Основная часть. Совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности

Реферат

 

Отчет 131 с., 1 ч., 36 рис., 1 табл., 113 источн., 0 прил.

 

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

 

В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 4 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 - совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биоткани по результатам экспериментов на разработанной установке на предыдущих этапах научно-исследовательской работы.

 

Теоретические и экспериментальные исследования

 

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

 

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Усовершенствован макет лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. Выбраны три конструкции датчиков, позволяющие регистрировать пульсовую кривую при различных задаваемых параметрах потока излучения. Предложена схема генератора тестовых сигналов определенной формы для тестовой оценки аппаратуры и программного обеспечения.

2. Приведены эксперименты по исследованию установки контроля изменений оптической плотности биоткани с изменением потока излучения и с тремя типами датчиков фотоплетизмографа на испытуемых. Эксперименты позволили провести оценку влияния артефактов по результатам измерений. Было установлено, что мощность излучения, падающего на биоткань, влияет на количество артефактов, возникающих при проведении экспериментов. В качестве испытуемых (30 человек) привлекались студенты университета. Для обработки данных измерений использовалась усовершенствованная программа обработки фотоплетизмограмм.

3. Продолжены эксперименты на установке контроля изменений оптической плотности водных сред. Проведенные обработка и анализ кривых изменения оптической плотности показали стабильность регистрации аварийного сгустка на ряде модельных жидкостей с достоверностью обнаружения сгустка более 80%. Результаты экспериментов позволили сформулировать технические требования к промышленной установке для регистрации сгустка масла. Для подтверждения спектральных параметров излучателя были проведены измерения спектрального состава масла на спектрофотометре КФК-3М.

4. Усовершенствована программа обработки фотоплетизмограмм, в которую введены опции сбора статистического материала по обнаружению и исключению аномальных пульсовых кривых на основании критериев превышения по времени и амплитуде получаемых кривых. С использованием усовершенствованной программы проведены эксперименты на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности биоткани.

5. Создана программа управления заслонками для установки контроля сточных вод предприятия для первого типа аварийной ситуации. Приведена апробация программы на достоверность обнаружения аварийного «сгустка» и формирования сигнала управления заслонками.

6. Завершенные исследования по четвертому этапу НИР позволили усовершенствовать лабораторные установки для исследования изменений оптической плотности неоднородных сред (водная среда и биоткань). По литературным источникам за рубежом не известны созданные установки контроля неоднородных сред с автоматическим обнаружением аварийных сгустков в водных средах и артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПО ТЕСТИРОВАНИЮ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ.. 9

1.1 У совершенствование макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. 9

1.2 О бработка кривых изменения оптической плотности водных сред. 17

1.3 Д оработка программного обеспечения для лабораторных установок контроля изменений оптической плотности биоткани и водных сред. 31

1.3.1 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности биоткани. 31

1.3.2 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред. 37

1.4 Публикация материалов исследований.. 51

1.4.1 Материалы докладов международных конференций.. 51

1.4.1.1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 52

1.4.1.2 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... 53

1.4.1.3 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 56

1.4.1.4 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... 57

1.4.1.5 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 58

1.4.1.6 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... 59

1.4.1.7 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 60

1.4.1.8 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... 61

1.4.1.9 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... 62

1.4.1.10 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... 67

1.4.1.11 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 72

1.4.1.12 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 73

1.4.1.13 Копии материалов двух докладов на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы... 74

1.4.2 Копия решения ФИПС от 12.09.2012 о выдаче патента на изобретение «Источник импульсного лазерного излучения» авторов В.А. Алексеева, С.И. Юрана, А.С. Перминова, М.А. Стерховой по заявке №2011137390 от 09.09.2011. 79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 80

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 82

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Проведенные на третьем этапе исследования завершились разработкой методики автоматического обнаружения и контроля аварийных выбросов в сточных водах промышленных предприятий и совершенствование на ее основе лабораторной установки по контролю изменений оптической плотности неоднородных оптических сред.

Выбранный класс неоднородных оптических сред характеризуется в динамике наблюдения за оптической плотностью водных сред и биотканей резким изменением параметров по амплитуде и длительности. В случае рассматриваемых водных сред – это появление «сгустков» оптической плотности, а для биоткани человека и животных изменением кровенаполнения, характеризующегося в виде пульсовых кривых. Сложность фиксации пульсовых кривых в биоткани вызвана наличием различных артефактов, к которым возможно отнести, как дыхательные волны, так и механические сдвиги и колебания биоткани относительно оптической оси конструкции излучатель-фотоприемник.

Качественная регистрация пульсовых кривых требует устранения артефактов, как на схемотехническом уровне, так и при обработке получаемых данных.

Цель настоящего этапа работы – совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биоткани по результатам экспериментов на разработанной установке на предыдущих этапах НИР.

Для достижения поставленной цели в настоящем отчете приведены результаты решения следующих задач:

1. Экспериментальное исследование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей в различных режимах энергии излучения и с использованием различных конструкций датчиков.

2. Доработка макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей с использованием различных конструкций датчиков и схемы генератора тестовых сигналов.

3. Обработка и анализ кривых изменения оптической плотности водных сред с разработкой предложений по совершенствованию системы управления обнаружением аварийных выбросов.

4. Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности биоткани, позволяющего накапливать данные об устранении артефактов машинным способом.

5. Доработка программного обеспечения установки контроля оптической плотности водных сред, позволяющего управлять заслонками для случая возникновения первого типа аварийной ситуации.

Объектом исследования является лабораторная установка по контролю изменений оптической плотности неоднородных оптических сред (биоткань и водная среда).

Предметом исследования являются эксперименты и программное обеспечение для установок контроля изменений оптической плотности биоткани и водных сред.

Все указанные задачи выполнены. В результате усовершенствованы лабораторные установки по тестированию биотканей и водных сред с использованием новых программ обработки результатов измерений.

 

БИОТКАНЕЙ

 

А б

 

Рисунок 1 - Внешний вид датчика с фотодиодом и двумя ИК светодиодами- а, конструкция датчика – б, где 1 – корпус датчика; 2 – фотодиод; 3 – светодиод; 4 – подложка для крепления светодиода и фотодиода; 5 – провод питания датчика

 

 

 

Рисунок 2 - Внешний вид планарного оптоэлектронного датчика с ИК оптопарой

 

 

 

Рисунок 3 - Внешний вид трансмиссионного оптоэлектронного датчика с ИК оптопарой

 

 

Для каждого датчика эксперименты проводились при трех токах источников излучения в диапазоне 1…10 мА, что обеспечивалось системой регулировки тока источника питания. Изменение тока в источниках излучения позволило проводить эксперименты при различной плотности энергии излучения светодиода. Контроль излучения осуществлялся по сигналу на выходе первого каскада фотоусилителя при нажатии кнопки на шкале тока излучателя (см. рисунок 4). При увеличении тока излучателя практически пропорционально возрастал сигнал на выходе первого каскада фотоусилителя, что подтверждало корректность работы датчика.

Регистрация фотоплетизмограмм осуществлялась при различных коэффициентах усиления каскадов фотоусилителя и различных токах через излучатель (рисунок 4). Для масштабирования сигналов использовался переключатель чувствительности сигнала (5, 10 и 15 мВ/дел.). Время регистрации сигнала для каждого опыта составляло около 60 с, что обеспечивало в дальнейшем корректность статистической обработки кривых.

 

 

Рисунок 4 - Окно настроек, формируемое программой установки

 

Крепление датчиков на фаланге пальца испытуемого осуществлялось с помощью ленты велькро, что обеспечивало практически постоянный прижим датчика к биоткани [1]. До проведения опытов испытуемый находился в лаборатории не менее 30 минут для обеспечения стабилизации температуры поверхности биоткани. Рука пациента располагалась на поверхности стола в спокойном состоянии. Поскольку в разработанной электрической схеме установки использован импульсный режим работы источника излучения частотой 10 кГц, изоляция (экранирование) датчика от внешних источников света не проводилась.

После регистрации файлов пульсовых кривых проводилась их обработка с помощью разработанной программы (см. раздел 1.3.1), которая позволяла оценивать уровень артефактов [2, 3] в записанной реализации пульсовых кривых по количеству исключенных из нее фотоплетизмограмм, искаженных артефактами (см. таблицу 1 и рисунки 5 - 8). Это позволит в дальнейшем правильно выбрать конструкцию и режимы работы оптоэлектронных датчиков, в меньшей степени зависящие от различных артефактов [4], а также оценить возможности разработанной программы по устранению артефактов.

В имени файла, приведенном в первой графе таблицы, указаны режимы работы установки при регистрации фотоплетизмограмм:

X-YY-kZZ-faze-KK-ФНЧ-MMmv,
где:

X – код испытуемого,

YY – величина, характеризующая ток излучателя (см.рисунок 4),

ZZ – значение коэффициента усиления по шкале Оконечный усилитель (рисунок 4).

KK – значение фазы тактового сигнала,

ФНЧ – наличие фильтра низких частот (значение частоты 12,5 Гц),

MM – значение коэффициента масштабирования сигнала (5, 10 и 15 мВ/дел. Запись 5mv-10mv означает, что при регистрации сигнала использовались оба коэффициента масштабирования сигнала).

Проведенные эксперименты по тестированию биотканей с использованием ряда разработанных оптоэлектронных датчиков, исследование которых проводилось в различных режимах, показали, что для совершенствования методики тестирования и расширения диапазона тестируемых сигналов целесообразно применять тестирующее устройство в виде генератора сигналов специальной формы. Генератор сигналов используется для отладки и испытания автоматизированного фотоплетизмографа. Разработанная структурная схема генератора приведена на рисунке 9.

 

 

Таблица 1 – Результаты обработки фотоплетизмограмм

Процент годных

Трансмиссионный датчик (работающий на просвет ткани

96,89

79,43

99,31

99,31

92,43

73,38

Планарный датчик (работающий на обратное рассеяние)

75,92

5,85

39,43

4,41

37,31

16,80

51,24

24,86

77,10

Отброшено

Длина сигнала

Годных отсчетов

Допуск по

X

T

Оценочное X

Прореж. по

X

T

Имя файла

Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv

Q-15-k20,2-faze-106,8-ФНЧ-5mv

Q-15-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-15-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-15-k50-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-20-106,8-ФНЧ-5mv

Q-20-k30,6-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-k40-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-20-k50-faze-106,8-ФНЧ-5mv-10mv

Q-25-k30,6-faze-106,8-ФНЧ-10mv

 

 

 

Рисунок 5 – Фотоплетизмограмма (файл Q-25-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 6 – Фотоплетизмограмма (файл Q-30-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 7 – Фотоплетизмограмма (файл Q-34-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

Рисунок 8 – Фотоплетизмограмма (файл Q-40-k20-faze-162,3-ФНЧ-5mv, трансмиссионный датчик)

 

В основе построения генератора лежит синтез аналогового сигнала по его образу, записанному в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) прибора.

 

Рисунок 9 - Структурная схема генератора

 

Основным управляющим устройством генератора является микроконтроллер. Он принимает от компьютера команды изменения параметров сигнала и выдает соответствующие команды другим блокам генератора. Устройство управления принимает и устанавливает частоту, смещение и амплитуду тестирующего сигнала.

Генератор через интерфейс подключен к компьютеру. В компьютере формируются необходимые испытательные сигналы. Далее оцифрованная форма сигнала загружается в ОЗУ. По команде происходит инкрементная выборка адреса ОЗУ. Данные с ОЗУ поступают на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). С ЦАП через фильтр нижних частот (ФНЧ) аналоговый сигнал поступает на формирователь сигнала. В формирователе обеспечивается регулировка усиления, смещение сигнала по постоянному напряжению, а также согласование с оптодиодом. Оптическая развязка позволяет непосредственно подключить генератор к автоматизированному фотоплетизмографу. Роль внешней синхронизации генератора выполняют модулирующие импульсы, подаваемые на источник излучения.

С помощью данного генератора можно создавать эталоны образцовых пульсовых кривых, широкий спектр эталонов артефактов различной природы, эталоны, имитирующие заболевания сердечно-сосудистой системы [5 - 7].

 

 

Описание типов данных

Для программной реализации разработанного алгоритма введем понятие динамического списка:

Определение. Динамическим списком называется структура данных, каждый элемент которой посредством указателя связывается со следующим элементом.

Из определения следует, что каждый элемент списка содержит поле данных (Data) (оно может иметь сложную структуру) и поле ссылки на следующий элемент (Next). Поле ссылки последнего элемента должно содержать пустой указатель (Nil).

Схематически это выглядит так (рисунок 33):

Рисунок 33 - Схема динамического списка

 

В данной работе используем структуру «список списков»:

 

pelem=^elem; {список состояния}

elem=record

number:real;

next:pelem;

end;

pmas=^mas; {список списков состояния}

mas=record

arr:pelem;

nextmas:pmas;

end;

 

Описание переменных

Для разработки программы введем следующие переменные и константы:

- положение равновесия естественных колебаний оптической плотности;

- амплитуда естественных колебаний оптической плотности;

- интервал времени, за который грязевое пятно доходит до заслонки;

L₀ – длина начального участка определенного периода времени (заведомо не может быть аварии);

L – длина рабочего участка;

- переменная, показывающая номер измерения отсчета сигнала;

- текущее значение оптической плотности в момент времени, соответствующее измерению отсчета номер i;

- текущее значение времени в момент времени, соответствующее измерению отсчета номер i;

- минимальная величина времени, соответствующая длительности потока загрязняющего вещества, проходящего через трубу (для 1, 2, 3 случаев);

- максимальная величина времени, соответствующая длительности потока загрязняющего вещества, проходящего через трубу (для 1, 2, 3 случаев);

- длительность последнего (текущего) скачка оптической плотности;

- длительность одного прошедшего скачка (для , где - число прошедших скачков);

- минимальное значение длительности одного скачка для 2, 3 случаев соответственно.

На рисунке 34 представлен алгоритм, составленный после проведения сравнительной характеристики двух алгоритмов.

 

Рисунок 34 - Общий алгоритм функционирования установки контроля оптической плотности водных сред

 

Выходные данные

 

Для удобства при работе с программой, а также для проверки ее результатов, введены следующие выходные данные:

Notcrashlength – длина безаварийного промежутка;

Crash – начало аварии;

Open – открытие заслонки для сброса грязевого пятна;

Crashlength – длина аварийного промежутка;

Notcrash – окончание аварии;

Close – закрытие заслонки.

Все указанные данные выводятся на экран после отработки программы, измеряются в условных единицах i. Далее при усовершенствовании программы несложно будет связать данную переменную с параметром времени.

Разработанная программа апробирована на тестовых задачах при проведении лабораторного эксперимента на установке. На рисунке 35 приведен пример изменения оптической плотности аварийной ситуации.

 

Рисунок 35 - График аварийной ситуации

Программа, отработав полностью, выводит результат, представленный на рисунке 36.

 

Рисунок 36 - Результат обработки данных

 

Дословно он обозначает: длина безаварийного промежутка 229 измерений, на 230 измерении начинается авария и на 235 измерении открывается заслонка автоматического сброса. На 286 измерении авария заканчивается и начинается вновь безаварийный промежуток, заслонка закрывается на 291 измерении. Длина аварийного промежутка 56 измерений. Таким образом, разработанная программа позволяет обнаруживать аварийный сгусток для первого типа аварии, описанного в отчете по третьему этапу темы.

Ниже приведен листинг программы.

 

uses crt;

const

P_0=0;

delta_P=30;

delta_T=5;

 

type

pelem=^elem;

elem=record

number:real;

next:pelem;

end;

pmas=^mas;

mas=record

arr:pelem;

nextmas:pmas;

end;

var

firstnotcrash,firstcrash:pmas;

notcrash,crash:pmas;

notcrash1,crash1:pelem;

f:text;

i,crashlength,notcrashlength:integer; P_i:real;

fl:boolean;

 

procedure stackinitnotcrash;

begin

new(firstnotcrash);

new(notcrash);

new(notcrash1);

firstnotcrash^.nextmas:=notcrash;

notcrash^.nextmas:=notcrash;

end;

 

procedure stackinitcrash;

begin

new(firstcrash);

new(crash);

new(crash1);

firstcrash^.nextmas:=crash;

crash^.nextmas:=crash;

end;

 

procedure pushnotcrash(v:pelem);

var t:pmas;

begin

new(t);

t^.arr:=v;

t^.nextmas:=firstnotcrash^.nextmas;

firstnotcrash^.nextmas:=t;

end;

 

procedure pushcrash(v:pelem);

var t:pmas;

begin

new(t);

t^.arr:=v;

t^.nextmas:=firstcrash^.nextmas;

firstcrash^.nextmas:=t;

end;

 

procedure pushnotcrash1(v:real);

var t:pelem;

begin

new(t);

t^.number:=v;

t^.next:=notcrash1^.next;

notcrash1^.next:=t;

end;

 

procedure pushcrash1(v:real);

var t:pelem;

begin

new(t);

t^.number:=v;

t^.next:=crash1^.next;

crash1^.next:=t;

end;

procedure start(var fl:boolean);

begin

if fl=false then begin

fl:=true;

writeln('notcrashlength=',notcrashlength);

crashlength:=1;

write('crash');

writeln(' i=',i);

end

else crashlength:=crashlength+1;

 

if crashlength=delta_T+1 then begin

write('open');

writeln(' i=',i);

end;

end;

 

procedure finish(var fl:boolean);

begin

if fl=true then begin

fl:=false;

writeln('crashlength=',crashlength);

notcrashlength:=1;

write('notcrash');

writeln(' i=',i);

end

else notcrashlength:=notcrashlength+1;

 

if (notcrashlength=delta_T+1) and (i<>delta_T+1) then begin

write('close');

writeln(' i=',i);

end;

end;

 

begin

clrscr;

fl:=false;

i:=0;

stackinitcrash;

stackinitnotcrash;

assign(f,'D:\p1.txt');

reset(f);

while not eof(f) do begin

read(f,P_i);

i:=i+1;

if P_i<(delta_P+P_0) then begin

finish(fl);

pushnotcrash1(P_i);

pushnotcrash(notcrash1);

end

else begin

start(fl);

pushcrash1(P_i);

pushcrash(crash1);

end;

end;

close(f);

readkey;

end.

 

 

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

 

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

 

 

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию

Копия решения ФИПС от 12.09.2012 о выдаче патента на изобретение «Источник импульсного лазерного излучения» авторов В.А. Алексеева, С.И. Юрана, А.С. Перминова, М.А. Стерховой по заявке №2011137390 от 09.09.2011

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы НИР (4 этап) заключаются в следующем.

1. Усовершенствован макет лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. Выбраны три конструкции датчиков, позволяющие регистрировать пульсовую кривую при различных задаваемых параметрах потока излучения. Предложена схема генератора тестовых сигналов определенной формы для тестовой оценки аппаратуры и программного обеспечения.

2. Приведены эксперименты по исследованию установки контроля изменений оптической плотности биоткани с изменением потока излучения и с тремя типами датчиков фотоплетизмографа на испытуемых. Эксперименты позволили провести оценку влияния артефактов по результатам измерений. Было установлено, что мощность излучения, падающего на биоткань, влияет на количество артефактов, возникающих при проведении экспериментов. В качестве испытуемых (30 человек) привлекались студенты университета. Для обработки данных измерений использовалась усовершенствованная программа обработки фотоплетизмограмм.

3. Продолжены эксперименты на установке контроля изменений оптической плотности водных сред. Проведенные обработка и анализ кривых изменения оптической плотности показали стабильность регистрации аварийного сгустка на ряде модельных жидкостей с достоверностью обнаружения сгустка более 80 %. Результаты экспериментов позволили сформулировать технические требования к промышленной установке для регистрации сгустка масла. Для подтверждения спектральных параметров излучателя были проведены измерения спектрального состава масла на спектрофотометре КФК-3М.

4. Усовершенствована программа обработки фотоплетизмограмм, в которую введены опции сбора статистического материала по обнаружению и исключению аномальных пульсовых кривых на основании критериев превышения по времени и амплитуде получаемых кривых. С использованием усовершенствованной программы проведены эксперименты на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности биоткани.

5. Создана программа управления заслонками для установки контроля сточных вод предприятия для первого типа аварийной ситуации. Приведена апробация программы на достоверность обнаружения аварийного «сгустка» и формирования сигнала управления заслонками.

6. Завершенные исследования по четвертому этапу НИР позволили усовершенствовать лабораторные установки для исследования изменений оптической плотности неоднородных сред (водная среда и биоткань). По литературным источникам за рубежом не известны созданные установки контроля неоднородных сред с автоматическим обнаружением аварийных сгустков в водных средах и артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.

 

 

Реферат

 

Отчет 131 с., 1 ч., 36 рис., 1 табл., 113 источн., 0 прил.

 

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

 

В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 4 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 - совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биоткани по результатам экспериментов на разработанной установке на предыдущих этапах научно-исследовательской работы.

 

Теоретические и экспериментальные исследования

 

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

 

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Усовершенствован макет лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. Выбраны три конструкции датчиков, позволяющие регистрировать пульсовую кривую при различных задаваемых параметрах потока излучения. Предложена схема генератора тестовых сигналов определенной формы для тестовой оценки аппаратуры и программного обеспечения.

2. Приведены эксперименты по исследованию установки контроля изменений оптической плотности биоткани с изменением потока излучения и с тремя типами датчиков фотоплетизмографа на испытуемых. Эксперименты позволили провести оценку влияния артефактов по результатам измерений. Было установлено, что мощность излучения, падающего на биоткань, влияет на количество артефактов, возникающих при проведении экспериментов. В качестве испытуемых (30 человек) привлекались студенты университета. Для обработки данных измерений использовалась усовершенствованная программа обработки фотоплетизмограмм.

3. Продолжены эксперименты на установке контроля изменений оптической плотности водных сред. Проведенные обработка и анализ кривых изменения оптической плотности показали стабильность регистрации аварийного сгустка на ряде модельных жидкостей с достоверностью обнаружения сгустка более 80%. Результаты экспериментов позволили сформулировать технические требования к промышленной установке для регистрации сгустка масла. Для подтверждения спектральных параметров излучателя были проведены измерения спектрального состава масла на спектрофотометре КФК-3М.

4. Усовершенствована программа обработки фотоплетизмограмм, в которую введены опции сбора статистического материала по обнаружению и исключению аномальных пульсовых кривых на основании критериев превышения по времени и амплитуде получаемых кривых. С использованием усовершенствованной программы проведены эксперименты на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности биоткани.

5. Создана программа управления заслонками для установки контроля сточных вод предприятия для первого типа аварийной ситуации. Приведена апробация программы на достоверность обнаружения аварийного «сгустка» и формирования сигнала управления заслонками.

6. Завершенные исследования по четвертому этапу НИР позволили усовершенствовать лабораторные установки для исследования изменений оптической плотности неоднородных сред (водная среда и биоткань). По литературным источникам за рубежом не известны созданные установки контроля неоднородных сред с автоматическим обнаружением аварийных сгустков в водных средах и артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПО ТЕСТИРОВАНИЮ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ.. 9

1.1 У совершенствование макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. 9

1.2 О бработка кривых изменения оптической плотности водных сред. 17

1.3 Д оработка программного обеспечения для лабораторных установок контроля изменений оптической плотности биоткани и водных сред. 31

1.3.1 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности биоткани. 31

1.3.2 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред. 37

1.4 Публикация материалов исследований.. 51

1.4.1 Материалы докладов международных конференций.. 51

1.4.1.1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 52

1.4.1.2 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... 53

1.4.1.3 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию.... 56