авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера

На правах рукописи

КАЩАВЦЕВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ,

В ТОМ ЧИСЛЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ, ПРИ МИКРО- И

НАНОСМЕЩЕНИЯХ ПО АВТОДИННОМУ СИГНАЛУ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

01.04.21 – лазерная физика

03.01.02 – биофизика

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2012

Работа выполнена на кафедре медицинской физики Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профес сор Усанов Дмитрий Александрович доктор физико-математических наук, профес сор Скрипаль Анатолий Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ульянов Сергей Сергеевич, кафедра оптики и биофотоники Саратовского государ ственного университета имени Н.Г.Чернышевского, профессор;

доктор физико-математических наук, профессор Горбатенко Борис Борисович, ка федра «Физика» Саратовского государственно го технического университета имени Гагарина Ю.А., профессор

Ведущая организация: Саратовский филиал Института радиотехники и электроники Российской академии наук, (СФ ИРЭ РАН), г. Саратов

Защита диссертации состоится 27 декабря 2012 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.243.05 по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астра ханская, 83, III корпус, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке СГУ имени В.А. Артисевич Автореферат разослан "_" ноября 2012 г.

Ученый секретарь Дербов В.Л.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Для измерения параметров движений объектов при микро и наносмещениях широкое распространение получили методы, основанные на использовании авто динного эффекта в полупроводниковых лазерах.

Важным параметром при проведении измерений характеристик движений объекта с использованием лазерной автодинной системы является уровень внеш ней оптической обратной связи. В автодинной системе часть излучения возвра щается в активную область резонатора, при этом режим, при котором автодин ный сигнал аналогичен интерференционному, возможен при уровнях обратной связи, меньших некоторого строго определенного значения. При увеличении уровня обратной связи происходит искажение автодинного сигнала, и он начина ет отличаться от сигнала, продетектированного в интерференционной системе с развязкой от источника излучения.

Как было показано ранее, уровень внешней оптической обратной связи ока зывает существенное влияние на форму автодинного сигнала и, как результат, на точность определения параметров движения отражателя.

Обычно предполагается, что реализуются условия, когда уровень обратной связи мал. На практике эти условия не всегда могут выполняться, например, при высоком коэффициенте отражения поверхности объекта, параметры движения которого измеряются.

В ряде случаев для определения параметров микровибраций отражателя влиянием внешней оптической обратной связи можно пренебречь. Однако при определении амплитуды нановибраций анализ влияния на результат измерений ранее не проводился. При этом известные методы определения уровня внешней оптической обратной связи при измерениях амплитуды нановибраций не могут быть применены из-за существенного отличия в форме автодинного сигнала. В связи с этим представляет интерес разработка метода определения амплитуды нановибраций с учетом влияния внешней оптической обратной связи лазерного автодина.

Авторами ряда работ показана возможность использования полупроводни кового лазера, работающего в автодинном режиме, для определения ускоренного движения объекта, совершающего микроперемещения, в предположении, что влиянием уровня внешней оптической обратной связи на результаты измерений можно пренебречь. При этом анализ влияния внешней оптической обратной свя зи на форму автодинного сигнала при ускоренном движении объекта, совер шающего микроперемещения, ранее не проводился.

Полупроводниковый лазерный автодин может быть использован при изуче нии динамического состояния биологических объектов. С помощью лазерной ав тодинной системы различными авторами были проведены исследования биений сердца дафнии, измерение параметров движений барабанной перепонки, измере ние внутриглазного давления, измерение микросмещений лучевой артерии чело века.

В настоящее время актуальной остается задача измерения формы пульсовой волны с помощью полупроводникового лазерного автодина. Пульсовая волна не сет информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы. Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы играет важную роль в адаптации орга низма к физическим нагрузкам и является одним из основных показателей пре дельных возможностей организма.

Известные контактные методы измерения формы пульсовой волны, такие как сфигмография, осциллометрический метод, могут вносить погрешность в ре зультат измерений в силу контактного принципа измерения. Существующие бес контактные интерференционные методы не обеспечивают простоту и достаточ ную точность измерений. Известны методы, в которых исследуется зависимость от времени изменения частоты доплеровского сигнала. При этом отмечалось, что по доплеровскому сигналу не удается определить направление смещения поверх ности кожи, что затрудняет восстановление формы пульсовой волны.



В связи с этим актуальной для биофизики является задача по восстановле нию формы движения отражателя, в качестве которого может выступать поверх ность кожи над артерией человека, с учетом определения направления смещения и с использованием полупроводникового лазерного автодина, решение которой, в свою очередь, позволяет сделать вывод о состоянии сосудистой системы челове ка.

Вышесказанным в качестве актуальных задач, которые необходимо решить в диссертационной работе, позволяет сформулировать следующее:

1. Определение параметров внешней оптической обратной связи по автодин ному сигналу полупроводникового лазера.

2. Разработка метода определения нанометровых амплитуд вибраций объекта по автодинному сигналу с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

3. Определение ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической об ратной связи.

4. Исследование возможности применения полупроводникового лазерного ав тодина для восстановления формы пульсовой волны лучевой артерии человека и оценки состояния сердечнососудистой системы.

На основании вышеизложенного была сформулирована цель диссертацион ной работы: исследование влияния внешней оптической обратной связи на ре зультат определения параметров движений (вибрации с нанометровыми ампли тудами;

движения с изменяющимся во времени ускорением) отражающих, в том числе биологических, объектов при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера.

Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Разработан метод определения амплитуды нановибраций объекта по авто динному сигналу полупроводникового лазера, позволяющий значительно повы сить точность измерений вследствие учета уровня внешней оптической обратной связи.

2. Разработан метод определения изменяющегося во времени ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

3. Показана возможность восстановления функции движения отражателя, в качестве которого выступает поверхность кожи над лучевой артерией человека в области запястья, с учетом определения направления смещения и с использова нием полупроводникового лазерного автодина.

4. Исследована возможность оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности организма человека по форме пульсовой волны.

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, соответствием результатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспериментальных ре зультатов обеспечивается применением стандартной измерительной аппаратуры, высокой степенью автоматизации процесса регистрации экспериментальных данных, а также соответствием результатов, полученных в ходе определения па раметров движения отражателя с помощью автодинной интерференционной сис темы.

Практическая значимость полученных результатов заключается в сле дующем:

1. Разработанный метод определения амплитуды нановибраций объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера позволяет значительно повы сить точность измерений при учете уровня внешней оптической обратной связи.

2. Учет уровня внешней оптической обратной связи в автодинной системе по зволяет повысить точность определения изменяющегося во времени ускорения при неравномерно ускоренных микроперемещениях объекта, определяемого из сравнения экспериментального и модельного автодинных сигналов полупровод никового лазера с применением метода наименьших квадратов.

3. Восстановление формы пульсовой волны лучевой артерии человека по ав тодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом направления смещения стенки артерии позволяет оценивать риск возникновения острой сосудистой не достаточности.

4. Предложенные методы определения параметров нановибраций и ускорения при нано- и микросмещениях могут найти применение, для диагностики характе ристик движения отражающих объектов в биологии и медицине.

5. Полученные в диссертационной работе результаты использованы при вы полнении НИР в рамках государственного задания ВУЗам на выполнение НИР («Биоинформационные технологии оценки состояния подсистем организма чело века и биологических объектов», 2011. Государственный контракт № 16.740.11.0500. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г.;

«Разработка научно-методического обеспечения скри нинг диагностики функционального состояния обучающихся для выявления опасности развития коллапсоидальных осложнений на основе специализирован ных аппаратно-программных комплексов», 2009-2011. Государственный кон тракт № 2.2.3.3/6837. Аналитическая ведомственная целевая программа "Разви тие научного потенциала высшей школы»).

6. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы будут использованы в учебном процессе для подготовки магистров, обучающихся по направлению «011200 Физика» (магистерской программе «Медицинская физи ка») по дисциплине «Оптические методы функциональной диагностики сердеч нососудистой системы», изучаемой студентами дневного отделения факультета нано- и биомедицинских технологий Саратовского государственного универси тета имени Н.Г Чернышевского.





На защиту выносятся следующие положения:

1. Амплитуда нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи может быть определена по величине первой гармоники спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение, соответствующее известной амплитуде вибраций и измеряемое при изменении амплитуды возбуждаемых дополнительно механических колебаний.

2. При неравномерно ускоренных микросмещениях объекта величина ускорения может быть определена из сравнения экспериментального и модельного, учитывающего уровень внешней оптической обратной связи, автодинных сигналов полупроводникового лазера с применением метода наименьших квадратов.

3. Форма пульсовой волны лучевой артерии человека может быть восстановлена по автодинному сигналу полупроводникового лазера, при этом определить направление смещения стенки лучевой артерии позволяет учет внешней оптической обратной связи.

4. Восстановленная форма пульсовой волны и измеренная вариабельность сердечного ритма характеризуют степень риска возникновения острой сосудистой недостаточности.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре медицинской физики Са ратовского государственного университета в 2009-2012 годы. Основные положе ния и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, док ладывались и обсуждались на:

– Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (г. Саратов, 2011-2012);

– VII Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов 2012);

– V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (г.

Троицк, Московская область, 2012);

– 10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques - AIVELA 2012 (Ancona, Italy, 2012);

– XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2012), – Всероссийской молодежной конференции «Методы компьютерной диагности ки в биологии и медицине» (г. Саратов, 2012);

– VI Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофо тоника и нелинейная физика» (г. Саратов, 2012).

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, тезисы 6 докладов на всероссийских и международных конференциях.

Личное участие автора в этой работе выразилось в теоретической разра ботке и практической реализации метода определения амплитуды нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи, теоретической разработке и практической реализации метода определения изменяющегося во времени ус корения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводнико вого лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи, применении полупроводникового лазерного автодина для определение формы пульсовой вол ны лучевой артерии человека по сигналу полупроводникового лазерного автоди на, с возможностью использования полученных результатов для оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности, участии в формулировании научных положений и выводов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка лите ратуры. Общий объем диссертации составляет 100 страниц машинописного тек ста, включая 28 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 134 наиме нования и изложен на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель диссертационной работы, определена новизна исследований, обсуждена практическая значимость полученных результатов, приведены основные положе ния, выносимые на защиту, изложено краткое содержание диссертации.

В первом разделе приведены результаты критического анализа исследований параметров движений объектов, в том числе биологических, с помощью лазерно го автодина, приведен критический анализ метода автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах, рассмотрены лазерные автодинные методы для оп ределения характеристик движения внешнего отражателя, влияние внешней оп тической обратной связи в автодинной системе на низкочастотный спектр авто динного сигнала при вибрациях объекта и на точность определения параметров вибраций, проанализированы возможности автодинных методов измерения для исследования параметров движения биологических объектов.

Во втором разделе приведены результаты исследования влияния уровня внешней оптической обратной связи в автодинной системе на форму и спектр продетектированного сигнала, предложен метод определения уровня внешней оптической обратной связи при вибрациях внешнего отражателя.

Для теоретического анализа влияния обратной связи на форму автодинного сигнала полупроводникового лазера использована модель составного резонатора лазера с обратной связью, описываемая уравнениями Р. Лэнга и К. Кобаяши (1) и (2):

1 d* E (t ) = i( N ) E * (t ) + G ( N ) E * (t ) + z E * (t ), (1) 2 p dt d N (t ) G ( N ) E 2 (t ), N (t ) = J (2) s dt где – E * (t ) = E (t ) exp(i0t + i (t ) ), E(t) - амплитуда комплексного электрического поля E(t) внутри лазерного резонатора, 0 – резонансная частота резонатора ла зерного диода, (N) - частота генерации лазера с обратной связью, (t) - фаза оп тических колебаний поля, G(N) - коэффициент усиления моды, N(t) - концентра ция носителей в активной области диода, p - время жизни фотонов в диодном ре зонаторе, J - число носителей, инжектируемых в единицу объема за единицу вре мени (величина, пропорциональная току инжекции), s – время жизни носителей, обусловленное спонтанной рекомбинацией, – время обхода внешнего резонато ра длиной L, z – коэффициент обратной связи.

Стационарное решение уравнений (1) и (2) дает зависимость амплитуды ав тодинного сигнала от времени и уровня обратной связи (3) и (4):

P (t, C ) = cos((t, C ) (t ) ), (3) 0 = + z 1 + 2 sin ( + arctg ). (4) Функция (t) находится из фазового уравнения:

0 = + C sin ( + ), (5) где – C = z 1 + 2, С – уровень внешней оптической обратной связи, = arctg, – коэффициент уширения линии генерации.

Влияние уровня обратной связи на форму автодинного сигнала в случае движения объекта по гармоническому закону иллюстрируется рисунком 1. При этом время обхода лазерным излучением внешнего резонатора изменяется по за кону:

(t ) = 0 + a sin(t + ), (6) где – частота гармонических колебаний объекта, 0 = 2L/c, a = 2/c, – амплитуда вибраций объекта, – начальная фаза колебаний объекта.

Рисунок 1 – Переменная составляющая автодинного сигнала при разных уровнях обратной свя зи: кривая 1 – С = 0.1;

кривая 2 – С = 0.5;

кривая 3 – С = 0.9.

При увеличении уровня обратной связи изменяется время нарастания и вре мя убывания автодинного сигнала.

В результате компьютерного моделирования при разных уровнях обратной связи, при разных параметрах движения объекта была получена зависимость, приведенная на рисунке 2, – отношение времени убывания амплитуды автодин ного сигнала ко времени ее нарастания от уровня обратной связи на временном интервале tA, по которой можно определять уровень обратной связи.

Как было установлено, при вибрациях объекта с нанометровыми амплитуда ми при минимальном уровне обратной связи в спектре автодинного сигнала при сутствует только гармоника на частоте колебания объекта. Поэтому, представля ется целесообразным рассмотреть влияние уровня обратной связи на амплитуду гармоники на частоте колебания объекта.

Рисунок 2 –Зависимость отношения вре мени убывания tdec ко времени нараста ния tinc функции автодинного сигнала от уровня обратной связи C.

Для описания спектра автодинного сигнала нормированная мощность излу чения полупроводникового лазера P(t) может быть представлена в виде разложе ния в ряд Фурье:

a0 + {an cos nt bn sin nt}.

P (t ) = (7) 2 n = Ранее было показано, что амплитуды спектральных составляющих зависят от амплитуды вибраций и уровня внешней оптической обратной связи C. Для оп ределения амплитуды нановибраций используется амплитуда спектральной со ставляющей автодинного сигнала на частоте колебаний объекта, значение кото рой также зависит от стационарного набега фазы излучения лазерного диода.

Графики зависимости амплитуды спектральной составляющей автодинного сиг нала на частоте колебаний объекта от, и С приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Изображе ние изолиний амплиту ды гармоники S1(,) спектра автодинного сигнала на частоте коле баний объекта при раз личных уровнях внеш ней оптической обрат ной связи C: а - С = 0.0001;

б - С = 0.5;

в - С = 0.9.

На графиках, представленных на рисунке 3, наименьшему значению ампли туды первой гармоники спектра автодинного сигнала соответствует темная об ласть графика, максимальному значению - светлая область графика (точки M1, M2). Как следует из результатов, приведенных на рисунке 3, при увеличении уровня обратной связи максимальному значению амплитуды первой гармоники соответствуют следующие значения амплитуды вибраций: для точки M1 при С = 0.0001 M1 = 96 нм, при С = 0.5 M1 = 69 нм, при С = 0.9 M1 = 45 нм;

для точки M2.

при С = 0.0001 A = 96 нм, при С = 0.5 A = 121 нм, при С = 0.9 A = 140 нм. Т.е., видно, что при увеличении уровня обратной связи происходит значительное смещение максимумов M1 и M2 по оси абсцисс, в то время как по оси ординат максимумы смещаются незначительно.

В третьем разделе приведены результаты теоретической разработки и прак тической реализации метода определения амплитуды нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

Для определения характеристик вибрирующих объектов с нанометровыми амплитудами без учета уровня внешней оптической обратной связи используется метод, основанный на проведении нормировки амплитуды гармоники спектра вибраций отражателя на частоте дополнительных механических колебаний. При проведении измерений регистрируется амплитуда первой гармонической состав ляющей Sx спектра автодинный сигнал при искомой амплитуде нановибраций.

Далее при наложении дополнительных механических колебаний, последователь но увеличивают их амплитуду до тех пор, пока первая гармоника спектра не дос тигнет максимума, и фиксируют ее амплитудное значение S1max.

Для определения искомой амплитуды колебаний объекта с учетом уровня внешней оптической обратной связи нами предложено построить нормировоч ную зависимости амплитуды первой гармоники S1 спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение S1max, от амплитуды нановибраций.

Зависимость S1/S1max от может быть построена из соотношения для функции ав тодинного сигнала (3) при использовании ряда Фурье (7). Эта зависимости при разных уровнях обратной связи приведена на рисунке 4. Зависимости, представ ленные на рисунке 7, построены при стационарном набеге фазы = 0.5, соот ветствующем максимальному значению первой гармоники спектра автодинного сигнала.

Экспериментальные исследования проводились на полупроводниковом лазерном автодине, в качестве источ ника излучения которого использовал ся лазерный диод RLD-650 с характе ристиками: мощность излучения 5 мВт, длина волны 654 нм.. В качестве внеш него отражателя использовался пьезо излучатель типа VSB35EW0701B.

Рисунок 4 – Зависимость S1/S1max от амплиту- Схема экспериментальной уста ды вибрации при разных уровнях внешней новки представлена на рисунке 5. Из оптической обратной связи С.

лучение полупроводникового лазера 1, запитываемого от источника тока 2, направлялось на отражатель 3, закрепленный на пьезокерамике 4, колебания которой возбуждались генератором звуковых ко лебаний 5. Часть излучения, отраженного от объекта, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистри ровалось фотодетектором 6. Изменение уровня обратной связи производилось путем изменения степени фокусировки пучка лазерного излучения. Сигнал с фо тодетектора поступал через широкополосный усилитель 8, содержащий фильтр переменного сигнала 7, на вход аналого-цифрового преобразователя 9 компьюте ра 10 для сохранения в памяти и последующей обработки.

С помощью генератора звуковых колебаний в пьезокерамике вызывались дополнительные механические вибра ции, амплитуда которых изменялась во времени. Амплитуда дополнительных вибраций увеличивалась до тех пор, пока амплитуда первой гармоники Рисунок 5 – Блок-схема установки.

спектра автодинного сигнала не дости гала максимального значения, при котором фиксировался автодинный сигнал. По его спектру определялось максимальное значение амплитуды первой гармоники S1max. На рисунке 6 а приведены форма одного из измеренных автодинных сигна лов при максимальном значении первой спектральной составляющей. Его спектр приведен на рисунке 6 б. Усредненное значение S1max составило 0.277 отн. ед.

а в б г Рисунок 6 –Автодинный сигнал вибраций объекта (а) с амплитудой вибраций, соответ ствующей максимальному значению первой гармоники, его спектр (б), автодинный сиг нал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой (в) и его спектр (г).

Для определения уровня обратной связи амплитуду дополнительных меха нических колебаний увеличивали до микрометровых значений. На рисунке приведена форма экспериментального автодинного сигнала при микровибрациях.

Рисунок 7 – Измеренный автодинный сигнал при микровибрациях объекта для определения уровня обратной связи.

Усредненное отношение времени убывания ко времени нарастания состави ло 0.79. Такому отношению соответствует уровень внешней оптической обрат ной связи C = 0.53 (рисунок 2).

После исключения дополнительных механических колебаний измерялся ав тодинный сигнал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой при вычисленном уровне обратной связи и известных параметрах S1max и max. Форма и спектр измеренного автодинного сигнала приведена на рисунке 6 в и 6 г соот ветственно. Усредненное значение амплитуды первой гармоники Sx составило 0.207 отн. ед. Отношение Sx/S1max для приведенных экспериментальных автодин ных сигналов, составило величину 0.75.

Для полученного уровня обратной связи (С = 0.53) была построена нормиро вочная зависимость S1/S1max от амплитуды вибрации, представленная на рисунке 4, по которой была определена амплитуда нановибраций для автодинного сигна ла, приведенного на рисунке 6 в, которая составила 30 нм. Без учета уровня внешней оптической обратной связи (рисунок 4, кривая при C = 0.0001) измерен ная описанным выше методом амплитуда нановибраций составила 52 нм.

Результаты измерений амплитуды нановибраций с учетом уровня обратной связи и без его учета для различных уровней обратной связи приведены в табли це 1. Измерения проводились многократно с целью повышения их достоверно сти. При вычислениях использовались усредненные значения измеренных вели чин. По результатам измерений при различных уровнях обратной связи среднее значение амплитуды нановибраций составило 29 нм.

Как следует из результатов, приведенных в таблице 1, с ростом уровня об ратной связи увеличивается погрешность определения амплитуды нановибраций, по сравнению со случаем, когда влияние обратной связи в автодинной системе на результат измерений учитывается.

Таблица Измерен- Значение искомой ам- Значение амплиту- Относительная погрешность ды нановибраций ный уро- плитуды нановибраций определения амплитуды на с учетом уровня об вень обрат- без учета уровня новибраций без учета ной связи ратной связи, нм. обратной связи, нм. уровня обратной связи, % C = 0.19 30 36 C = 0.39 27 C = 0.53 30 52 Таким образом, в предложенном методе определения амплитуды нановибра ций, заключающемся в измерении величины первой гармоники спектра автодин ного сигнала, нормированной на ее максимальное значение, соответствующее из вестной амплитуде вибраций и измеряемое при изменении амплитуды возбуж даемых дополнительно механических колебаний, учет уровня внешней оптиче ской обратной связи позволяет значительно повысить точность измерений.

В четвертом разделе приведены результаты теоретической разработки и практической реализации метода определения ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

В случае движения объекта с неравномерно изменяющимся ускорением, время обхода лазерным излучением внешнего резонатора изменяется по закону:

2t t (t ) = (V0 + a(t )dt ) dt, (8) c0 где V0 – начальная скорость движущегося объекта, t – интервал времени наблю даемого автодинного сигнала на различных участках движения, a(t) – ускорение внешнего отражателя, изменяющееся во времени. Переменная нормированная составляющая автодинного сигнала имеет вид:

2t t P(t, C ) = cos (t, C ) (V0 + a(t ) dt )dt. (9) c0 Для нахождения изменяющегося во времени ускорения интервал наблюдения автодинного сигнала (4.3) можно разбить на n временных окон, в пределах каждого из которых значение ускорения an можно считать постоянным. В этом случае для каждого n-ого окна переменная нормированная составляющая автодинного сигнала будет иметь вид:

a t2.

P(t, C ) = cos (t, C ) (V0 n t + n ) (10) c Искомая величина ускорения определяется из решения обратной задачи, за ключающемся в определении минимума функционала, получаемого при сумми ровании квадратов разности экспериментальных Pэксп и теоретических Pтеор вели чин автодинного сигнала для различных временных интервалов:

S ( a,V0 ) = ( Pэксп (t i ) Pтеор (t i, a,V0, C )) 2. (11) i Объектом исследований было выбрано коммутационное электромагнитное реле типа 904.3747. Для придания якорю электромагнитного реле неравномерно го ускорения на реле подавался несимметричный одиночный импульс. Форма импульса задавалась с помощью встроенного в платформу NI ELVIS генератора импульсов, обеспечивающего нарастание и спад импульса по параболическому закону. Подобная форма импульса, подаваемого на реле, позволила реализовать движение объекта с ускорением, изменяющимся по линейному закону.

При проведении измерений на движущийся якорь реле направлялось лазер ное излучение. Излучение, отраженное от поверхности якоря, регистрировалось встроенным фотодетектором. С фотодетектора сигнал через АЦП поступал на компьютер, где и сохранялся для последующей обработки.

Вид измеренных автодинных сигналов при неравномерно ускоренном дви жении объекта для различных уровней внешней оптической связи приведен на рисунке 8.

Для определения уровней об ратной связи в автодинной системе при регистрации автодинных сиг налов, приведенных на рисунке 8, был использован метод, предло женный во второй главе диссерта ционной работы. Для автодинного сигнала, представленного на ри сунке 8 а, уровень внешней опти ческой обратной связи составил величину намного меньшую 1, т.е.

С = 0.03, для автодинного сигнала Рисунок 8 – Автодинные сигналы при неравномерно на рисунке 8 б уровень обратной ускоренном движении внешнего отражателя при раз связи составил 0.33. личных уровнях обратной связи C: a – 0.03, б – 0.33.

Для «очистки» измеренного сигнала от высокочастотных составляющих проводилось сглаживание экспериментальной кривой с использованием встроен ной функции математического пакета MathCad – ksmooth. Полученные в резуль тате сглаживания кривые использовались для сравнения с теоретической зависи мостью в соотношении (4.6). Для этого весь интервал наблюдения был разделён на несколько временных окон. Необходимо было на каждом временном интерва ле определить значение параметра a и убедиться в том, что объект исследований совершал неравномерно ускоренное движение. На рисунке 9 показана зависи мость изменения ускорения от времени, определённая в результате решения об ратной задачи описанным способом.

Рисунок 9 – Изменение ускорения объекта ис следований:

- результаты определения ускорения по ав тодинному сигналу, при уровне обратной свя зи С = 0.03;

- результаты определения ускорения с уче том уровня обратной связи, при С = 0.33;

- результаты определения ускорения без учета уровня обратной связи в, при С = 0.33;

- линейная зависимость, аппроксимирующая результаты определения ускорения при уров не обратной связи С= 0.03.

Среднеквадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинно му сигналу при уровне обратной связи С = 0.03, приведенному на рисунке 8 а, от аппроксимирующей линейной зависимости составило величину 0.012. Средне квадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинному сигналу при уровне обратной связи С = 0.33, приведенному на рисунке 8 б, без учета уровня обратной связи, от аппроксимирующей линейной зависимости составило величину 0.051. Среднеквадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинному сигналу при уровне обратной связи С = 0.33, приведенному на ри сунке 8 б, с учетом уровня обратной связи, от аппроксимирующей линейной за висимости составило величину 0.014. Из сравнения полученных зависимостей следует, что среднеквадратическое отклонение ускорения от аппроксимирующей линейной зависимости заметно меньше при учете уровня обратной связи.

Таким образом, учет уровня внешней оптической обратной связи в автодин ном сигнале позволяет повысить точность определения изменяющегося во вре мени ускорения при неравномерно ускоренных микросмещениях объекта.

В пятом разделе исследована возможность определения формы пульсовой волны лучевой артерии человека по сигналу полупроводникового лазерного ав тодина. Исследована возможность применения полупроводникового лазерного автодина для оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности по форме пульсовой волны.

Ранее было показано, что наибольшая опасность развития острой сосудистой недостаточности при стрессовых нагрузках имеется при наличии дисплазии со единительной ткани и нарушенной регуляции вегетативной нервной системы. К развитию коллапсоидной реакции может приводить сочетание этих двух факто ров даже при отсутствии явно выраженной патологии по каждому из них. Ука занные факторы могут быть определены по параметрам пульсовой волны.

В качестве анализируемых параметров пульсовой волны были выбраны сле дующие показатели: крутизна систолического подъема на участке быстрой и медленной фазы, скорость изменения пульсовой волны на катакроте, вариабель ность кардиоинтервалов, определяемая по временным интервалам между макси мумами (систолическими значениями) пульсовых волн.

Для анализа крутизны систолического подъема было предложено использо вать следующие временные параметры: отношение времени быстрого нарастания давления в систолу ВНбыстр к периоду пульсовой волны – Tпв (параметр П1), от ношение времени анакроты ВН к периоду пульсовой волны (параметр П2):

П1= ВНбыстр/ Tпв, (12) П2= ВН/ Tпв. (13) Временные интервалы ВНбыстр, ВН и Tпв отмечены на пульсовой волне, изо браженной на рисунке 10.

Для анализа формы пульсовой волны использо вался амплитудный пара метр П3, вычисляемый на её нисходящем участке (катак роте) по модулю второй производной от времени d2A/dt2:

d 2 Ai N П3 = (14) dt N i где N – количество точек пульсовой волны, в которых Рисунок 10 – Анализируемые параметры пульсовой вычислялась вторая произ волны (обследуемый №1).

водная по времени. Пара метры П1, П2 и П3 вычислялись как усредненные значения по всем периодам нормированных по амплитуде пульсовых волн.

При наличии отклонений в деятельности сосудистой системы форма пульсо вой волны изменяется (рисунок 11). При этом крутизна систолического подъема увеличивается, длительность уменьшается.

При нормальной форме пульсовой волны (рисунок 10) у условно здорового пациента вторая производная на участке катакроты плавно изменяется относи тельно нуля, что характеризует изменение кривизны и реакцию сосудов на фазы кровенаполнения.

Уменьшение среднего значе ния второй производной пульсо вой волны характеризует умень шение кривизны формы пульсовой волны и свидетельствует о при ближении формы на этом участке к линейному виду, что связано с отклонений в деятельности сосу дистой системы В таблице 2 приведены вы а численные параметры П1, П2 и П для трех обследуемых, формы пульсовых волн которых приведе ны на рисунках 10 и 11.

Активность вегетативной ре гуляции каждого обследуемого определялась по изменению дли тельности интервалов пульсовой волны и рассчитанным показате б лям хронотропной структуры сер Рисунок 11 – Примеры пульсовых волн с отклоне- дечного ритма – индексам Баев ниями формы:

ского.

а – обследуемый №2, б – обследуемый №3.

По вычисленным параметрам формы пульсовой волны в сочетании с оценкой типа вегетативной регуляции можно сделать вывод о риске возникновения острой сосудистой недостаточно сти.

Номер обследуемого П1 П2 П3 Были проведены эксперимен 1 0.19 0.23 27 ты по определению формы пульсо 2 0.1 0.17 7.1 вой волны лучевой артерии в об 3 0.09 0.11 10. ласти запястья по автодинному сигналу полупроводникового лазера. На рисунке 12 приведены измеренный ав тодинный сигнал и восстановленная из него форма пульсовой волны.

Таблица При работе автодинной системы в режиме слабой обратной связи автодин ный сигнал приобретает наклон, характеризующий направление движение отра жателя. Это позволило решить проблему определения направления движения стенки лучевой артерии при восстановлении функции движения.

Рисунок 12 – Измеренный автодинный сигнал P(t) – а, и восстановленная из него функция движения f(t) лучевой артерии в области запястья – б.

Примеры пульсовых волн испытуемых А. и Б., восстановленные из измерен ных автодинных сигналов, приведены на рисунке 13 (сплошная линия).

Также были проведены измерения пульсовых волн этих испытуемых с по мощью пневматического датчика давления (рисунок 13, штриховые линии).

Как следует из ре зультатов, приведенных на рисунке 13, формы пульсовых волн, изме ренных разными мето дами имеют отличия.

а Это может быть объяс нено тем, что лазерный автодинный метод явля ется бесконтактным, то гда как метод, основан ный на использовании б Рисунок 13 – Формы пульсовых волн: a – испытуемый А., b – пневматического датчи испытуемый Б.;

f(t) – форма пульсовой волны, полученная с ка давления, контакт помощью автодинной системы;

A1 и A2 – формы пульсовых ным, т.е. с ростом дав волн, измеренные с помощью пневматического датчика при ления в манжете (с уве давлении 50 и 70 мм рт. ст. соответственно.

личением воздействия на пульсирующую артерию) форма пульсовой волны может искажаться.

Из анализа рассчитанных по восстановленным формам пульсовых волн па раметрам П1, П2 и П3 и индексам Баевского была сделана оценка отсутствия рис ка возникновения острой сосудистой недостаточности у испытуемых А. и Б..

Таким образом, в работе описан метод восстановления формы пульсовой волны лучевой артерии по сигналу лазерного автодина с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

Показана возможность применения параметров формы пульсовой волны и измеренной вариабельность сердечного ритма для оценки степень риска возник новения острой сосудистой недостаточности.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Исследовано влияние уровня внешней оптической обратной связи на спектр автодинного сигнала при нановибрациях. Разработан метод определения амплитуды нановибраций объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом уровня внешней оптической обратной связи, основанный на из мерении величины первой гармоники спектра автодинного сигнала, нормирован ной на ее максимальное значение, соответствующее известной амплитуде вибра ций и измеряемое при изменении амплитуды возбуждаемых дополнительно ме ханических колебаний. Показано, что предложенный метод позволяет значитель но повысить точность измерений амплитуд нановибраций при учете уровня внешней оптической обратной связи.

2. Исследовано влияния внешней оптической обратной связи на форму авто динному сигнала полупроводникового лазера при неравномерно ускоренных микросмещениях объекта. Показано, что учет уровня внешней оптической обрат ной связи в автодинном сигнале позволяет повысить точность определения изме няющегося во времени ускорения при неравномерно ускоренных микросмещени ях объекта. При этом, среднеквадратическое отклонение ускорения от аппрокси мирующей линейной зависимости заметно меньше при учете уровня обратной связи.

3. Рассмотрена возможность использования полупроводникового лазерного автодина для определения формы пульсовой волны лучевой артерии человека.

Показано, что форма пульсовой волны лучевой артерии человека с учетом на правления смещения стенки лучевой артерии может быть восстановлена по авто динному сигналу полупроводникового лазера при учете влияния внешней опти ческой обратной связи. Установлено, что существенное отличие формы пульсо вой волны, восстановленной по сигналу лазерного автодина и с использованием пневматического датчика давления, обусловлено зависимостью формы пульсо вой волны от давления в окклюзионной манжете, и отличием в принципе измере ния с помощью автодинной системы, позволяющей проводить бесконтактные измерения при отсутствии давления контактирующего датчика на измеряемую область.

4. Проведенные исследования показали, что восстановленная форма пульсо вой волны из автодинного сигнала полупроводникового лазера коррелирует с пульсовой волной, измеренной с помощью датчика давления. Восстановленная форма пульсовой волны и измеренная вариабельность сердечного ритма характе ризуют степень риска возникновения острой сосудистой недостаточности.

Основные результаты диссертационной работы изложены в сле дующих публикациях:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК 1. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О., Калинкин М.Ю. Измерение ам плитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом влияния обратной связи // Письма в ЖТФ. 2012. Том 38, № 12. С. 81-86.

2. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О., Калинкин М.Ю. Определение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом внешней оптической обратной связи // Нано- и микросистемная техника.

2012. № 9. С. 43-49.

3. Усанов Д.А., Протопопов А.А., Бугаева И.О., Скрипаль А.В., Аверьянов А.П., Вагарин А.Ю., Сагайдачный А.А., Кащавцев Е.О. Устройство оценки риска воз никновения сердечно-сосудистой недостаточности при физической нагрузке // Медицинская техника, 2012. №2. С. 34-37.

Тезисы докладов на конференциях 4. Dmitry A. Usanov, Anatoly V. Skripal, Evgenii O. Kashchavtcev, and Michael Yu. Kalinkin Nanovibration amplitude measurement using semiconductor laser auto dyne // 10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Non contact Techniques - AIVELA 2012/ AIP Conf. Proc. 1457. 2012 P. 156- 5. Кащавцев Е.О., Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Добдин С.Ю.. Метод определе ния ускорения при микро- и наносмещениях объекта по сигналу лазерного авто дина с учетом влияния внешней оптической обратной связи // Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофото ника и нелинейная физика». – Саратов: Изд-во. Сарат. ун.-та. 2012. С. 71-72.

6. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О. Измерение микросмещений лу чевой артерии при прохождении пульсовой волны полупроводниковым лазерным автодином // Материалы Всероссийской молодежной конференции «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2012». – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 221-224.

7. Добдин С.Ю., Кащавцев Е.О., Астахов Е.И.. Лазерный автодинный измери тель параметров нановибраций, расстояния и ускорений при наносмещениях // Седьмой Саратовский Салон изобретений, инноваций и инвестиций г. Саратов.

20-22 марта 2012. С.59.

8. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О., Калинкин М.Ю. Метод опреде ления амплитуд нановибраций по сигналу лазерного автодина с учетом влияния внешней оптической обратной связи // Труды XV-той Международной конфе ренции «Опто-, наноэлектроника, Нанотехнологии и микросистемы» – Улья новск: УлГУ, 2012. С. 258-259.

9. Усанов Д.А., Протопопов А.А., Скрипаль А.В., Аверьянов А.П., Сагайдач ный А.А., Кащавцев Е.О. Скрининг-диагностика состояния сердечно-сосудистой системы юных спортсменов // V Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» 4-8 июня 2012 г. г. Троицк Московской области. С. 415 417.

Подписано в печать 23.11.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 300-Т.

Типография Саратовского университета.

410012, Саратов, Б. Казачья, 112А.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.