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 < 2? , (1) де ? – кутова частота, n – ціле число, ?0 – залишок постійної складової ФЧХ. Параметр ? має розмірність часу, характеризує лінійну складову ФЧХ і залежить від способу її визначення. Будемо шукати таке визначення ?, яке відповідає оцінці ? = Т часу поширення сигналу в ДО за максимумом кореляції між вхідним s1(t) і вихідним s2(t) сигналами. В частотній області, враховуючи теорему Релея, воно відповідає умові (2) де S1(?) і K(?) – частотні залежності модуля спектральної функції вхідного сигналу і модуля коефіцієнта передачі ДО. При незначній нелінійності досліджувану ФЧХ можна представити геометрично (рис. 1). Тут реальна ФЧХ смужного ДО представлена суцільною кривою, а прямі відображають її апроксимацію при різних варіантах визначення часу Т поширення сигналу. Зокрема: лінія 1 відповідає часу поширення Т1 обвідної сигналу і дає апроксимацію реальної кривої ФЧХ у робочій смузі частот ДО за мінімумом середніх квадратів; лінія 2 дає час поширення Т2 за максимумом інтегралу (2); лінія 3 також відповідає загальному визначенню (2), але доданок ?0+2?n в аргументі косинуса збережений. Якщо ?0 ? 0, то для даного смужного пропускаючого об’єкта час Т2 поширення сигналу відрізня-ється від часу Т1 поширення обвідної, що необхідно враховувати; для визначення Т2 необхідно максимізувати (2) лише по Т, вважаючи (і забезпечуючи) ?0 = 0; при визначенні часу поширення обвідної Т1 необхідно додатково встановлювати таке значення ?0, при якому інтеграл (2) досягає максимуму максиморуму. Аналіз рівняння (2) дозволяє зробити висновок, що час поширення сигналу і міра його спотворень у ДО залежить також і від АЧХ ДО та спектральних характеристик самого сигналу. Для їх визначення принципово необхідно знати нерівномірність АЧХ і нелінійність ФЧХ в усій робочій смузі частот ДО, а для виключення залежності від АЧХ сигналу доцільно використовувати зондувальний сигнал з рівномірним АС (S1(?) = const) у цій смузі частот. Після знаходження прямої, що апроксимує нахил ФЧХ (відповідно з одним із вказаних вище визначень), час поширення сигналу (або його обвідної) обчислюється за формулою T = ??/??, де ?? –приріст лінійної складової ФЧХ в межах робочої смуги частот (?? = ?2 – ?1) ДО. При значній нелінійності ФЧХ, а також при невзаємності трактів передачі сигналів, для визначення стану об’єктів використовують частотну залежність ГЧЗ: ТГ(?) = d? (?)/d? = T + ?н(?). В дисертації досліджено вплив нелінійності ФЧХ і нерівномірності АЧХ на точність визначення ГЧЗ. За цим аналізом, а також аналізом літературних джерел встановлено, що постійна складова Т ГЧЗ, як правило, не може бути використана для нормування характеристик ДО, оскільки вона визначається досить грубо внаслідок вузькосмуговості вимірювальних сигналів. Нелінійність ГЧЗ ?н(?), яка й донині є основним параметром ФЧХ для оцінки і нормування фазових спотворень сигналів у каналах зв’язку, не завжди може задовольнити сучасні вимоги щодо визначення стану каналів зв’язку, оскільки: а) при визначенні ГЧЗ втрачається інформація про значення ?0; б) при нормуванні рівня фазових спотворень за відхиленнями ГЧЗ необхідно визначати не лише відхилення ГЧЗ від лінійного закону, а й частоту його „коливальності”; в) при знаходженні нелінійності ФЧХ шляхом інтегрування характеристики ГЧЗ має місце накопичення похибки. Отже, у загальному випадку, коли фазові спотворення значні, оцінювати істинний час поширення сигналу можна лише за максимумом інтегралу (2) при прямому визначенні параметрів ФЧХ. , одержаними на трьох частотах. Враховуючи привабливість такого підходу з точки зору оцінювання ЧХ неоднорідних об’єктів, в дисертації моделюванням досліджено ступінь спотворення годографа неоднорідністю тканини. Встановлено, що: 1) при наявності неоднорідності в біотканині частотний розподіл годографа спотворюється; ступінь цього спотворення залежить від рівнів і співвідношень опорів зовнішньоклітинного і внутрішньоклітинного рідинних об’ємів; 2) варіації ємності мембрани призводить до значних змін параметрів і форми годографа, виникнення провалу, який спостерігається, насамперед, в області відносно низьких частот (десятки і перші сотні кГц); 3) попадання середньої частоти визначення імпедансу в область провалу призводить до значного погіршення результатів відтворення частотної залежності імпедансу. Показано, що при застосуванні тричастотного методу для оцінювання наявності неоднорідності слід дотримуватись таких рекомендацій: а) середню вимірювальну частоту вибирати з верхнього частотного діапазону розподілу; б) для оціночного визначення наявності спотворень годографа необхідно додатково до трьох частот додавати принаймні ще декілька вимірювальних частот в нижній частині частотного діапазону. Для встановлення взаємозв’язку між фізіологічним станом органів і систем людини і ЧХ її судинної системи та спектральними розкладами пульсових сигналів, визначення нових функціонально значущих діагностичних показників ЧХ цієї системи, часових і спектральних параметрів пульсових сигналів, виконано електричне моделювання гемодинамічних процесів у судинній системі. Запропоновано уточнені електричні моделі ненавантаженої (рис.2) і навантаженої (рис. 3) ділянок судинної системи, в яких U1 і U2 – напруги, що еквівалентні пульсовому тиску на вході і виході обраної ділянки, а U3 – напруга зміщення діода, що відповідає зовнішньому тиску на судину (тиску в манжеті). В моделі ненавантаженої ділянки артеріальної системи враховано вплив інерційності крові введенням активного опору артеріальної ділянки Ra, а сукупний вплив периферичної судинної системи враховується введенням активного периферичного опору Rп. В цьому випадку залежності АЧХ –К(?) і ФЧХ–?(?) комплексного коефіцієнта передачі ділянки визначаються як , (4) де К0 = Rп/(Ra + Rп) – модуль комплексного коефіцієнта передачі на нульовій частоті; m = Ra/Rп; ? – ?оточне значення кутової частоти; ?а = Lа/Ra – стала часу артеріальної ділянки (Lа – індуктивність артеріальної ділянки); l – довжина ділянки, v – швидкість поширення ПХ. На характеристичній частоті ?р, яка визначається за умов ?р =?0(1 + m)1/2 =v(1 + m)1/2/l, де ?0 = v/l – власна кутова частота обраної ділянки, ФЧХ має значення –?/2. В околі цієї частоти АЧХ може мати підйом. На рис. 4 наведено приклади залежностей К(?) і ?(?) для різних значень v і m. Розрахунки виконано для типових значень параметрів крові ? = 1050 кг/м3 і ? = 0,005 Па·с, середнього радіусу артерії ra = 2,5 мм і довжини ділянки l = 1 м. Видно, що за певних умов має місце підйом (максимум) АЧХ, рівень якого залежить від m і v. Частота максимуму визначається як ?м= [v2/l2 – m2?a2v4/(2l4) – –1/(2?a2)]-1/2. При m > 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 < 1 на початковій ділянці до ? = ?p ФЧХ опукла, а в області частот ? > ?p вона завжди вгнута. Таким чином, при m < 1 на частоті ?p ФЧХ має точку перегину функції і максимальну крутизну. При m < 1 підйом АЧХ тим більше визначений, чим меншим є значення m і чим більшим є значення швидкості поширення пульсової хвилі v. Отже якісними і кількісними діагностичними показниками і параметрами, що характеризують стан судинної системи є: а) наявність або відсутність підйому АЧХ, його рівень; б) характер нелінійності ФЧХ (вгнутість, вигнутість, лінійність, наявність або відсутність точки перегину; в) значення частот ?p, ?м і їх динаміка; г) крутість ФЧХ. Вони дозволяють оцінити вплив ЧХ судинної системи на параметри спектрів пульсових сигналів і інтерпретувати емпіричні діагностичні результати, які одержані за спектральним аналізом ПХ. За результатами аналізу зроблено ряд суттєвих зауважень щодо обмежень поширених методів контурного та варіаційно-контурного аналізу при визначенні фізіологічного стану за показниками форми ПХ. По-перше, на відміну від існуючих уявлень про згладжування периферичної ПХ відносно центральної, встановлено, що внаслідок дисперсійних властивостей ЧХ судинної системи існують ситуації, коли навпаки, залежно від сукупності значень різних параметрів (l, m, v, і частоти серцевих скорочень – ЧСС), співвідношення амплітуд і фаз гармонік є таким, що форма периферичної ПХ стає більш вираженою зі збільшенням глибини інцизури і підвищенням рівня дикротичної хвилі, крутості анакроти та прояву „хвильок”. По-друге, при контурному аналізі, зазвичай, не враховується залежність форми ПХ від ЧСС. Проте, навіть при незмінному стані серцевої системи (незмінній формі пульсового сигналу на виході лівого шлуночка і в аорті) та судинної системи, зміни амплітуд і початкових фаз гармонік залежать від ЧСС. Враховуючи це, сформульовано нове правило: при незмінній формі кривої центрального пульсу форма кривої периферичного пульсу обумовлюється АЧХ і ФЧХ судинної системи і значенням частоти серцевих скорочень. Також сформульовано наслідки, які випливають із нього і які визначають обумовленість форми ПХ та залежність виміряного часу поширення ПХ від впливу ЧСС. Виконано аналіз впливу частотних спотворень у судинній системі на похибку визначення часу і швидкості поширення ПХ. Встановлено, що при визначенні швидкості поширення ПХ класичним методом за вимірюванням часового зміщення характерних точок анакрот центрального і периферичного пульсів, відносна похибка вимірів може становити 30–40 % і більше. Забезпечити більш високу точність неможливо без урахування спотворень пульсового сигналу, обумовлених нерівномірністю АЧХ і нелінійністю ФЧХ судинної системи. Отже, необхідний подальший розвиток методології визначення цих параметрів ЧХ. За результатами електричного моделювання судинного русла досліджено обмеження і додаткові діагностичні можливості визначення параметрів пульсового тиску в різних судинних руслах при моніторингу. Оскільки опір кровоносної судини є комплексною величиною, необхідно розглядати окремо постійну і змінну складову тиску. В фізіологічних термінах це є, відповідно, середній (середньодинамічний) тиск – Рсер і пульсовий тиск (різниця між систолічним Рсис і діастолічним Рдіас тисками) – Рп. Рівень і характер змін параметрів АТ залежать від рівнів опорів артерії Ra і ?La , їх співвідношення з рівнем периферичного опору Rп , тобто, зрештою, від геометричних розмірів і фізичних властивостей кровоносних судин і крові. Така інтерпретація моделі не тільки пояснює явища змін параметрів тиску, але й розкриває нові діагностичні можливості визначення тиску одночасно у великих і дрібних судинах. З’являється можливість дати оцінку тонусу судин і значенню периферичного опору. Із застосуванням моделі (рис.3) проаналізовано особливості процесів кровотоку в навантаженій судині, що підлягає оклюзії, зроблено важливі уточнення щодо існуючих підходів стосовно такого моделювання і уявлень про кровоток. Вони такі. 1. Ділянку судини під компресійною манжетою необхідно розглядати, враховуючи інерційні і в’язкісні властивості крові. Тому прямий опір діода, що моделює вплив компресійної манжети на артерію, не є чисто активним і його треба представляти як суму активної Rд і реактивної (індуктивної) ?Lд складових. 2. Оскільки поперечний перетин судини змінюється зі зміною зовнішнього тиску, параметри Rд і Lд також параметрично змінюються. 3. Вихідна напруга, яка є аналогом пульсацій тиску в судині, являє собою сигнал складної форми (суму багатьох гармонік) і представлення її синусоїдою, як це розглядалося раніше, є грубим спрощенням. Ці уточнення є основою нового напрямку завадостійкого визначення параметрів АТ шляхом порівняння спектральних параметрів (кореляційної спектрометрії) двох просторово рознесених пульсових сигналів. Також обґрунтовано підходи до моделювання об’єктів при розв’язанні прямої і оберненої задач імпедансної томографії на основі методу скінченних елементів при застосуванні теорії кіл і електродинаміки, розглянуто моделі сигналів і об’єктів, що використовуються при визначенні часових і частотних параметрів, моделі сигналів і систем просторової часової і фазової синхронізації. Третій розділ присвячений розвитку методологічних основ формування сигналів порівняння у багатопозиційних системах визначення часових і частотних параметрів просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктів, враховуючи що такі системи мають забезпечувати вимірювання абсолютної різниці фаз рознесених сигналів з похибками не більше 1-2° при розмірах об’єктів від десятків сантиметрів до десятків кілометрів. Запропоновано 5 нових систем фазової синхронізації сигналів. Виконано аналіз встановлення в часі синхронізму рознесених сигналів, за яким визначено похибки фазування і розроблено концепцію підвищення точності фазової синхронізації. Процес встановлення синхронізму у віддаленому пункті описується рівнянням (5) де T1(t) і T2(t) – часові процеси вихідних сигналів задавального і віддаленого веденого пунктів; ?2(t) – нормована частота сигналу віддаленого пункту; К – ваговий коефіцієнт; F2(p) – функція петльового фільтра віддаленого пункту; N4(t) і N5(t) – компоненти, що характеризують шум в паралельних прямому 4 і зворотному 5 каналах передачі сигналів синхронізації, а ?4 і ?5 – час затримки сигналів у цих каналах. Згідно з розв’язком цього рівняння (для фазових співвідношень Ф1(t) і Ф2(t) відповідно сигналу задавального генератора і вихідного сигналу у віддаленому пункті) похибка фазування має чотири складові: 1) похибку ??5,4=(Ф5–Ф4)/2 внаслідок нерівності електричних довжин Ф5 і Ф4 каналів; 2) похибку фазового детектування сигналів (вимірювання часу) ??ВЧ/2; 3) шумову похибку ??ш/2 внаслідок наявності теплових шумів каналів передачі сигналів; 4) похибку (промах на ?) внаслідок синфазного або протифазного фазування (n?). Для підвищення точності фазування розроблено методологію вирівнювання та стабілізації електричних довжин прямого і зворотного каналів передачі сигналів синхронізації і забезпечення кратності цих довжин величині ?. При цьому значення ??5,4 становить долі градусів, якщо розв’язка між входами фазового детектора і співвідношення сигнал/завада на його входах більші 40 дБ. Це також стосується і складової ??ВЧ /2. Оскільки система фазування працює на фіксованій частоті і на входах фазових детекторів (ФД) встановлюються вузькосмугові фільтри, складові N4(t) і N5(t) характеризують вузькосмуговий нормальний шум. У цьому випадку максимальна шумова похибка вимірювання різниці фаз оцінюється як ??шimax = arctg(Ni/Ai), а середньоквадратична похибка фазування становить ??ф ? N/2A (при N4 = N5 = N << А), де А – амплітуда корисного сигналу. При відношенні сигнал/шум у 40 дБ сумарна шумова середньоквадратична похибка фазування становить 0.3°. Забезпечення однозначності фазування (виключення промаху на ?), підвищення його точності у високочастотній області спектра, виключення впливів нестабільності порогів запуску і режиму роботи генераторів досягається запропонованим принципом багатошкального фазування з використанням багаточастотних сигналів генераторів гармонік. Розглянуто особливості багатопозиційної синхронізації. Встановлено, що найбільш перспективними є різновиди методу сумарно-векторного фазування, суть якого полягає у виділенні в кожному пункті вздовж загального каналу зв’язку зустрічно поширюваних сигналів, вирівнюванні їх амплітуд і підсумовуванні. На підставі аналізу методичних похибок фазування сформульовано принципи побудови систем сумарно-векторного фазування: 1) канальна частина системи має бути побудована з використанням двох окремих ідентичних ліній зв’язку (ЛЗ); 2) слід забезпечувати сталу різницю фаз ?1 і ?2 (фазову синхронізацію) сигналів задавальних генераторів, розташованих на протилежних кінцях каналів передачі зустрічно поширюваних сигналів; 3) необхідно вибирати такі точки виділення сигналів (або забезпечувати відповідні довжини ліній зв’язку між пунктами фазування), щоб різниця фаз сигналів, що виділяються з ліній, була максимально наближеною до нуля (2?); 4) необхідно забезпечувати відповідну фазову ідентичність і стабільність ЛЗ. Для збільшення просторового рознесення пунктів фазування розроблено методологію фазування рознесених сигналів із можливістю застосування для передачі сигналів синхронізації невзаємних неідентичних і нестабільних за електричними довжинами прямого і зворотного каналів із підсилювачами. Запропоновано варіанти вимірювання різниць фаз сигналів в проміжних пунктах цих каналів, де встановлюються підсилювачі, та алгоритми підсумовування виміряних різниць фаз для забезпечення режиму фазування шляхом зміни електричних довжин каналів. На основі цього розроблено принципи побудови нових систем фазування з використанням двох підходів: а) з вирівнюванням електричних довжин прямого і зворотного каналів і б) без вирівнювання цих довжин. Згідно з першим підходом ідентичність електричних довжин каналів встановлюється і стабілізується на основі запропонованого алгоритму підсумовування різниць фаз сигналів, виміряних по діагоналі між точками під’єднання входів і виходів підсилювачів до пасивних ділянок каналів зв’язку. В результаті при збереженні точності фазування просторове рознесення пунктів фазування збільшується не менше, ніж у тричі. Необхідність створення багатопунктових систем фазування підвищеної точності обумовлює доцільність розробки систем, реалізація яких передбачає використання якомога меншої кількості блоків і петель зворотного зв’язку в колах авторегулювання, можливість створення довільної конфігурації системи при нарощуванні кількості пунктів. Краще це забезпечується при використанні запропонованих інших варіантах визначення різниць фаз і алгоритмів підсумовування вихідних сигналів ФД, які дають можливість фазування сигналів без вирівнювання електричних довжин активних ділянок (підсилювачів) прямого і зворотного каналів передачі сигналів синхронізації. За цим підходом розроблено дві нові системи фазування – з чотирма і двома ФД. Еквіва-лентна схема варіанту системи з двома ФД наведена на рис. 5. В системі виконується умова 2(Ф3,4+Ф10+Ф5,6)= 2?n, де Ф3,4, Ф5,6, Ф10, – електричні довжини відповідних ЛЗ і підсилювача 10, тобто фази сигналів SA(t) і SБ(t) кратні ?. Цей принцип фазування дозволяє здійсню-вати довільне нарощування кількості пунктів фазування сигналів і створювати їх сітку, незалежно розгалужену у будь-яких напрямках. Також проаналізовано особливості одержання сигналів порівняння при пульсовій функціональній діагностиці стану системи гемодинаміки. Традиційно при вимірюванні за опорний сигнал обирається пульсограма сонної артерії. Але, як видно із результатів аналізу в розділі 2, внаслідок того, що фактично вимірювання здійснюються за порівнянням спектральних характеристик пульсових сигналів різних регіональних ділянок судинної системи, параметри ЧХ яких у загальному випадку є незалежними і можуть різноспрямовано змінюватись при зовнішніх і внутрішніх фізіологічних впливах, сигнал пульсу сонної артерії можна лише умовно вважати опорним. Інтерпретація стану судинних ділянок за станом ЧХ в цьому випадку ускладнена. Тому сигналами порівняння мають бути пульсові сигнали, що реєструються на початку ділянки судинної системи, що досліджується. При оцінюванні стану судинної системи за параметрами лише периферичної ПХ запропоновано використовувати такі параметри порівняння. Зміни АС слід оцінювати у відносних одиницях – до рівня першої гармоніки. Для діагностичної оцінки стану гемодинаміки за ФС слід виконувати аналіз нелінійної складової ФС. Для виділення її запропоновано використовувати методику приведення фаз інших гармонік до початкової фази одної з них, наприклад першої, яка була розроблена для оцінки нелінійності ФЧХ технічних об’єктів і описана в розділі 1 дисертації. У разі визначення параметрів тиску на основі запропонованого методу просторової кореляційно-спектральної осцилометрії опорний сигнал порівняння одержується або вище від манжети, або із іншого органу. Четвертий розділ присвячений розробленню методології підвищення точності, швидкодії і розширення функціональних можливостей просторових багаточастотних і багатоканальних систем фазометрії і спектрометрії. Запропоновано 4 нових варіанти реалізації модифікованого методу спектрометрії. Також розвинена теорія фазового детектування, на основі якої розроблено новий спосіб і засіб швидкого вимірювання різниці фаз. Проаналізовано похибки визначення параметрів при застосуванні модифікованого методу спектрометрії. Встановлено, що методичні похибки визначення параметрів АЧХ і ФЧХ та часу поширення обумовлені неідентичністю АС і ФС і похибками фазової синхронізації тестового і копії тестового сигналів, частотними спотвореннями вимірювального сигналу в ДО. Дослідження щодо можливості формування багаточастотних сигналів з ідентичними АС і ФС показують, що похибки визначення нерівномірності АЧХ становлять долі дБ; нелінійності ФЧХ – одиниці і долі градусів. Потенційно досяжна точність (невизначеність) просторової фазової синхронізації на частоті синхросигналу становить 1–1.5°. Це є задовільним для більшості застосувань. Похибки через частотні спотворення обумовлені впливом нерівномірності АЧХ і нелінійності ФЧХ ДО на форму вихідного сигналу. Внаслідок цього обвідні вихідного і копії тестового сигналів відрізняються і їх "центри тяжіння" не співпадають навіть при визначенні нелінійності ФЧХ. Для зниження цього впливу і підвищення точності і швидкодії методу, а також розширення функціональних можливостей, запропоновано новий підхід, заснований на спектрометрії вимірювального сигналу відносно двох опорних сигналів, які є копією тестового зондувального. Один із опорних сигналів синхронізується з вимірювальним за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення одержуваної нелінійності ФЧХ від її лінійної складової (забезпечується збіжність „центрів тяжіння” цих сигналів). Другий опорний сигнал синхронізується у часі з тестовим сигналом. Узагальнена схема цього варіанту реалізації методу наведена на рис. 6. У початковому стані, при синхронному режимі роботи аналізаторів спектра 4 і 5, блок обчислення параметрів 6 визначає нелінійність ФЧХ з лінійним частотним трендом ??Т = ?Т?, обумовленим незбіжністю центрів тяжіння сигналів SВ(t–T) і SКТ(t–T). Маємо ?БОП(?)  = ?Т? + ?нДО(?), де ?нДО(?) –частотна залежність нелінійності ФЧХ ДО. Блок 6 формує сигнал керування, під впливом якого величина затримки ?9 сигналу запуску формувача 10 змінюється до забезпечення мінімуму значення ?БОП(?), тобто . (6) Після завершення перехідних процесів маємо ?9 = Т і значення Т визначається або за значенням затримки ?9, або вимірювачем 8 часу запізнювання. Інший варіант вимірювань передбачає алгоритмічне визначення поправок при одержанні параметрів ЧХ. В цьому випадку блок 6 є обчислювальним засобом, який забезпечує визначення лінійного тренда ?Т = ?Т? нелінійності ФЧХ з наступним виключенням його впливу на нелінійність ФЧХ і додаванням до значення нахилу лінійної частини ФЧХ, виміряного блоком ВЧЗ 8. Ці поправки ??0 (для нелінійності ФЧХ) і ?Т (для часу поширення) обчислюються як . Проаналізовано особливості оброблення вимірювальної інформації в багаточастотних дискретних характеріографах. Обґрунтовано методику визна-чення нахилу лінійної частини ФЧХ, запропоновано методику її виключення при визначенні нелінійності ФЧХ та компен-сації постійної складової ?0. ?   " 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 < Pдіас), сигнали в обох каналах практично збігаються за формою і мають сильний кореляційний зв’язок (maxb(?) ( 1). Коли тиск в манжеті більший за систолічний (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 < Рм < Рсис) кровоток дистальніше манжети поступово відновлюється до норми. При цьому кореляційний зв’язок між сигналами основного і опорного каналів поступово збільшується і maxb(?) монотонно зростає від 0 до максимального значення, близького до одиниці. Отже, момент tcиc (момент появи перших пульсацій основного вимірювального сигналу) можна визначити, як момент початку зростання ВКФ. Момент tд(ас, в який Рм = Рд(ас, визначається, коли нормована ВКФ перестає зростати. Для підвищення точності і достовірності визначення параметрів АТ запропоновано використовувати також інші нові критерії зв’язку просторово рознесених пульсових сигналів. Ці критерії отримуються за аналізом зміни у час( автокореляційної функції (АКФ) вимірювального і опорного сигналів, бічних максимум(в АКФ і ВКФ (як( ( наслідком майже періодичної форми пульсових сигналів), дійсної ( уявно( частин взаємного спектра сигнал(в основного ( опорного канал(в, лінійності зв’язку сигналів за допомогою функції когерентності (зокрема на гармоніках ЧСС), залежності ЧХ уявного кола передачі між точками реєстрації рознесених вимірювального і опорного сигналів. Запропоновано 5 нових способів визначення параметрів АТ, заснованих на використанні цих критеріїв. Верифікація запропонованого методу і критеріїв визначення параметрів АТ здійснювалась шляхом експериментальних випробувань розробленого зразка завадостійкої системи визначення АТ. В нормальних умовах (при помірних артефактах) загальна відносна похибка визначення параметрів тиску становила не більше 4 % (для АТ у 120 мм рт. ст.), що задовольняє вимогам міжнародних стандартів. В однакових умовах штучно створених завад і артефактів система забезпечувала надійні результати у 82 % випадків, в той час коли інші пристрої провідних фірм демонстрували або повну непрацездатність (Omron), або низьку надійність - 55 % (Matsushita). Завадостійкість запропонованого методу і валідність даних, отриманих за допомогою розробленої системи визначення АТ, були підтверджені в процесі ергометричної проби на ергометрі “тредміл” Jaeger L-500 у Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту. При цьому вперше неінвазивно був визначений АТ в екстремальних умовах ходьби, інтенсивність якої відповідала потужності до 475 Вт. В експерименті розроблена система продемонструвала працездатність у 79 % випадків, в той час, коли застосування існуючих засобів провідних фірм взагалі неможливе. Для усунення недоліків оклюзійних методів визначення АТ (довготривалість і обтяжливість процедури внаслідок оклюзії) виконано подальший розвиток методу просторової кореляційно-спектральної осцилометрії. Запропоновано процедуру визначення АТ, відмінність якої полягає у тому, що в її основу покладено ідею кореляційно-спектрального порівняння вимірювального сигналу з опорним, але попередньо переведеним у розмірність АТ та обмеженим відповідно до рівня оклюзійного тиску. Це дозволяє забезпечити визначення тиску при частковій оклюзії, знизити тривалість процедури (гранично в межах тривалості декількох періодів пульсового сигналу) і оклюзійне навантаження. Доведено можливість штучного переводу опорного сигналу в розмірність тиску з похибками, які задовольняють вимогам стандартів визначення тиску. У додатках описано характеристики розроблених засобів, результати їх використання і впровадження, надані окремі результати досліджень, які не включені в основну частину дисертації. ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ В дисертації вирішена проблема підвищення точності і швидкодії одержання часових і частотних параметрів при визначенні структури, складу та функціонального стану просторово розвинених динамічних об’єктів різної фізичної природи. Проблема вирішена на основі введення нових часових і частотних параметрів та критеріїв оцінювання стану просторово розвинених технічних, природничих і біологічних об’єктів, розвитку існуючих і розроблення нових методів та просторово розвинених систем швидкісної широкосмугової ампліфазометрії, амплітудної і фазової спектрометрії. Ефективність розроблених методів та засобів підтверджена реалізацією на їх основі вимірювально-діагностичних технологій і систем оцінювання стану технічних і біологічних об’єктів, які пройшли успішні випробовування і впроваджені у провідних організаціях України й Росії. Результати дисертації впроваджені також у навчальний процес. Розроблені в дисертації основи побудови вимірювальних систем підвищеної точності й достовірності можуть і надалі використовуватись при розробці нових засобів визначення місцезнаходження нерухомих і рухомих об'єктів, характеристик трактів передачі сигналів, стану навколишнього середовища, структури і пошарового складу об'єктів, створення сучасних радіоелектронних енергетичних комплексів тощо. Основні результати роботи та висновки з них такі. 1. За розглядом відомих електричних моделей просторово розвинених технічних, природничих і біологічних об'єктів (як трактів передачі електричних сигналів) та запропонованих нових уточнених електричних моделей судинної системи (як тракту передачі хвилі тиску) проаналізовано процеси поширення сигналів через такі об'єкти, розроблено часові і частотні критеріальні основи визначення структури, складу і функціонального стану об'єктів. 2. На основі фізичної інтерпретації нахилу лінійної частини і відхилень нелінійності ФЧХ сформульовано умови максимальної точності визначення часу поширення і фазових спотворень широкосмугового сигналу в ДО за багатопараметричним критерієм максимального кореляційного зв’язку вихідного і вхідного сигналів ДО, запропоновано методологію визначення параметрів ЧХ об'єктів і обґрунтовано вимоги до характеру обвідної спектра тестового сигналу. 3. Доведено, що з точки зору швидкого визначення часових і частотних параметрів просторово розвинених невзаємних об’єктів перевагу мають системи, що базуються на методах імпульсної (при тестовому контролі технічних, природничих і біологічних об’єктів) та пульсової (при функціональному контролі біологічних об’єктів) амплітудної і фазової спектрометрії. 4. Розвинено теорію і практику фазування сигналів з підвищеною точністю при збільшеному просторовому рознесенні пунктів їх формування та розроблено принципи побудови багатопозиційних автономних систем фазової синхронізації. Запропоновано нову методологію фазування при використанні невзаємних каналів передачі сигналів синхронізації на основі: а) вирівнювання і стабілізації електричних довжин підсилювачів прямого і зворотного каналів; б) без вирівнювання цих довжин. В результаті вперше забезпечено можливість фазової синхронізації сигналів при використанні каналів зв'язку з нестабільними і неідентичними за електричними довжинами підсилювачами. Порівняно з існуючими системами це дозволяє втричі збільшити просторове рознесення сусідніх пунктів фазування. Розроблено принципи побудови нових систем фазової синхронізації підвищеної точності, збільшеного просторового рознесення й довільного нарощування кількості пунктів синхронізації. Обґрунтовано особливості вибору та формування сигналів порівняння при пульсовій ампліфазовій спектрометрії. 5. Розроблено основи прямого швидкого визначення параметрів повної ФЧХ, часу поширення, амплітудних і фазових спотворень широкосмугових сигналів у просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктах, а саме: розроблено модифікований метод спектрометрії, заснований на спектрометрії вихідного сигналу ДО відносно опорного сигналу, сформованого у віддаленому пункті на виході ДО як копія вхідного зондувального сигналу; розроблено методологію частотної і фазової синхронізації цих сигналів. На відміну від існуючих методів, розроблений метод забезпечує пряме швидке визначення параметрів повної ФЧХ просторових невзаємних об’єктів, у тому числі й об'єктів із зсувом частоти. Для подальшого підвищення точності і швидкодії визначення параметрів та розширення функціональних можливостей систем запропоновано методологію спектрометрії відносно двох опорних сигналів. 6. Для подолання обмежень методів резистивної імпедансометрії і резистивної імпедансної томографії щодо швидкого неруйнівного визначення локального та пошарового складу об'єктів як діелектричних структур із втратами розвинено методологію імпедансометрії на основі широкосмугової ампліфазометрії. Розвинено теорію і практику швидких багатоканальних вимірювань при визначенні частотних залежностей усіх параметрів (модуля, активної і реактивної складових) комплексного електричного імпедансу в розширеній смузі частот: оцінено похибки та обґрунтовано умови забезпечення задовільної точності одержання параметрів імпедансу на основі ампліфазометрії, визначено необхідну чутливість і точність вимірювань амплітуд і фаз сигналів при багатопозиційній імпедансній томографії комплексного електричного імпедансу. 7. Показано, що тричастотний метод вимірювань, який використовується для визначення ЧХ однорідних біологічних об’єктів, у випадку неоднорідних об’єктів не забезпечує точне відтворення частотного годографа комплексного імпедансу в усій смузі частот. Тому для встановлення наявності неоднорідності необхідно здійснювати вимірювання принаймні ще на кількох частотах, а для достовірного визначення стану неоднорідних об’єктів – одержувати параметри ЧХ в усьому частотному діапазоні. 8. Обґрунтовано особливості оброблення вимірювальної інформації в швидкодіючих багаточастотних і багатоканальних фазових вимірювальних системах при одержанні параметрів ЧХ за багатопараметричним критерієм максимального кореляційного зв’язку вихідного і вхідного сигналів ДО. Розвинено теорію фазового детектування сигналів та запропоновано нові швидкодіючі спосіб і засіб вимірювання різниці фаз для визначення фазової структури радіоімпульсних сигналів. 9. Розвинено теорію та методологію визначення стану судинної системи за параметрами частотних характеристик її ділянок. Запропоновано уточнену електричну модель ділянки ненавантаженої судинної системи, яка одночасно враховує залежність проходження ПХ від інерційних та в’язкісних властивостей крові введенням активного і реактивного опорів артеріальної і активного опору периферичної ділянок судинної системи. З використанням моделі виконані дослідження і одержані наступні результати: аналітичні вирази для АЧХ і ФЧХ ділянки ненавантаженої судинної системи, встановлено взаємозв’язок між станом судинної системи та характером змін АЧХ і ФЧХ, визначено нові ефекти та якісні й кількісні діагностичні параметри, що характеризують цей стан, а саме: а) ефект наявності або відсутності підйому (максимуму) АЧХ, рівень підйому; б) ефект змінюваності характеру нелінійності ФЧХ і наявності або відсутності точки перегину; в) крутизна ФЧХ; г) значення характеристичної частоти ?р, і частоти максимуму АЧХ ?м та межі змін цих частот; вперше встановлено ефект залежності форми ПХ не лише від параметрів судинної системи, а й від частоти серцевих скорочень; сформульовано нове правило і визначено наслідки із правила, що характеризують цю залежність та її вплив на спектри і форму пульсових сигналів; досліджено вплив частотних спотворень пульсового сигналу в судинній системі на похибки визначення часу і швидкості поширення ПХ класичним методом за часом запізнювання характерних точок пульсового сигналу, надані рекомендації щодо підвищення точності визначення цих параметрів; досліджено взаємозв’язок хвилі пульсового тиску в різних перетинах судинного русла, встановлено обмеження і додаткові діагностичні можливості визначення параметрів тиску в різних точках судинного русла, зокрема, щодо оцінки тонусу судин і значення периферичного опору. 10.  Розроблено і верифіковано методологію пульсової спектрометрії на основі використання ортогональних перетворень пульсових сигналів з комплексним і дійсним ядрами, зокрема: запропоновано, досліджено і верифіковано методологію пульсової фазової спектрометрії при оцінюванні стану ССС і ВНС за визначенням часових і частотних (спектральних) параметрів ПХ; при цьому: а) розроблено підходи щодо одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу, досліджено похибки одержання ФС та встановлено, що потенційна точність пульсової фазової спектрометрії становить одиниці градусів при використанні перших п’яти-семи гармонік сигналу периферичного пульсу; б) для зниження впливу ЧСС при оцінюванні стану ССС і ВНС запропоновано використовувати нові часові параметри ?r ФС, еквівалентні приведеному груповому і фазовому часу запізнювання пульсового сигналу; в) надано інтерпретацію характеру залежності і динамічних змін часових параметрів ФС при різних тестових впливах, індивідуальних особливостях людей, визначеності стану стресу; г) показана можливість досягнення підвищеної точності і достовірності діагностики при багатоканальній фазовій спектрометрії і на цій основі – диференційної діагностики стану однойменних органів та відокремлення серцевого і судинного компонентів; д) доведено підвищену чутливість фазоспектральних критеріїв діагностики стану ССС відносно існуючих традиційних критеріїв контурного аналізу ПХ; е) показано, що інформація про форму нелінійної складової ФС периферичної хвилі дозволяє оцінювати динаміку характеристичної частоти ?р судинного русла, що складно виконати (або неможливо) традиційними методами контурного аналізу при спотворених пульсових кривих; розширено сферу використання АС для швидкого оцінювання стану вегетативного гомеостазу за часовою динамікою спектральних параметрів коротких реалізацій периферичної ПХ; розроблено основи аналізу пульсограм в ортогональних базисах із дійсним ядром з використанням функцій Уолша, та нещодавно запропонованих функцій REX і CoREX, а саме: розроблено процедуру нормалізації досліджуваного сигналу, встановлено можливості нормалізованого ортогонального оператора для діагностики; введено новий кількісний критерій – коефіцієнт трансформант, який забезпечує визначення відмінностей досліджуваного сигналу від сигналу, обраного за сигнал порівняння; доведено можливість оцінювання стану і динаміки його змін диференційно (за окремими амплітудами трансформант) та інтегрально (за коефіцієнтами трансформант); доведено, що контрольно-діагностичні методики на основі спектрального аналізу ПХ є інформативними для виявлення індивідуальних особливостей системи гемодинаміки людей та людей з явно визначеними патологіями ССС і ВНС; вони також дозволяють досліджувати стан і динаміку ССС і ВНС на перших стадіях змін у практично здорових людей та визначати стани "здоров’я" і "передхвороби" у випадках, коли інші методики, засновані на традиційних візуальному або контурному аналізі форми ПХ, є менш інформативними. 11. З використанням засад просторово рознесеної пульсової спектрометрії запропоновано новий метод просторової кореляційно-спектральної осцилометрії, розроблено і верифіковано часові і частотні критеріальні основи завадостійкого визначення параметрів кров’яного тиску. При цьому: а) введенням параметрично змінюваних активного і реактивного опорів уточнено електричну модель навантаженої ділянки судинної системи під компресійною манжетою, що дозволило розробити нову методологію визначення параметрів АТ; вона базується на принципово новому підході до одержання завадостійких часових і частотних критеріїв визначення АТ, що ґрунтується на використанні сигналу додаткового опорного пульсового каналу; запропоновані критерії є більш достовірними порівняно з існуючими емпіричними критеріями, оскільки ґрунтуються на чітко визначених процесах у системі гемодинаміки при оклюзії (для вимірювального сигналу) і без неї (для опорного сигналу); б) доведено переваги запропонованого методу відносно існуючих методів при визначенні параметрів тиску в умовах завад і артефактів підвищеного рівня, зокрема під час фізичного навантаження потужністю у сотні Вт, рівень якого не дозволяє здійснювати таке визначення жодним іншим існуючим непрямим методом і засобом; в) для усунення недоліків оклюзійних методів визначення АТ (довготривалість і обтяжливість процедури внаслідок оклюзії органу) запропоновано методологію осцилометрії, в основу якої покладено ідею кореляційно-спектрального порівняння вимірювального сигналу з опорним, але попередньо переведеним у розмірність АТ та обмеженим відповідно до рівня оклюзійного тиску. СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ За темою дисертації опубліковано 70 наукових праць, основними з яких є: 1. Шарпан О. Б. Нестабильность времени подготовки к запуску релаксационной ступени на лавинном транзисторе // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. – 1981. – № 18, – С.70–74. 2. Шарпан О. Б., Маглеванная Н. И. Фазирование многочастотных сигналов пространственно разнесенных генераторов гармоник // Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений). – 1983. – Т. 26, № 9. – С. 62–64. 3. Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Разборский В. А., Шарпан О. Б. Система фазирования многочастотных сигналов // Техника средств связи. Сер. РТ. – М.: –1984. – Вып. 1. –С. 58-61. 4. Дворский В. Я., Кусов Г. А., Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Очков Д. С., Рукунов В. Н., Шарпан О. Б. Радиоимпульсный фазометр // Приборы и техника эксперимента. – 1987. – № 1. – С. 232. 5. Шарпан О.Б. Оценка точности распределенного фазирования, основанного на суммировании сигналов // Радиоэлектроника. (Изв. высш. учеб. заведений). – 1988. – Т. 31, № 5. – C. 57-59. 6. Кравченко С. Ф., Маглеванная Н. И., Шарпан О. Б. Влияние гармоник сигналов фазовых детекторов на точность измерения разности фаз // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники, 25, 1988. – С. 50-52. 7. Дворский В. Я., Кусов Г. А., Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Очков Д. С., Рукунов В. Н. Шарпан О. Б. Многоканальный радиоимпульсный фазометр // Приборы и техника эксперимента. – 1988. – № 2. – С. 213. 8. Маглеванная Н.И., Шарпан О.Б. Повышение точности суммарно-векторных систем взаимного фазирования // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. – 1989. – № 26. – С. 79-82. 9. Синанов В. Э., Шарпан О. Б. Система пространственного фазирования с невзаимными фазостабильными линиями связи // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. – 1990. – № 27. – С. 65-67. 10. Дворский В. Я, Синанов В. Э., Шарпан О. Б., Ярошенко В. Т. Измеритель параметров электрического импеданса биологических тканей и органов // Радиоэлектроника (Изв. высш. уч. завед.). – 1998. Т. 41– № 7. – С. 75-77. 11. Зудов О. Н., Шарпан О. Б. Телеметрическая система фотоплетизмографии // Український журнал медичної техніки та технологій. – 1998. – № 3-4. – С. 115-116. 12. Зудов О.Н., Шарпан О.Б. Застосування електричної моделі гемодинамічної системи для оцінки співвідношення тиску крові в пальцевій та плечевій артеріях // Электроника и связь. – 2000. – №.8. – Т.1. – С. 78-79. 13. Зудов О. Н., Шарпан О. Б. Перешкодостійкий кореляційний спосіб вимірювання тиску крові // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2000. – № 5. – С. 5-7. 14. Зудов О. М., Шарпан О. Б. Діагностичні можливості спектрального аналізу сигналів пульсової хвилі //Вісник ЖІТІ – 2001.– № 16/Технічні науки. – С. 82-85. 15. Шарпан О. Б., Ященко А. Г., Зудов О. М., Магльована Н. І., Самуйленко  В. Є. Завадостійке неінвазивне вимірювання артеріального тиску під час ергометричної проби // Электроника и связь. – 2001. – №10. – С.15-16. 16. Шарпан О. Б. Влияние частотных характеристик сосудистой системы на амплитудный и фазовый спектры пульсовых сигналов // Электроника и связь. – 2002. – № 14. – С. 83-87. 17. Шарпан О Б. Диагностическая чувствительность фазового спектра пульсового сигнала // Электроника и связь.– 2003.– № 18. – С. 91-95. 18. Ткаченко В. Л., Шарпан О. Б., Мітров О. П. Неінвазивне визначення частоти дихання і виділення дихального патерну за допомогою комплексного спектрально-часового аналізу грудної реограми // Электроника и связь.– 2003. –№ 19. – С. 33-35. 19. Шарпан О. Б. Дослідження залежності амплітудного спектра пульсового сигналу від стану системи гемодинаміки // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2004. – № 1. – С. 110-117. 20. Шарпан О. Б. Оценка точности измерения времени и скорости распространения пульсовой волны по смещению анакрот центрального и периферического пульсов // Электроника и связь.– 2004. –Т. 9, № 22. – С. 36-39. 21.  Рыбин А. И., Шарпан О. Б. Диагностика пульсограмм на базе ортогональных преобразований с действительным ядром // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2004. – № 1. – С. 136-141. 22. Рибін О. І., Шарпан О. Б. Алгоритми формування матричних операторів дискретних ортогональних перетворень REX та CоREX // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – 2004. – № 4 (31). – Том 2. – С. 53–57. 23. Рибін О. І., Шарпан О. Б. Діагностичні можливості процедури нормалізації ортогональних функцій при аналізі пульсограм // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – 2004. – № 4 (31). – Том 1. – С. 144–149. 24. Шарпан О. Б., Гусєва О. В., Жиляков А. О., Магльована Н. І. Система для дослідження гемодинаміки за амплітудним спектром пульсової хвилі // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ. –2004. –Вип..27. – С. 158-162. 25. Шарпан О. Б. Погрешности измерения параметров комплексного электри-ческого импеданса, вносимые входной частью измерителя // Электроника и связь.– 2005.– № 25. – С. 38-41. 26. Шарпан О. Б. Дослідження частотних і часових характеристик протяжних невзаємних об’єктів модифікованим методом спектрометрії // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. – 2005. – № 2 (31). – Том 1. – С. 144–149. 27. Шарпан О. Б., Безякіна Д. В. Оцінка впливу неоднорідності біотканини на чутливість частотного розподілу комплексного електричного імпедансу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2005. – № 6. – С. 14-18. 28. Рибін О. І., Сакалош Т. В., Шарпан О. Б. Аналіз пульсограм на базі процедури нормалізації ортогональних перетворень REX // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. – 2005. – № 4. – С. 29-33. 29. Рыбин А. И., Шарпан О. Б., Григоренко Е. Г., Сакалош Т. В. Коэффициенты трансформант нормализованных ортогональных преобразований и диагностика пульсограмм // Вісник НТУУ ”КПІ”. Сер. Приладобудуваня. – 2005. – Вип. 30. – С. 148-156. 30. Гусєва О. В., Найденко В. І., Шарпан О. Б. Оцінка чутливості вимірювань потенціалів при багатоканальній імпедансній томографії // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. – 2006. – № 1. – С.12–18. 31. Шарпан О.Б., Мітров О.П. Аналіз характеру залежності між пульсовим тиском в артерії та амплітудою неінвазивно зареєстрованого пульсового сигналу // Вісник НТУУ „КПІ”. Сер. радіотехніки і радіоапаратобудування. – 2006. – №  33. – С. 136-141. 32. Измеритель параметров амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников: А.с. 678686 СССР, МКИ Н 04 В 3/46. / В. А. Гойжевский, В. Г. Трилис, О. Б. Шарпан (СССР). – № 2560095/18-09; Заявлено 26.12.77; Опубл. 05.08.79, Бюл. 29. – 2 с. 33. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 960666 СССР, МКИ G 01 R 29/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). –№ 2759980/18-21; Заявлено 03.05.79; Опубл. 23.09.82, Бюл.35. – 3 с. 34. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1002983 СССР, МКИ G 01 R 27/28. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3339789/18-21; Заявлено 28.09.81; Опубл. 07.03.83, Бюл. № 9. – 3 с. 35. Устройство выравнивания электрических длин линий передачи сигналов: А.с. 1109922 СССР, МКИ Н 04 В 7/15. / О. Б. Шарпан (СССР). – № 3575343/18-09; Заявлено 06.04.83; Опубл. 23.08.84, Бюл. 31. – 2 с. 36. Устройство для взаимного фазирования: А.с. 1172051 СССР, МКИ Н 04 L 7/08. / О. Б. Шарпан (СССР). – № 3494292/18-09; Заявлено 29.09.82; Опубл. 07.08.85, Бюл. 29. – 3 с. 37. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1190306 СССР, МКИ G 01 R 27/28. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3629536/24-21; Заявлено 27.07.83; Опубл. 07.01.85, Бюл. 41.– 4 с. 38. Измеритель разности фаз: А.с. 1200197 СССР, МКИ G 01 R 25/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3782096/24-21; Заявл. 16.04.84; Опубл. 23.12.85, Бюл. № 47. – 4 с. 39. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1241157 СССР, МКИ G 01 R 27/28 . / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3717618/24-21; Заявлено 02.04.84; Опубл. 30.06.86, Бюл. 24. -4 с. 40. Способ измерения разности фаз: А.с. 1273833 СССР, МКИ G 01 R 25/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3781952/24-21; Заявлено 16.08.84; Опубл. 30.11.86, Бюл. № 44. – 3 с. 41. Устройство взаимного фазирования: А.с. 1288908 СССР, МКИ Н 03 L 7/00. / А. Ф. Левина, Н. И. Маглеванная, О. Б. Шарпан (СССР). – № 3900525/24-09; Заявлено 23.05.85; Опубл. 07.02.87, Бюл. 5. – 3 с. 42. Устройство фазирования сигналов в пространственно разнесенных пунктах: А.с. 1322489 СССР, МКИ Н 04 L 7/08. / О. Б. Шарпан (СССР). – № 3924931/24-09; Заявлено 10.07.85; Опубл. 07.07.87, Бюл. 25. – 3 с. 43. Устройство взаимного фазирования: А.с. 1748250 СССР, МКИ Н 03 L 7/00. / В. Э. Синанов, О. Б. Шарпан. – № 4837111/09; Заявлено 08.06.90; Опубл. 15.07.92, Бюл. 26. – 4 с. 44. Патент UA 35393 А України, МПК 6 А61 В5/00. Спосіб вимірювання кров’яного тиску / О. М. Зудов, О. Б. Шарпан. – № 99105444; Заявл. 05.10.1999; Опубл. 15.03.2001, Бюл. № 2. – 3 с. 45. Патент UA 57458 А України, МПК 7 А61 В5/00. Спосіб вимірювання кров’яного тиску / О. М. Зудов, О. П. Мітров, О. Б. Шарпан (Україна). –  № 2002108375; Заявл. 22.10.2002; Опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6. – 4 с. 46. Пат. UA 57462 А України, А61 В5/02. Спосіб вимірювання кров’яного тиску / В. П. Овсяник, О. Б. Шарпан, О. М. Зудов, О. П. Мітров, (Україна). – № 2002108380; Заявл. 22.10. 2002; Опубл. 16.06.2003; Бюл. № 6, 2003. - 3 с. 47. Патент UA 58228 А України, МПК 7 А61 В5/00. Спосіб вимірювання кров’яного тиску / О. Б. Шарпан, О. М. Зудов, О. П. Мітров (Україна). – № 2002108678; Заявл. 31.10.2002; Опубл. 15.07.2003, Бюл. № 6.–4 с. 48. Патент UA 58229 А України, МПК 7 А61 В5/00. Спосіб вимірювання кров’яного тиску / О. П. Мітров, О. Б. Шарпан, О. М. Зудов (Україна). – № 20021008679; Заявл. 31.10.2002; Опубл. 15.07.2003, Бюл. № 7. – 4 с. 49. Достал Т., Рибін А, Манюк Ія, Манюк І., Шарпан О. Реконструкція образу в імпедансній томографії за методом зворотної проекції // Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів. Третя Всеукраїнська міжнародна конференція. – К.: – 1996. – С. 206-208. 50. Абакумов В. Г., Геранин В. А., Достал Т., Манюк И. А., Рыбин А. И., Синекоп Ю. С., Шарпан О. Б. Алгоритм решения обратной задачи в импедансной томографии // Электроника и связь (Темат. вып. по материалам МНТК "Проблемы физической и биологической электроники"). –1997. – С. 415-419. 51. Геранин В., Достал Т., Манюк И., Рыбин А., Шарпан О., Юрченко М.. Потенциальная разрешающая способность методов импедансной томографии // Материалы семинара с международним участием „Информационные технологии и программно-аппаратные средства в медицине, биологии и экологии”. Ч. 2. – К.: – 1998. – С. 76-79. 52. Достал Т., Манюк И., Марченко А., Рыбин А., Шарпан О. Математическое обеспечение задачи реконструкции образа в импедансной томографии // Материалы семинара с международним участием „Информационные технологии и программно-аппаратные средства в медицине, биологии и экологии”. Ч. 2. – К.: – 1998. – С. 71-76. 53. Шарпан О., Зудов О., Магльована Н., Павлов О., Сінанов В. Мікропроцесорний монітор комплексного електричного біоімпедансу // 5-th Int. Conf. CADSM’99, February 1-6, 1999, Lviv, Ukraine. – Р. 192-193. 54. Sharpan O., Zudov O., Mitrov A. System for Arterial Blood Pressure Measurement in Jams Conditions // Матеріали МНТК „Modern Problems of Radio Engineering Telecommunications and Computer Science”. – Lviv-Slavsko, Ukraine, 2002. – P. 314. 55. Шарпан О. Б., Магльована Н. І., Бондар М. В., Грушовський І. Т., Грушовська В. М., Лісний І. І. Дослідження можливості використання спектрального аналізу пульсової хвилі для оцінки стану функціональної активності вегетативної нервової системи // Біль, знеболювання, інтенсивна терапія. – 2004. – № 2-Д. – С. 526-528. АНОТАЦІЯ Шарпан О. Б. Визначення часових і частотних параметрів та стану просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктів. Методи та багатопозиційні системи. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2006. Дисертацію присвячено розробці та дослідженню нових методів та систем, що забезпечують швидке точне визначення часових і частотних параметрів просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктів та спектральних параметрів поширюваних в них сигналів в завданнях неруйнівного (неінвазивного) визначення їх структури, пошарового складу і стану. Розвинено часові і частотні критеріальні основи оцінювання структури і стану просторово розвинених динамічних об’єктів різного фізичного походження. Розвинено методологію формування сигналів порівняння і теорію просторових часових, частотних і спектральних вимірювань; розроблено принципи побудови широкосмугових просторово розгалужених систем ампліфазометрії і ампліфазової спектрометрії, імпедансометрії і імпедансної томографії. Розроблено методологію визначення стану системи гемодинаміки на основі пульсової амплітудної і фазової спектрометрії в традиційних (за Фур’є) і нетрадиційних (за Уолша, REX і CoREX) ортогональних базисах. Запропоновано новий метод просторової кореляційно-спектральної осцилометрії, що забезпечує завадостійке визначення параметрів артеріального тиску в умовах завад і артефактів підвищеного рівня інтенсивності. Ефективність розроблених методів та систем підтверджена застосуванням їх при реалізації технологій оцінювання стану технічних і біологічних об’єктів, які пройшли успішні випробовування і впроваджені в провідних організаціях України і Росії. Результати дисертаційних досліджень впроваджено в навчальному процесі. Ключові слова: часові і частотні параметри, фазометрія, спектрометрія, фазова синхронізація, просторово розвинений невзаємний об’єкт, амплітудний спектр, фазовий спектр, комплексний електричний імпеданс, пульсова хвиля, артеріальний тиск. АННОТАЦИЯ Шарпан О. Б. Определение временных и частотных параметров и состояния пространственно развитых невзаимных динамичных объектов. Методы и многопозиционные системы. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля и определения состава веществ. – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2006. Диссертация посвящена разработке и исследованию новых методов и систем, обеспечивающих быстрое определение с повышенной точностью временных и частотных параметров и состояния пространственно развитых невзаимных динамичных объектов различной физической природы. Системы предназначены для оценивания состояния технических, природных и биологических объектов методами неразрушающего контроля на основе: а) использования спектральных разложений импульсных и пульсовых сигналов; б) фазовой синхронизации пространственно разнесенных опорных сигналов; в) новых принципов и алгоритмов обработки сигналов, новых критериев и методик оценивания состояния технических средств, биологических органов и систем организма; г) расширения частотного диапазона измерений и динамического диапазона измеряемых параметров; д) повышения точности, однозначности и достоверности измерений, в том числе в условиях помех и артефактов повышенного уровня. Решение перечисленных задач составляет научные основы создания систем мониторинга, диагностики и оценивания в режиме реального времени состояния разнообразных объектов, а именно: широкополосных невзаимных каналов передачи информации, структуры и послойного состава земельных участков, подземных сооружений, биологических органов, функционального состояния биологических органов и систем. В диссертации обоснована целесообразность применения спектральных трансформант периодических импульсных и квазипериодических пульсовых сигналов для определения параметров частотных характеристик, которые характеризуют время распространения, амплитудные и фазовые искажения широкополосных сигналов. Для расширения возможностей и повышения точности пространственно распределенной фазометрии и фазовой спектрометрии развита методология многопозиционного пространственного фазирования сигналов, разработаны новые способы и многопозиционные системы синхронизации опорных сигналов увеличенного пространственного разнесения пунктов фазирования с возможностью произвольного наращивания их количества. Для обеспечения возможности прямой регистрации ЧХ и определения времени распространения широкополосных сигналов в протяженных невзаимных объектах разработан модифицированный метод спектрометрии, суть которого состоит в сравнении на выходе исследуемого объекта спектральных параметров выходного измерительного сигнала с аналогичными параметрами опорных сигналов, сформированных как копии входного зондирующего сигнала. На основе подходов фазометрии и фазовой синхронизации разработаны методология и принципы построения широкополосных систем регистрации частотных характеристик параметров (модуля, активной и реактивной составляющих) комплексного электрического импеданса в задачах импедансометрии и многопозиционной импедансной томографии объектов, что дает возможность оценивать состояние объектов как диэлектрических структур с потерями. Оценена чувствительность фазовой импедансометрии, точность измерения параметров и разрешающая способность импедансной томографии при реконструкции структуры и состава объектов. Разработана методология пульсовой амплитудной и фазовой спектрометрии в задачах оценивания состояния системы гемодинамики. Предложена уточненная электрическая модель участка ненагруженной сосудистой системы. Исследованы АЧХ и ФЧХ такого участка, найдены новые критерии оценивания параметров и состояния сосудистой системы в частотной области. Разработаны принципы определения функционального состояния биологических органов и систем на основе спектрометрии пульсовых сигналов в традиционных (с комплексным ядром) и нетрадиционных (с действительным ядром) ортогональных базисах. Разработана идеология получения фазового спектра квазистационарного пульсового сигнала, оценена потенциальная точность пульсовой фазовой спектрометрии. Показана более высокая чувствительность пульсовых спектральных критериев по сравнению с ныне применяемыми критериями методик контурного анализа. Предложена уточненная электрическая модель участка нагруженной сосудистой системы, с использованием которой проанализированы гемодинамические процессы в артерии под оклюзионной манжетой и разработан новый метод определения артериального давления (метод пространственной корреляционно-спектральной осциллометрии). На основе амплифазометрии и спектрометрии двух пространственно разнесенных пульсовых сигналов получены новые время-частотные и спектральные помехоустойчивые критерии определения артериального давления, предложен ряд новых способов измерения, которые дают возможность неинвазивно проводить определение давления в условиях двигательных артефактов повышенной интенсивности, когда неработоспособны существующие измерительные системы. Эффективность разработанных методов и действующих образцов систем подтверждена применением их при реализации технологий оценивания состояния технических и биологических объектов, которые прошли успешные испытания и внедрены в ведущих организациях Украины и России. Результаты диссертации также внедрены в учебном процессе. Ключевые слова: временные и частотные параметры, фазометрия, спектрометрия, фазовая синхронизация, пространственно развитый невзаимный объект, амплитудный спектр, фазовый спектр, комплексный электрический импеданс, пульсовая волна, артериальное давление. ABSTRACT Sharpan O. B. Determination of condition, time and frequency parameters of non-reciprocal dynamic objects distributed in space. Methods and multiposition systems. - Manuscript. Thesis for the degree of Doctor of Technical Science in specialty 05.11.13 – Devices and methods for control and determination of material structure - National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Kiev, 2006. Dissertation focuses on development and investigation of advanced methods and systems, enabling high-speed accurate determination of time and frequency parameters of spatially distributed non-reciprocal dynamic objects and spectral parameters of signal expansion inside the objects for purposes of non-ruining (noninvasive) identification of their internal structure, layer composition and condition. Major findings of investigation, namely, cover developed basic criteria for evaluating structure and condition of spatially distributed dynamic objects of various physical nature; formulated methodology for comparison signal formation as well as theory of spatial measurements of time, frequency and spectrum; grounded principles for buildup of wideband spatially distributed systems of ampliphasemetry, ampliphase spectrometry, complex imedancemetry and impedance tomography. Methodology of hemo-dynamic system status identification is worked out based on pulse amplitude and phase spectrometry in traditional (according to Fourier) and non-traditional (according to Wolsch, REX and CoREX) orthogonal bases. A newly developed method of spatial correlation-spectral oscillometry is suggested for noise-resistant measurement of arterial pressure parameters under exposure to interference and artefacts of high intensity. Efficiency of designed systems and methods has been proven through practical application of information-and-measurement technologies in the assessment of technical and biological objects condition. All systems and methods have been successfully tested and put into operation in leading Ukraine’s and Russia’s institutions. The dissertation’s findings are introduced in university curricula. Key words: time and frequency parameters, phase measurement, spectrometry, phase synchronization, spatially distributed non-reciprocal object, amplitude spectrum, phase spectrum, complex electrical impedance, pulse wave, arterial pressure. PAGE 1

Похожие записи