Реферат

Отчет 160 с., 1 ч., 76 рис., 4 табл., 44 источн., 1 прил.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ , НЕОДНОРОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ , ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ , ТЕСТИРОВАНИЕ , ВОДНАЯ СРЕДА , АРТЕФАКТЫ , ЛАБОРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ , ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 2 этапу Государственного контракта № 16.740.11.0468 "Принципы контроля оптических сред в биологии и экологии с использованием методов обработки результатов измерений на основе квантификационных моделей" (шифр "2011-1.2.1-121-003") от 13 мая 2011 по направлению "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук в следующих областях:- физика конденсированных сред. Физическое материаловедение;- оптика. Лазерная физика и лазерные технологии;- радиофизика, акустика и электроника;- физика плазмы;- ядерная физика. Физика элементарных частиц и полей. Космология. Физика ускорителей и детекторов;- астрономия, астрофизика и исследования космического пространства" в рамках мероприятия 1.2.1 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук", направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий" Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

Цель работы - разработка и апробация лабораторных установок по контролю изменений оптической плотности водных сред и изменений оптической плотности биотканей, а также разработка математических моделей прохождения оптического излучения через биоткань и неоднородную водную среду.

При выполнении работ по Государственному контракту использовались теоретические и экспериментальные исследования.

Использовался следующий инструментарий: персональный компьютер в составе: Системный блок Cel-1000 Монитор 17" NEC 73V LCD Принтер HP Laser Jet 1018 Сканер HP Scan Jet 4600 Notebook LG T1-5222R, Цифровой осциллограф TDS 2024 B, Лаборатория учебная Elvis/USB-6251 Bundle, Модуль аналогового и цифрового ввода-вывода NI USB-6009, Микроскоп сканирующий зондовый Solver P47 Pro, Трубка лазерная ИЛГН-216 с блоком питания.

Результаты, полученные при выполнении работ по второму этапу Государственного контракта:

1. Разработана лабораторная установка по контролю изменений оптической плотности водных сред.

2. Разработана лабораторная установка по тестированию оптической плотности биологических тканей.

3. Разработано программное обеспечение для осуществления измерений оптической плотности водных сред, содержащее программные модули для ввода данных, их отображение на экране, регистрации и предварительной обработки для принятия решения о воздействии на электромагнитный клапан.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять ввод данных в компьютер, их накопление и автоматизированную обработку параметров фотоплетизмограмм.

5. Разработан ряд математических моделей для описания прохождения оптического излучения через водную среду, содержащую примеси.

6. Разработана модель биоткани при взаимодействии излучения с несколькими слоями с учетом коэффициентов передачи светового потока по каждому слою. Проведено математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с биотканью с помощью метода Монте-Карло в пакете MathCAD. Построена модель распространения света в биоткани при диффузно-направленном отражении.

7. Получены экспериментальные данные по изменению оптической плотности водных сред, показывающие возможность автоматизированного контроля водной среды при поступлении аварийного выброса.

8. Получены экспериментальные зависимости уровня сигнала от расстояния между приемником и источником излучения, зависимости уровня сигнала с датчика от угла наклона источника излучения. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами математического моделирования методом Монте-Карло.

9. Завершенные исследования по второму этапу НИР позволили обосновать и создать лабораторные установки для исследования оптической плотности сложных сред, таких как биоткани и водные среды с загрязнениями.

10. Представлен научно-технический отчет по 2 этапу.

11. Подготовлен отчет о патентных исследованиях.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Согласно плану проведения экспериментальных и теоретических исследований, задачами настоящего этапа являлись: 8

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ К НИМ 10

1.1 Макеты лабораторных установок 10

1.1.1 Разработка лабораторной установки по контролю изменений оптической плотности водных сред 10

1.1.2 Разработка лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей 18

11. Интегральный фильтр низкой частоты с изменяемой частотой среза. 21

12. Устройство управления и регулировки усилителей. 21

1.2 Программное обеспечение к лабораторным установкам 34

1.2.1 Разработка программного обеспечения лабораторной установки по контролю изменений оптической плотности водных сред 34

1.2.2 Разработка программного обеспечения лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей 48

1.3 Математические модели прохождения оптического излучения через биоткань и водную среду 55

1.3.1 Математические модели для описания прохождения оптического излучения через водную среду с примесью 55

1.3.2 Математические модели прохождения оптического излучения через биоткань 61

1.4 Исследование прохождения оптического излучения через биоткань, и исследование оптических свойств веществ, загрязняющих контролируемые водные среды 95

1.4.1 Исследование оптических свойств веществ, загрязняющих контролируемые водные среды 95

1.4.2 Исследование прохождения оптического излучения через биоткань 96

1.5 Публикация материалов исследований 117

1.5.1 Статья в журнале ВАК 117

1.5.1.1 Письмо редакции журнала «Интеллектуальные системы в производстве» о включении статьи 117

1.5.1.2 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 118

1.5.1.3 Копия статьи в журнале ВАК со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 120

1.5.2 Материалы докладов для международной и всероссийской конференций 125

1.5.2.1 Письмо оргкомитета конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» о включении докладов в программу конференции. 125

1.5.2.2 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 126

1.5.2.3 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 127

ИНТЕРАКТИВНАЯ ОБРАБОТКА ФОТОПЛЕТИЗМОГРАММ 127

1.5.2.4 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 133

1.5.2.5 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141

Приложение А 145

1.1.3 Методы исследования биологических тканей для контроля деятельности сердечно-сосудистой системы 150

Метод фотоплетизмографии 150

1.1.4 Анализ существующих математических моделей прохождения излучения через неоднородные оптические среды. Поиск модели под проблему 151

1.2 Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований по разработке методики измерения изменений оптической плотности неоднородных сред 151

ВВЕДЕНИЕ

В результате исследований, проведенных на первом этапе НИР, была обоснована необходимость использования оптических методов оценки загрязнения водной среды и свойств биологических тканей с целью разработки методов и аппаратуры для автоматизированного контроля этих неоднородных оптических сред. Оба направления, связанные с возможностью применения оптических методов контроля изменений оптической плотности этих сред, неоднородных по своей структуре и свойствам во времени, актуальны для экологического мониторинга водной среды и мониторинга биологических тканей при изучении кровотока с целью диагностики сосудистой системы.

Как было отмечено, трудности создания диагностической аппаратуры для этих целей обусловлены сложностью контролируемых водных сред, представленных часто в виде сгустков загрязняющих веществ, например масла, нефтяных отходов и др., возникающих в результате аварийного выброса. При этом происходит изменение оптической плотности водной среды, причем варианты этого изменения достаточно многообразны, а именно, количество и длительность сгустков за определенный интервал времени, длительность фронтов сгустков, влияние турбулентности потока и др. Учет данных вариантов при создании аппаратуры контроля за счет разработки моделей поведения сгустков, то есть изменения оптической плотности водной среды под действием загрязняющих веществ во времени существенно затруднен, особенно при создании аппаратуры, работающей во внелабораторных условиях, вследствие огромного количества влияющих факторов и их взаимного влияния.

Аналогичные трудности возникают и при разработке средств контроля изменений оптической плотности биотканей, где актуальной является задача построения автоматизированной аппаратуры для фотоплетизмографии человека и животных, обеспечивающей снижение влияния артефактов при регистрации и обработке фотоплетизмограмм, и позволяющей получить качественную и объективную информацию о гемодинамике исследуемого биообъекта.

Таким образом, устранение или, по крайней мере, ослабление влияния различных артефактов при построении аппаратуры как для фотоплетизмографии, так и для контроля изменений оптической плотности водных сред является основной при проведении настоящей НИР.

Целью второго этапа научно-исследовательской работы является разработка и апробация лабораторных установок по контролю изменений оптической плотности водных сред и изменений оптической плотности биотканей, а также обоснование (выбор, построение) математических моделей прохождения оптического излучения через биоткань и неоднородную водную среду.