WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

ИПЧ – сокращение от Измеритель Психофизиогического состояния Человека. Протекание тока через объект исследования стимулируется внешним кратковременным высоковольтным потенциалом с дискретно регулируемым амплитудным значением 0–10 кВ, измерение тока производиться после фильтрации с выделением частотного диапазона 2–8 МГц. Данный аппаратно-программный комплекс (далее АПК) является основным инструментом, разрабатываемым в диссертации.

На основе имеющихся данных выполнена постановка задачи исследования для данной диссертационной работы.

Вторая глава посвящена вопросам моделирования некоторых особенностей и следствий упорядоченного движения электрических зарядов в биологических тканях, а также некоторым методам обработки данных. Моделирование плотности распределения высокочастотного тока по сечению биологической ткани проводится путем разбиения проводника на совокупное множество проводников (рис. 1), связанных между собой взаимными индуктивностями. При этом каждый

Рисунок 1. Разбиение проводника на составляющие.

проводник характеризуется величиной комплексного сопротивления, полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников. Расчет комплексного сопротивления производиться с учетом глубины проникновения тока в каждый элементарный проводник. Учитывается форма элементарных проводников: возможно производить расчет для проводников круглого, и квадратного сечения. Для эквивалентной схемы замещения (рис. 1), составлена система дифференциальных уравнений:

(1)

где p,s–потокосцепление контуров образованных соответствующими ветвями (p, s). Rn –активное сопротивление выделенного участка с номером n.

(2)

где Lk,k—собственная индуктивность элементарного проводника; Ls,p=Lp,s—взаимная индуктивность соответственно p и s элементарных проводников. Подставив (2) в (1) получим следующую систему уравнений:

(3)

где p=1,2,…,n; i—суммарный ток.

При синусоидальном токе в проводнике потокосцепление k и токи i0,i1,…,in в элементарных проводниках также изменяются по гармоническому закону. Поэтому можно воспользоваться символическим методом расчета токов в элементарных проводниках. Запишем систему (3) в символическом виде:

(4)

где j—мнимая единица, p=1,2,…,n; —суммарный комплексный ток.

Решая систему (4) и определив значения вещественных и мнимых составляющих тока в элементарных проводниках, можно вычислить плотность тока в них:

(5)

На основании предложенной модели, с использованием объектно-ориентированного языка программирования C++, реализована программа «DC» позволяющая рассчитывать плотность распределения тока в сложном неоднородном проводнике произвольного сечения. На основании предложенной модели произведен расчет распределения плотности тока по сечению пальца человека в случае размещения его на электроде прибора ИПЧ, при различных уровнях активации кожной перспирации.

Произведено моделирование процесса протекания электрического тока через тело человека в процессе ИПЧ исследования. В качестве модели тела человека был принят объем, содержащий водный 0.9% раствор соли NaCl. Примерно такой процент содержания соли характерен для жидкостей организма, в частности, плазмы крови. Тело человека замещалось прямолинейными проводниками эллиптического сечения с выбранным токоведущим контуром: палец—рука—туловище—рука. Учитывалась значительная вариабельность активного сопротивления поверхностных слоев кожи, от единиц до тысяч кОм в зависимости от их состояния. В результате моделирования показано хорошее соответствие результатов моделирования и практических измерений. Время затухания разрядного импульса при моделировании с рассчитанными параметрами модели составило 50 мкс, время полученное при анализе осциллограмм реальных разрядов составило 50-55 мкс. Произведена оценка падения напряжения на различных частях контура, образованного человеческим телом. Например, максимальное по амплитуде падение напряжения на пальце не превышает 3.36 В.

На основании вышеизложенных моделей произведен расчет теплового действия разрядного тока ИПЧ на ткани человека. Выбирались те участки тканей, где плотность тока была наибольшей, т. е. оценивался разогрев тканей пальца, для которого наибольшее амплитудное значение модуля плотности тока составило =2184 А/м2. Время длительности одного разрядного импульса принималось равным 100 мкс, частота импульсов 1 кГц, длительность пакета 2 сек; считалось, что теплообмена между соседними биологическими тканями с внешней средой во время действия пакета импульсов ИПЧ не происходит. Расчет производился по формуле:

, (6)

где Ti—время действия импульса; p—мгновенная мощность; Um—амплитудное значение напряжения; Im—амплитудное значение тока; =2f— круговая частота, dT—изменение температуры; dQ—изменение количества теплоты; C—теплоемкость; m—масса. В результате расчетов показано, что изменение температуры T биологической ткани элементарного проводника при непрерывном воздействии ИПЧ в течении 2 с, напряжении электрода 10 кВ, составит 0.0017 К.

Разработанные модели показали, что наибольший вклад в активное сопротивление тела человека и его динамическое изменение вносит сопротивление кожных тканей. На частотах выше сотен кГц заметный вклад в общий импеданс биологических тканей вносит реактивное сопротивление, причем с ростом частоты сопротивление понижается, благодаря емкостной природе клеточной электропроводимости. Полученные результаты теплового расчета позволяют сделать вывод о безопасности теплового воздействия токов ИПЧ на

биологические ткани.

В работе предложены два алгоритма фильтрации данных. Генетический алгоритм: фильтрация вектора данных, размещенного вдоль оси времени, на основе вероятностных оценок. Основная идея данного алгоритма заключена в прогнозировании нескольких наиболее вероятных значений шума и генетическом выборе из них наиболее жизнеспособного по известным особенностям поведения функции истинных данных, таких как: возможные значения производной, периодичность, диапазон возможных значений и т.д. Этап скрещивание в структуре генетического алгоритма. Вычисление вектора вероятности встречи всех возможных значений шума как разности вектора плотности

Рисунок 2. Генетический алгоритм.

распределения (параметра) и реальной плотности распределения k-го, элемента, производилось по формуле:

pожид. k=(pk-nk/N)*N, (7)

где pожиж.k –ожидаемая вероятность; pk–фактическая вероятность; nk–число встреч k-го элемента; N –число всех элементов в векторе шума.

Этап наследование, прогнозирование наиболее вероятных значений шума. Производится исходя из условия стремления фактической плотности распределения шума к некоторой заданной, и (или) полученной в результате анализа сигнала на интервалах времени, в которых значения истинного сигнала известно заранее.

Этап отбор, выбор значения шума. Проверка на выживаемость выбранных значений шума на основании критериев выбора.

Особенностью данного фильтра является возможность работы в режиме реального времени при необходимости периодического согласования с фактическим ходом событий, т. е. периодическое дополнение данных, содержащих шум, данными истинных значений функции или данными реальных значений шума.

Тщательный анализ данных ИПЧ показал: динамика изменения показаний ИПЧ, связанная с изменением психофизиологического состояния, имеет низкочастотный характер, спектральный анализ позволил заключить, что период их динамических изменений характеризуется временем порядка единиц и десятков минут. Таким образом, интересующая нас информация лежит в области частот ниже 0,02 Гц. Для возможности частотной фильтрации необходимо разнести частоту шума и частоту полезного сигнала в различные спектральные области. Решением данной задачи является повышение частоты шумовой составляющей, этого можно добиться, увеличив частоту регистрации данных ИПЧ. Увеличение частоты регистрации данных до 1 Гц, переводит шумовую составляющую в область частот на порядок выше частот полезного сигнала. С учетом этих особенностей сформирован алгоритм спектральной фильтрации на основании прямого и обратного преобразования Фурье. Причем, перед обратным преобразованием Фурье производится подавление амплитуд гармонических составляющих, образованных шумом. Также показано, что для успешной фильтрации необходимо иметь число значений в векторе данных более 500, время формирования такого вектора составляет 10 минут, при частоте следования пакетов 1 кГц. Таким образом, данный метод фильтрации наиболее эффективен при работе с ИПЧ.

В третьей главе рассмотрены принципы, базис и особенности разработки аппаратно-программных комплексов (далее АПК) на базе развитых принципов. Показано, что регистрируя токи, возбужденные внешним высокочастотным полем с различных частей тела, и сравнивая полученные величины, можно получить численный показатель асимметрии электропроводности, связанный с состоянием вегетативной нервной системы. Наблюдение полученного численного критерия во времени позволяет отслеживать динамику состояния вегетативной нервной системы. Предложен следующий способ формирования разностного вектора асимметрии:

, (8)

где Ri и Li – токи, характеризующие электропроводность правой и левой рук, соответственно, n – общее число измерений.

Для изучения зависимости дисперсии комплексной электропроводности биологических тканей от их состояния в широкой полосе частот для выявления наиболее информативного поддиапазона был разработан прибор (АПК АСТ) позволяющий производить спектральный анализ электропроводности в полосе частот 0,01–100 МГц. Принцип АПК АСТ основан на последовательном методе анализа. Прибор представляет собой автоматически перестраиваемый супергетеродинный приемник с индикацией выходного сигнала на электроннолучевом индикаторе и оцифровкой с возможностью вывода данных через USB порт на персональный компьютер (рис. 3). Результатом измерений является числовой вектор с диапазоном значений от 0 до 1023, представляющий зависимость амплитуды тока от частоты. В структурной схеме произведено разделение на составные блоки: БВЧ – высокой частоты; БПЧ – промежуточной частоты; БНЧ – низкой частоты; цифровой блок (рис. 3). В супергетеродинном приемнике применено последовательное преобразованием частот сначала к 200 МГц, затем 50 МГц далее к 3 МГц. Использование свипирования частоты третьего гетеродина дает возможность стабилизировать частоту первого гетеродина в дискретных точках посредством схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Тем самым обеспечивается возможность работы АСТ при узких полосах пропускания тракта промежуточной частоты (менее 1 кГц). Для работы с прибором с терминала ПК было разработано специальное программное приложение.

Рисунок 3. Блок схема АПК АСТ.

В процессе экспериментальных исследований было показано, что наиболее информативным с точки зрения неинвазивного анализа состояния биологических тканей является частотный диапазон 2–8 МГц. Именно в этом диапазоне проявляться эффекты диэлектрофореза и электровращения свойственные живым биологическим тканям. Причем в диапазоне частот 2–8 МГц наблюдается наиболее высокие значения дисперсии комплексной проводимости тканей.

На базе специально произведенных предварительных исследований, позволивших выбрать частотный диапазон 2–8 МГц и амплитуду воздействующего внешнего напряжения был разработан АПК ИПЧ. На рис.4 представлена блок-схема аппаратной части реализации АПК ИПЧ. Генератор разрядных импульсов (7) является источником высокочастотного, напряжения с дискретно регулируемой амплитудой от 0 до 10 кВ. Запуск разрядного импульса осуществляется с помощью оптронного ключа (6), управляемого центральным процессором (1). Обратная связь с оператором ИПЧ осуществляется через клавиатуру (3) и индикатор (4), также имеется возможность подключения ЭВМ (2). Работа цепочки преобразователя высокой частоты, состоящего из шести узлов, характеризуется фотографиями осциллограмм на выходе соответствующего звена.

Рисунок 4. Блок-схема АПК ИПЧ.

Центральный процессор со встроенным АЦП преобразовывает интегрированный импульс к численному значению в условных единицах. Блок питания (5) позволяет подключать прибор к источнику переменного напряжения 110—220В.

Прибор ИПЧ имеет три независимых измерительных канала и соответственно три разрядных электрода, два для регистрации токов с исследуемых поверхностей и один в качестве реперного канала для контроля атмосферного влияния. Электродом является стеклянная пластина с односторонним электропроводящим напылением. Поверхность стекла с напылением располагается снизу, на верхнюю поверхность устанавливается титановый цилиндр (диаметром 15 мм, высотой 25 мм) называемый тест-объект. С помощью клемм к тест-объекту подключается выносные физиологические электроды. Возможен способ физиологических измерений при непосредственной постановке пальцев на стеклянную поверхность электродов. С генератора (7) на проводящий слой электрода подается потенциал с нарастающим фронтом. При достижении некоторого значения напряжения на электроде возникает лавинный разряд. Через объект исследования протекает электрический ток, относительные значения которого измеряет ИПЧ, при помощи интегрирующего контура (9.1-9.6). LC-фильтр (9.1), позволяет выделить интересующий нас с точки зрения информативности частотный диапазон, 2–8 МГц. Далее усилитель (9.2) производит усиление тока выделенного частотного диапазона, линейный детектор (9.3) выпрямляет знакопеременный импульс, расширитель (9.4) обеспечивает заполнение пауз в пакете разрядных импульсов путем растяжения каждого импульса, далее сигнал повторно детектируется (9.5) и поступает на интегратор (9.6), представляющий собой емкость. Напряжение на емкости интегратора устанавливается пропорционально интегральной сумме тока разрядного пакета, и преобразуется в числовое от 0 до 4096 при помощи встроенного в процессор АЦП.

Для обеспечения обмена данными, управления прибором с терминала ПК, и текущего мониторинга было разработано специальное программное приложение на языке C++. Приложение позволяет производить предварительную обработку данных и их визуализацию в режиме реального времени, сохранять полученные данные в файл для последующего анализа при помощи современных, стандартных статистических средств.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»