання як ?r = ??r/??r, де ??r – приріст фазового спектра на ділянці частотного діапазону ??r. На рис. 7-11 наведені приклади, що ілюструють результати досліджень, які одержані за допомогою розробленої двоканальної системи фотоплетизмографії „Пульс-Ф”. Плетизмограми реєструвалися з пальців рук. На рисунках показано змінюваність ?rФ за чотирма гармоніками пульсового сигналу (2-ї, 3-ї, 4-ї і 5-ї при визначенні їх початкових фаз відносно фази 1-ї гармоніки). На горизонтальній шкалі відкладено час у секундах; ціна одної поділки відповідає проміжку у 10 секунд. Вертикальна шкала показує величину ?r; ціна поділки становить 0,01 секунди. Інтерпретація зв’язку між змінами параметрів ФС периферичних пульсограм і змінами стану системи гемодинаміки заснована на результатах аналізу ФЧХ ділянки судинної системи, одержаних в розділі 2. Рис. 7 характеризує залежність ?rФ при тесті на затримку дихання. Проміжок часу від 0-ї до 25-ї секунди характеризує вихідне становище до тестування. В період з 25-ї до 70-ї секунди виконувалась затримка дихання (на вдиху). З 70-ї секунди дихання відновлювалося. На рис. 8 наведені результати тесту на зміну положення руки, що утримує вагу в 0.5 кілограма, із горизонтального у вертикальне (вгору) і назад. До 25-ї секунди рука з вагою знаходилась у горизонтальному стані, лежачи на столі. З 25-ї до 50-ї секунди вона знаходилась у вертикальному стані, зігнутою у ліктьовому суглобі, а з 50-ї секунди була знов переведена у горизонтальний стан. На рис. 9а і 9б наведені результати тесту на куріння. Видно, що після куріння дещо зменшились значення ?rФ за всіма гармоніками (приблизно на 0.005 - 0.01 с), змінився характер аритмії в бік зростання впливу дихальної складової, період якої став рівним приблизно 10 с (6 дихальних циклів за хвилину), в той час як у вихідної кривої були більш помітні коливання з періодом приблизно 13 - 15 с. Також збільшився рівень високочастотних складових аритмії з періодом 2.5 - 3 с (частота 0.4 - 0.33 Гц), які характеризують барорефлекторну чутливість. На всіх рисунках добре помітні зміни величини ?rФ на різних гармоніках у різні проміжки часу. Вони характеризують перехідні процеси у системі гемодинаміки в різних ділянках частотного діапазону. Видно також ступінь визначеності і характер аритмії, що віддзеркалюється на рівнях відхилення і характері варіабельності характеристик ?r. Рівень ?r характеризує крутість ФЧХ і значення характеристичної частоти судинної системи ?р. Розглянуто особливості і переваги визначення стану за сукупним комплексним аналізом змін параметрів АС, ?rГ, ?rФ, ЧСС і форми сигналів при багатоканальній фазовій спектрометрії. З метою визначення можливостей порівняльної діагностики стану однойменних органів, наприклад кінцівок, підтвердження залежності показників параметрів ФС від стану судинної системи, а не лише від режиму роботи серця, можливості відокремлення впливу серцевого і судинного компонентів досліджувались параметри ФС на основі багатопозиційних вимірювань відносно сагітальної площини тіла людини (один із прикладів наведено на рис. 10). На рис. 10 очевидні відмінності судинних систем кінцівок. Це проявляється у різному характері коливальних складових, різному рівні параметрів ?r і їх співвідношенні на різних гармоніках. Радикально відмінним є характер параметрів при навантаженні однієї кінцівки; під час тестування характер динаміки ?r лівої руки майже не змінився, в той час як динаміка змін ?r правої кінцівки визначена радикально (вона показана на рис. 8). На рис. 11 наведені характерні приклади різновидів часової динаміки параметрів ?r (фрактали спектрів) різних людей у спокійному стані. Вони характеризують можливості визначення різновидів (кластерів) станів напруженості ВНС і ССС. На рис. 11 а змінюваність ?r простежується слабо, що характеризує значну напруженість ВНС. На рис. 11б навпаки простежується дуже мінлива динаміка параметрів ?r у спортсмена (пауерліфтинг). На рис. 11в наведені характеристики ?r людини у стані передхвороби. Простежується нетипова варіабельність ?r без визначеності періодичності коливальних складових (надзвичайно сильна аритмія); на рисунку простежується лише крива ?rФ2 для 2-ї гармоніки, а рівні ?rФ для інших гармонік виходять за межі типового поля визначеності ?rФ. Це свідчить про надзвичайно високу аномальну крутість ФЧХ судинної системи. Оцінено чутливість запропонованих часових параметрів ?rГ і ?rФ ФС шляхом порівняння з традиційними методиками і критеріями пульсової діагностики. Для порівняння обрано три найбільш відомих показники, які характеризують режим роботи серця і стан тонусу судинного русла, а саме: 1) ЧСС; 2) часовий показник судинного тонусу (ЧПСТ), який обчислюється як а1/а2, де а1 –проміжок часу від початку крутого підйому анакроти до точки її максимальної крутості, а2, – проміжок часу від точки максимальної крутості підйому анакроти до її верхівки; 3) показник судинного тонусу (ПСТ), який обчислюється як (а1+ а2)/b, де b –тривалість катакроти. Кількісними показниками порівняння запропоновано використовувати коефіцієнт варіабельності тренда (КВТ) та коефіцієнт варіаційного розмаху (КВР). Значення КВТ обчислювалось як відношення максимального до мінімального рівня тренда протягом тривалості тестування. Значення КВР обчислювалось як відношення максимального значення рівня параметра до мінімального. Встановлено, що в умовах, коли немає прямої дії на судинну систему, чутливість нових параметрів ?rГ і ?rФ сумірна із відомими або вища. Коли ж має місце безпосередня механічна дія на судинну систему (наприклад, напруженість м’язів) зміни цих параметрів від 10 до 70 разів більші за відомі. , для якої вірно – одинична матриця. Принагідно зауважимо, що функції CoRex(n,t) відрізняються від функцій Rex(n,t) тим, що signCoREXw(n,t) = wal(n,t). Досліджено діагностичні можливості нормалізованого ортогонального перетворення, запропоновано процедуру нормалізації. Для кількісної оцінки змін спектрів пульсограм при різних станах судинної системи в дисертації запропоновано використовувати коефіцієнти трансформант нормалізованих ортогональних перетворень, які визначаються як (9) де під (іAі позначено діюче значення і-ї трансформанти, ( – діюче значення тестового сигналу. Розроблено алгоритм знаходження цих коефіцієнтів. Показано, що коефіцієнти трансформант дозволяють здійснювати оцінку спотворень досліджуваного сигналу відносно вихідного тестового сигналу. У сьомому розділі розроблено часові і частотні критеріальні основи просторової кореляційно-спектральної осцилометрії для завадостійкого і необтяжливого визначення та моніторингу артеріального тиску. З урахуванням результатів моделювання гемодинамічних процесів у навантаженій артерії під оклюзійною манжетою (розд. 2) запропоновано принципово новий підхід до визначення АТ і розроблено новий метод просторової кореляційно-спектральної осцилометрії. Він полягає у процедурі кореляційно-спектрального порівняння двох просторово рознесених пульсових сигналів: основного вимірювального, що реєструється дистальніше (нижче) манжети, і неспотвореного опорного, що реєструється або проксимальніше (вище) манжети, або з іншого органу. Критерії визначення момент(в часу, в які тиск в манжеті відповідає параметрам АТ, базуються на аналізі змін параметр(в нормовано( взаємокореляційної функції (ВКФ) b(?)=cov[S1(t),S2(t – ?)]/(?1?2), де S1(t), S2(t) – основний вимірювальний і опорний пульсові сигнали; (1, (2 – середньоквадратичні відхилення цих сигнал(в; ( – інтервал їх кореляції. Вихідні положення щодо цих критеріїв ґрунтуються на врахуванні гідродинамічних процесів у кровоносній судині в різні фази оклюзії. Вони такі. Коли тиск Pм в манжеті менший за діастолічний (Pм  Pсис), кровоток дистальніше місця компресії відсутній
і сигнал в основному каналі не містить пульсових складових. Присутні
можуть бути тільки шуми і завади, які некорельовані із опорним сигналом
(maxb(?) ( 0). Під час часткової оклюзії в процесі декомпресії
(Рдіас 

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020