Біотехнічна система на основі ефекту Кірліан для аналізу рідинно-фазних об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи

Біотехнічна система на основі ефекту Кірліан для аналізу рідинно-фазних об'єктів

Коломієць Роман Олександрович

Вінниця - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському державному технологічному університеті

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Манойлов В'ячеслав Пилипович, Житомирський державний технологічний університет, завідувач кафедри радіотехніки і телекомунікацій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кожем'яко Володимир Прокопович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки,

доктор технічних наук, професор Шарпан Олег Борисович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри теоретичних основ радіотехніки.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Ю. Кучерук

Анотація

рідинний вимірювальний тракт

Коломієць Р.О. Біотехнічна система на основі ефекту Кірліан для аналізу рідиннофазних об'єктів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2011.

В дисертаційній роботі подано теоретичне обґрунтування і нові рішення наукової задачі удосконалення та розширення функціональних можливостей методу газорозрядної візуалізації (ГРВ) рідиннофазних об'єктів. Дістали подальший розвиток газорозрядні системи на основі ефекту Кірліан шляхом введення у вимірювальний тракт ланки оброблення форми зміни електричного струму розряду. Удосконалено математичну модель взаємодії електричного поля з рідиннофазним об'єктом в ході процесу газорозрядної візуалізації, що дало змогу теоретично обґрунтувати технічні параметри генераторів для газорозрядної візуалізації та реєстрації ефекту Кірліан. Вперше введено і визначено новий параметр для описання фрактальних кірліан-зображень - фрактальний спектр. Розроблена методика визначення ГРВ-параметрів рідиннофазних об'єктів, що дало змогу синтезувати систему для якісного експрес-аналізу стану рідин. Розроблені алгоритми обчислення ГРВ-параметрів рідиннофазних об'єктів, що дало змогу кількісно описувати кірліан-зображення. Проаналізовані джерела похибок, які впливають на результат реєстрації кірліан-зображень і показано, що найбільший вплив мають похибки, які вносяться оптичною системою та фоточутливою матрицею. Визначені ГРВ-характеристики деяких широко використовуваних у медичній практиці рідин, що дало змогу використати їх в якості еталонних при ГРВ-дослідженнях рідиннофазних об'єктів.

Ключові слова: ефект Кірліан, метод газорозрядної візуалізації, обробка і аналіз фрактальних зображень.

Аннотация

Коломиец Р.А. Биотехническая система на основе эффекта Кирлиан для анализа жидкофазных объектов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - Биологические и медицинские приборы и системы. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2011.

В диссертационной работе подано теоретическое обоснование и новые решения научной задачи усовершенствования и расширения функциональных возможностей метода газоразрядной визуализации (ГРВ) жидкофазных объектов.

Автором проведен обзор применений метода газоразрядной визуализации в медицине и проанализированы все известные на сегодняшний день способы регистрации эффекта Кирлиан. Показано, что метод газоразрядной визуализации в его классической реализации является малоэффективным для количественного анализа подопытных объектов, что обусловлено его вероятностной природой и тем, что газовый разряд во время передачи информации о состоянии подопытного объекта является лишь ”посредником”, а его изображение зависит от внешних условий формирования. Также в классическом подходе к ГРВ не контролируется форма и уровень разрядного тока, но изменения состояния подопытного объекта могут сильно влиять на них. В медицинской практике основное направление применения метода ГРВ интегральная диагностика человеческого организма. Рядом с тем в медицинской практике часто имеют дело с разными водными растворами, анализу которых до последнего времени уделялось немного внимания исследованиям их газоразрядным методом.

Исходя из возможностей метода газоразрядной визуализации, одна из задач данного исследования была определена как необходимость создать скринингову систему качественной экспресс-диагностики пробы водного раствора по принципу ”норма/патология”. Создание такой системы дало возможность определять качество дистиллированной воды (чистоту, степень дистилляции) или новокаинового раствора для приготовления лекарств, качество приготовления физраствора или других водных растворов, которые используются в медицинской практике без использования дорогих и длительных химических методов контроля.

Предложено усовершенствование существующих ГРВ-систем на основе эффекта Кирлиан путем введения в измерительный тракт звена обработки формы изменения электрического тока газового разряда. Усовершенствована математическая модель взаимодействия электрического поля с жидкофазным объектом в ходе процесса газоразрядной визуализации, что дало возможность теоретически обосновать технические параметры генераторов для ГРВ и регистрации эффекта Кирлиан. Показано, что широко применяющиеся в классической реализации метода ГРВ параметры для количественного описания кирлиан-изображений фрактальная размерность и коэффициент формы не являются константами вещества, а есть функциями напряженности электрического поля, в котором происходит визуализация. Поэтому во всех ГРВ-системах обязательно должны нормироваться выходное напряжение и сопротивление изоляции электродов.

Впервые введен и определен новый параметр для описания фрактальных кирлиан-изображений - фрактальный спектр - и показано, что его вид (дискретный или непрерывный) определяется способом получения кирлиан-изображений. Это дало возможность создать новую классификацию кирлиан-изображений и указать на характерные черты (параметры) изображений каждой группы (а это, в свою очередь, значительно упростило классический алгоритм распознавания кирлиан-изображений).

Разработана методика определения ГРВ-параметров жидкофазных объектов, что дало возможность синтезировать систему для качественного экспресс-анализа состояния жидкостей. Проведены исследования низкочастотного и высокочастотного генераторов для газоразрядной визуализации, проанализированы преимущества и недстатки обеих вариантов. Показано, что низкочастотный генератор для газоразрядной визуализации более удобен в работе, потребляет меньше мощности и дает возможность анализировать спектр разрядного тока - в отличие от высокочастотного генератора, единственным существенным преимуществом которого является крайне малая глубина проникновения электрического поля в среду и возможность проведения исследований объектов in vivo. Разработаны алгоритмы вычисления ГРВ-параметров жидкофазных объектов, что дало возможность количественно описывать кирлиан-изображения. На основе разработанніх алгоритмов создано специализированное программное обеспечение для расчета фрактально-геометрических параметров кирлиан-изображений.

Проанализированы источники погрешностей, которые влияют на результат регистрации кирлиан-изображений и показано, что наибольшее влияние имеют погрешности, которые вносятся оптической системой и фоточувствительной матрицей. Разработан критерий эффективности газоразрядных систем на основе эффекта Кирлиан, благодаря которому теперь есть возможность комплексного учета преимуществ и недостатков разных ГРВ-систем и возможность количественного сравнения ГРВ-аппаратуры различных производителей с целью оптимального выбора аппаратуры для исследований в зависимости от вида и природы подопытных объектов.

Определены ГРВ-характеристики некоторых широко используемых в медицинской практике жидкостей, что дало возможность использовать их в качестве эталонных при дальнейших ГРВ-исследованиях жидкофазных объектов.

Ключевые слова: эффект Кирлиан, метод газоразрядной визуализации, обработка и анализ фрактальных изображений.

Abstract

Kolomiyets R.A. Biotechnical system based on Kirlian's effect for analysis of liquid objects. - А manuscript.

The dissertation for competition the candidate degree of engineering science on speciality 05.11.17 - Biological and Medical Equipment and Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2011.

The dissertation considers the theoretical basics and new decisions of scientific task of improvement and expansion of functional possibilities of gas-discharge visualization (GDV) method for liquid objects.

Architecture of the gas-discharging systems got subsequent development by introduction to the measuring highway the link of treatment of form and change of electric current. The mathematical model of interaction of electric-field with a liquid object during the process of GDV has been improved, and that enabled to base one's arguments the technical parameters of GDV-generators in theory.

A new parameter is first entered and certain for description of fractal kirlian-images is a fractal spectrum. It enabled to create new classification of kirlian-images and simplified the classic algorithm of kirlian-image's recognition. The method of determination of GDV-parameters of liquid objects is developed, that enabled to synthesize the system for quick analysis of the liquids' state. The algorithms of calculation of GDV-parameters for liquid objects are developed, that enabled to describe a kirlian-images in number.

The sources of GDV method's errors has been analysed, and it is proved that errors which are brought in the optical system and photo-sensitive matrix have a most influence. GDV-parameters of some widely in-use in medical practice liquids are certain, that enabled to use them in quality standard at GDV-researches of liquid objects.

Key words: Kirlian's effect, method of gas-discharge visualization, processing and analysis of fractal images.

1. Загальна характеристика дисертаційної роботи

Актуальність теми. При внесенні біологічного об'єкту у змінне (з частотою понад 1 кГц) електромагнітне поле з високою напруженістю (порядку 20...25 кВ/см) навколо об'єкту спостерігається характерне світіння, схоже на коронний розряд. Колір цього світіння напряму пов'язаний з хімічним складом газу, в середовищі якого знаходиться об'єкт, а інші характеристики (насамперед це просторова форма світіння та протікаючий розрядний струм) - від природи та стану самого біологічного об'єкту. В популярній літературі це світіння називають „аурою” біологічного об'єкту, а в науці це явище в основному називають „ефект Кірліан” (на честь одних з перших дослідників цього ефекту подружжя Кірліан С.Д. і В.Х.), або сукупною польовою структурою (СПС) біологічного об'єкту (БО). Також цей метод спостереження СПС відомий під назвою методу газорозрядної візуалізації (ГРВ) - внаслідок того, що розряд відбувається у вузькому газовому проміжку між біооб'єктом та електродом. Біооб'єкт при цьому є частиною електричного ланцюга, через нього протікає струм (вкрай малий - щоб не викликати власної реакції біооб'єкта). Отримане зображення несе в собі інтегральну інформацію про стан біооб'єкта в цілому, що може бути використане в медичній діагностиці (у цьому випадку в якості об'єкту дослідження беруться, як правило, пальці рук).

Метод ГРВ завжди привертав найбільшу увагу завдяки своїм діагностичним можливостям. Тому ще й досі головним напрямком впровадження методу були питання ранньої діагностики.

На даний час немає загального підходу до реєстрації ефекту Кірліан, алгоритмів оброблення кірліан-зображень та моделювання взаємодії електричного поля з піддослідним об'єктом. Апаратура, яку використовують різні дослідники, за однакових умов проведення експерименту дає відчутно різні кірліан-зображення, що відповідно утруднює порівняння отриманих результатів. Це пов'язане насамперед з повною відсутністю стандартизації у цій галузі. Крім того, переважна частина дослідників концентрують свою увагу в основному на отриманні кірліан-зображень, кількісного аналізу їх не проводять, а роблять висновки тільки порівнюючи їх якісно (за кольоровою гамою, характерним ділянкам і т.д.) та ґрунтуючись на власному досвіді.

Особливо відчутними ці недоліки постають у кірліанографії рідиннофазних об'ктів (РФО). В даній галузі не існує загального підходу до отримання кірліан-зображень, стандартизованого набору кількісних характеристик кірліан-зображень, методики аналізу та оброблення кірліан-зображень, методики відбору проб та верифікації контрольних зразків.

Таким чином, актуальність дослідження полягає у розробленні нової апаратури для отримання та реєстрації кірліан-зображень, методики їх оброблення та обґрунтуванні ефективності розроблених апаратно-програмних засобів на прикладі аналізу рідиннофазних об'єктів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно Договору про науково-дослідну роботу між Житомирським державним технологічним університетом та Інститутом хімії поверхні НАН України «Розробка газорозрядних методів та засобів для аналізу водних розчинів органічних та неорганічних речовин» (ДР № 0307U000826).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення достовірності та ефективності визначення стану рідиннофазних об'єктів шляхом розширення функціональних можливостей методу газорозрядної візуалізації за рахунок введення у вимірювальний тракт ланки вимірювання, оброблення та аналізу динаміки зміни струму газового розряду та створення системи експрес-контролю якості та чистоти використовуваних у медичній практиці водних розчинів.

Відповідно до цієї мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи та засоби реєстрації ефекту Кірліан та методики обробки і аналізу кірліан-зображень;

- удосконалити математичну модель взаємодії електричного поля з рідиннофазним біооб'єктом при реєстрації ефекту Кірліан;

- підвищити швидкодію та вірогідність контролю стану рідиннофазних біооб'єктів шляхом застосування методу газорозрядної візуалізації (ГРВ) на основі ефекту Кірліан;

- розробити апаратно-програмне забезпечення системи для аналізу рідиннофазних об'єктів на основі ефекту Кірліан;

- розробити методику вибору еталонних рідиннофазних біооб'єктів та отримати типові значення їхніх ГРВ-параметрів з метою подальшого порівняння їх з ГРВ-параметрами підконтрольних об'єктів;

- проаналізувати джерела похибок при формуванні кірліан-зображень, оцінити їх вплив на кінцевий результат і дати рекомендації по зменшенню цього впливу.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії змінного електричного поля високої напруженості з біологічними рідинами (газорозрядна візуалізація на основі ефекту Кірліан), що забезпечує підвищення швидкодії та достовірності контролю їх стану.

Предметом дослідження є характеристики процесу газорозрядної візуалізації біологічних рідиннофазних об'єктів і біотехнічна система для їх аналізу.

Методи дослідження. В роботі було використано: елементи фрактальної геометрії для обґрунтування вибору сукупності інформативних параметрів отриманих ГРВ-зображень; методи дискретної математики для обґрунтування алгоритмів обчислення чисельних значень інформативних параметрів ГРВ-зображень; елементи теорії фізики плазми, електродинаміки заряджених частинок і теорії інтегрального числення для удосконалення існуючої моделі взаємодії електричного поля з рідиннофазним об'єктом; методи чисельного моделювання; біохімічні методи для підготування та контролю стану рідиннофазних об'єктів контрольної групи; експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів. У процесі проведених досліджень вирішено задачу аналізу газорозрядних біомедичних зображень, що забезпечує оперативність, вірогідність і повноту врахування структурних особливостей рідиннофазних біооб'єктів.

Одержано такі наукові результати.

1. Вперше введено і визначено фрактальний спектр для описання кірліан-зображень шляхом застосування методу W-спектра зв'язності, що дало можливість створити на його основі нову класифікацію кірліан-зображень, визначити характерні параметри зображень кожної групи, спростити класичний метод розпізнавання кірліан-зображень і таким чином збільшити достовірність визначення їх стану.

2. Удосконалено математичну модель взаємодії електричного поля з рідиннофазним біооб'єктом в процесі газорозрядної візуалізації шляхом врахування фізичних параметрів структури біооб'єкту, що дало змогу теоретично обґрунтувати технічні параметри генераторів для газорозрядної візуалізації та реєстрації ефекту Кірліан і прогнозувати діапазони можливих значень ГРВ-характеристик піддослідних об'єктів.

3. Удосконалено метод газорозрядної візуалізації на основі ефекту Кірліан шляхом введення у вимірювальний тракт ланки оброблення форми зміни електричного струму розряду, що дозволило підвищити швидкодію і достовірність опрацювання газорозрядних біомедичних зображень.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що в основі теоретичних досліджень реалізовано біотехнічну систему для якісного експрес-аналізу рідиннофазних об'єктів, яка може бути використана у біомедичній діагностиці.

Практичні дослідження, які викладені в дисертації, дозволили:

1. Розробити критерій ефективності апаратури для формування та реєстрації кірліан-зображень, що дало змогу кількісно порівнювати між собою апаратуру від різних виробників;

2. Розробити алгоритми обчислення ГРВ-параметрів рідиннофазних об'єктів, що дало змогу кількісно описувати кірліан-зображення;

3. Здійснити практичну реалізацію системи на основі ефекту Кірліан для аналізу рідиннофазних біооб'єктів;

4. Проаналізувати джерела похибок, які впливають на результат реєстрації кірліан-зображень і показати, що найбільший вплив мають похибки, які вносяться оптичною системою та фоточутливою матрицею;

5. Визначити ГРВ-характеристики деяких широко використовуваних у медичній практиці рідин, що дало змогу використати їх в якості еталонних при ГРВ-дослідженнях рідиннофазних об'єктів.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в науково-виробничому центрі “Елхім” - дочірньому підприємстві Інституту хімії поверхні НАН України; в науково-дослідну роботу викладачів кафедри мікробіології та сучасних біотехнологій Відкритого міжнародного університету розвитку людини “Україна”; в навчальний процес кафедри радіотехніки і телекомунікацій Житомирського державного технологічного університету при вивченні дисциплін “Збір, передача, обробка і відображення медико-біологічної інформації” і “Автоматизована обробка і аналіз медичної та санітарної інформації”. Впровадження результатів дисертаційних досліджень підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні, розрахункові та експериментальні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Серед робіт, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить: проведення експериментальних досліджень та визначення зв'язку між окремими ГРВ-характеристиками рідиннофазних об'єктів [3]; аналіз впливу похибки дискретизації зображення на результат ГРВ-аналізу [6]; опрацювання експериментальних результатів [7]; розробка алгоритмів формування “масок” [13].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи докладались і обговорювалися на сімох науково-практичних конференціях: 16-й, 17-й, 18-й та 19-й Міжнародній Кримській конференції «СВЧ-техника в биологии и медицине»: «КрыМиКо-2006», «КрыМиКо-2007», «КрыМиКо-2008» та «КрыМиКо-2009», Севастополь, вересень відп. 2006, 2007, 2008 та 2009 рр.; ХХХІІ науково-практичній міжвузівській конференції, Житомир, 2007 р.; 3-му міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008, Харків, жовтень 2008 р.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлено у 15 наукових працях, у тому числі: 9 статтях у журналах, що внесені до переліку ВАК, 6 тез доповідей на науково-технічних конференціях. Більшість робіт виконані одноосібно, у співавторстві опубліковано 3 статті та одна теза доповіді.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, чотирьох додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 139 сторінок, в яких основний зміст викладено на 105 сторінках друкованого тексту, містить 39 рисунків та 5 таблиць. Список використаних джерел складається з 100 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, їх апробацію та публікації.

У першому розділі проведено огляд застосувань методу газорозрядної візуалізації в медицині та проаналізовані всі відомі на сьогоднішній день способі реєстрації ефекту Кірліан. Показано, що метод газорозрядної візуалізації в його класичній реалізації є малоефективним для кількісного аналізу піддослідних об'єктів, що обумовлено його імовірнісною природою і тим, що газовий розряд під час передачі інформації про стан піддослідного об'єкту є лише ”посередником”, а його зображення залежить від зовнішніх умов формування. Встановлено, що в методі газорозрядної візуалізації не контролюється форма та рівень розрядного струму. Також, виходячи з фізики процесу, встановлено, що зміни стану піддослідного об'єкту можуть призводити до зміни форми струму розряду. Визначено, що в медичній практиці основний напрямок застосування методу - інтегральна діагностика людського організму. Поряд з тим в медичній практиці часто мають справу з різними водними розчинами, аналізу яких до останнього часу приділялося небагато уваги стосовно дослідження їх газорозрядним методом.

Виходячи з можливостей методу газорозрядної візуалізації, одну із задач даного дослідження можна визначити як необхідність створити скрінінгову систему якісної експрес-діагностики проби водного розчину за принципом ”норма/патологія”. Створення такої системи дасть можливість визначати якість дистильованої води (чистоту, ступінь дистиляції) або новокаїнового розчину для приготування ліків, якість приготування фізіологічного розчину або інших водних розчинів, які використовуються у медичній практиці без використання дорогих і тривалих хімічних методів контролю.

В другому розділі дисертації розроблено теоретичні основи реєстрації ефекту Кірліан при газорозрядній візуалізації рідиннофазних об'єктів.

Проведено математичний опис поведінки лежачої краплі рідини при її взаємодії зі змінним електричним полем високої напруженості та проаналізовані умови розвитку газового розряду на межі поділу фаз рідина/повітря.

Математична модель взаємодії краплі рідини з електричним полем будувалась на основі схеми проведення ГРВ-дослідження рідиннофазного об'єкту (рис. 1).



Рис. 1. Схема проведення дослідження рідиннофазних об'єктів за допомогою методу газорозрядної візуалізації: 1 - крапля рідини; 2 - розряд; 3 - скло, яким ізольовано прозорий електрод; 4 - прозоре провідне покриття електроду; 5 - генератор для газорозрядної візуалізації; 6 - пристрій реєстрації кірліан-зображення; 7 - електронні блоки приладу; 8 - високовольтний блок

Відповідна еквівалентна електрич-на схема міжлектродного простору показана на рис. 2, де елементами С1 і R1 представлені ємність і опір повітряного проміжку; L, С2 і R2 - індуктивність, ємність та опір піддослідного об'кту, С3 і R3 - ємність і опір шару діелектрику, яким покрито електрод, на якому формується зображення.

Електричний струм в краплі рідини призводить до різних процесів самоорганізації та зміни її структури, що знаходить подальше відображення на картині розподілу поля і, відповідно, світіння. Протікаючи через газовий проміжок, струм іонізує його, і внаслідок цього виникає видиме світіння. Форма його залежить від просторового розподілу щільності струму - а він, в свою чергу - від попередньої стадії процесу, тобто від розподілу струму в об'ємі об'єкту дослідження. В об'ємі діелектрику, яким покритий електрод, струму провідності практично нема - надто великий його опір (матеріалом діелектрика, як правило, слугує скло). Але внаслідок великого опору ізоляції цього електроду газовий розряд переходить до стадії, яка в літературі називається “ковзаючою” (від рос. - “скользящий разряд”). Саме завдяки такій формі розряду і стає можливою візуалізація СПС БО.

Рис. 2. Еквівалентна схема міжелектродного простору

При подачі різниці потенціалів на електроди генератора для газорозрядної візуалізації між ними виникає електричне поле, під дією якого в системі починає протікати електричний струм. Приблизний розподіл електромагнітного поля показаний на рис. 3 і описується рівняннями в циліндричній системі координат:

;

, (1)

де ? напруженість електричного поля; ? напруженість магнітного поля; ? колова частота; ? абсолютні діелектрична і магнітна проникності РФО; - оператор Лапласа.



а) б)

Рис. 3. Розподіл силових ліній електричного поля в міжелектродному просторі (а) і магнітного поля в площині електроду, на якому формується кірліан-зображення (б) у випадку відсутності піддослідного об'єкта

Якщо середня кінетична енергія електронів перевищує роботу виходу їх з речовини РФО, то виникає електронна лавина в газовому міжелектродному проміжку, яка супроводжується іонізацією газу та його світінням. Утворюється розрядний стример, а суперпозиція багатьох стримерів утворює кірліан-зображення. Швидкість руху електронів під час процесу ГРВ оцінюється виразом

, (2)

де - максимальна різниця потенціалів між електродами; - питома провідність РФО; - молярна маса речовини РФО; - заряд електрона; - маса піддослідного об'єкту; - число Авогадро.

Умову утворення розрядного стримеру можливо сформулювати також по іншому: стример розвивається, коли остаточний потенціал на границі краплі залишається більшим, ніж потенціал іонізації газу (в даному випадку - повітря) . При цьому падіння напруги “вздовж краплі” становить

, (3)

де - щільність струму провідності всередині РФО; - радіус краплі. Для розвитку розрядного стримера необхідно і достатньо, щоб , або

, (4)

де ? середній радіус кластера речовини РФО. Виходячи з моделі Самойлова та інших уявлень про будову рідин - полярних розчинників, утворення кластерів у рідині пояснюється дисоціацією домішок та утворенням водневих зв'язків.

Для поверхневого розряду відома емпірична формула, яка пов'язує довжину розрядного стримера (в мм), напругу (в кВ) та частоту її зміни

, (5)

де ? емпіричний безрозмірний коефіцієнт, який в загальному випадку залежить від полярності напруги, матеріалу діелектрику та форми зміни напруги, але в середньому дорівнює 12·10¹³; ? поверхнева ємність діелектрика, Ф/см².

Траєкторія розряду може бути представлена у вигляді:

, (6)

де середній час життя електронної лавини. Підставляючи в останній вираз значення середньої швидкості електронів (2), при частковому випадку - синусоїдальному законі зміни напруги

, (7)

де ? максимальне значення напруги, яке може видати конкретна модель генератора для ГРВ.

Під час руху легкі електрони стикаються з важкими іонами, яким вони поступово передають свій імпульс і таким чином втрачають швидкість. Це резерфордівське розсіяння електронів на іонах змінює напрямок руху електрона і саме воно відповідальне за викривлення траєкторії розряду. Проте цей процес є цілком імовірнісним, його неможливо врахувати аналітично, тому у виразах (5) і (7) траєкторія розряду вважається прямолінійною, і реально вони дають дещо зменшене значення середньої довжини розряду.

Рис. 4. Графічне порівняння виразів (5) і (7)

Якщо поле є рівномірно-радіальним (тобто його напруженість від кута не залежить - рис. 3), довжина розряду від кута також не залежить. Графічне порівняння виразів (5) і (7) наведено на рис. 4 (в якості об'єкту моделювання виступала вода). В діапазоні напруг ГРВ емпірична і теоретична криві перетинаються в точці, що відповідає напрузі приблизно 30 кВ. Таким чином, це значення напруги можна вважати оптимальним для дослідження розчинів надслабких концентрацій (коли електрична провідність розчину близька до провідності дистильованої води).

Найчастіше фрактальне кірліан-зображення характеризують фрактальною розмірністю та коефіцієнтом форми. Фрактальна розмірність, яка обчислюється за формулою Хаусдорфа є однією з основних величин, якими прийнято характеризувати геометричні фрактали. Для певних класів фрактальних об'єктів характерні певні значення фрактальних розмірностей плюс-мінус невелике відхилення. В загальному випадку формула для обчислення фрактальної розмірності має вигляд:

, (8)

де ? довжина границі фрактального зображення; - роздільна здатність фотоприймача, або розмір мінімального об'єкту, який він може розрізнити.

Коефіцієнт форми (або коефіцієнт розрізаності) показує, наскільки квазісиметрична фрактальна фігура відрізняється від правильного кола

, (9)

де ? площа внутрішнього кола. При геометричний фрактал вироджується у рівномірне коло.

Підставивши вираз для середньої довжини розрядного стримера (7) у вирази для фрактальної розмірності та коефіцієнту форми (8) і (9), остаточно отримаємо:

; (10)

. (11)

Для дистильованої води залежності фрактальної розмірності та коефіцієнту форми СПС від прикладеної напруги представлені на рис. 5.

Рис. 5. Залежність фрактальної розмірності () та коефіцієнту форми () кірлан-зображення від значення напруги візуалізації

Спрощуючи еквівалентну схему між електродного проміжку, показану на рис. 2, можливо прийти до послідовного з'єднання трьох комплексних опорів Z₁, Z₂ та Z₃:

 (12)

де ; - колова частота, .

Загальний комплексний опір системи дорівнює сумі цих опорів, а в ланцюгу піддослідного об'єкту зміна сили струму визначається законом Ома

. (13)

Якщо всі елементи даної схеми є лінійними, то форма струму повинна повторювати форму напруги. У випадку, коли хоча б один з елементів не є лінійним, в струмі розряду з'являються частоти, які не видає генератор для ГРВ.

Для порівняння частотних спектрів широко використовується взаємо-кореляційна функція

, (14)

де - еталонний сигнал і - сигнал, знятий з піддослідного об'єкту.

Для певного класу біологічних об'єктів в нормі можливо експериментально визначити вигляд взаємокореляційної функції на конкретній моделі генератора для ГРВ. Відхилення отриманої в подальших дослідженнях вигляду взаємокореляційної функції від еталонної буде свідчити про зміни (можливо - патологічні) в стані піддослідного об'єкту.

В схемі, представленій на рис. 2, нелінійним елементом є ланка , яка відповідає біологічному об'єкту. Індуктивність має порядок Гн, тому при обчисленні комплексного опору (12) нею нехтують.

У третьому розділі представлено розробку генератора для газорозрядної візуалізації СПС та реєстрації ефекту Кірліан, а також програмного забезпечення для обробки і аналізу кірліан-зображень.

Рис. 6. Установка для ГРВ на основі низькочастотного генератора

В експериментальних дослідженнях використовувалась установка на базі низькочатотного ( кГц) генератора для газорозрядної візуалізації (рис. 6), яка має наступні технічні характеристики:

- режим роботи: неперервний;

- амплітуда імпульсів: 28,5/32 кВ;

- тривалість імпульсу: 10 мкс;

- потужність: 25 Вт;

- маса: 4 кг;

- габарити: 250Ч250 мм;

- інтерфейс з'єднання з ПК: USB;

- програмне забезпечення: на основі драйвера USB-вебкамери;

- формат зображення: BMP;

- максимальна роздільна здатність: 1024Ч768 пкс;

- колір: RGB, 24 біт;

- середній час експозиції: 2 с;

- середній час обробки одного кадру: 2,5с;

- відносна похибка представлення зображення: не більше 1,5%.

Функціональна схема установки наведена на рис. 7.

Задача кількісного аналізу кірліан-зображень - це опрацювання вимірюваль-ної інформації, що проходить по двом трактам: власне кірліан-зображення - оптичне, являє собою складну геометричну фігуру з фрактальними характеристиками; та форма розрядного струму, яка представлена у вигляді масивів чисел - виборок АЦП. Для опрацювання першої складової використо-вуються методи фрактальної геометрії, для опрацювання другої складової - методи спектрального аналізу.

Процес оброблення кірліан-зображення розбивається на чотири етапи: на першому експериментально встановлюються ГРВ-параметри еталонного об'єкту та допустимі межі відхилення; другий і третій можуть проводитись паралельно - це оброблення власне ГРВ-зображення та розрядного струму; четвертий етап полягає у порівнянні результатів, отриманих в ході попередні дій з метою постановки висновку про стан піддослідного об'єкту. Більш детально схема виглядає наступним чином.

І етап. Встановлення ГРВ-параметрів еталонного об'єкту. Для цього потрібно передусім вибрати об'єкт, який буде еталонним (і відповідно підтвердити відсутність в ньому патологій будь-яким іншим методом); знайти його ГРВ-параметри на попередньо відкаліброваній за допомогою металевого тест-об'єкту ГРВ-установці.



Рис. 7. Функціональна схема низькочастотної установки для газорозрядної візуалізації

ІІ етап. Оброблення статичного кірліан-зображення. Даний етап виконується наступними діями:

1. Розкладення основного зображення на колірні канали. Основна мета полягає в тому, щоб визначити, на який саме канал припадає максимальний вміст інформації про піддослідний об'єкт. Цей етап вирішується на апаратному рівні.

2. Визначення порогу яскравості, по якому буде проводитись фільтрування зображення. За результатами цього етапу будуються зображення-“маски”, за допомогою яких проводиться відділення фракталу від фону, а також будуються спектр зв'язності та фрактальний спектр.

3. Обчислення площі фракталу, фрактальної розмірності, побудова спектра зв'язності, фрактального спектра і оцінка товщини фракталу.

ІІІ етап. Обчислення спектральних характеристик розрядного струму. Оскільки перед початком цього етапу ми маємо числовий масив - вибірку АЦП, доцільно скористатися чисельними методами дискретного перетворення Фур'є, щоб отримати частотний спектр сигналу.

IV етап. Порівняння ГРВ-параметрів піддослідного об'єкту з еталонними. Кількісною мірою відхилення фрактально-геометричних параметрів може служити допустима порогова різниця, мірою відхилення форми розрядного струму - значення взаємокореляційної функції (або кореляційного інтегралу).

Спектром зв'язності називається дискретний розподіл кількостей пікселів з певною зв'язністю. Очевидно також, що у випадку 4-зв'язного зображення спектр зв'язності буде представляти собою 5 чисел, а у випадку 8-зв'язного - 9 чисел (випадок потрібно враховувати). Коли розміри зображення є великими, допустимо використовувати логарифми цих чисел.

Найчастіше використовуються алгоритми оброблення 8-зв'язних зображень. Це обумовлено тим, що у випадку, коли зв'язність пікселу менше 8, робиться однозначний висновок про те, що даний піксел належить границі зображення. Тоді будь-який фрактал можливо охарактеризувати додатковим новим параметром, який правомірно назвати “товщиною”

, (15)

де - кількість пікселів зі зв'язністю 8, а сума у знаменнику - сума кількостей пікселів із зв'язностями меншими 8. Фактично цей параметр показує, чи можливо фрактал “витягнути” в одну пряму. Якщо , то цього неможливо зробити ні за яких умов, тобто фрактал є плоскою фігурою.

Зв'язність пікселу також вказує на його роль в алгоритмі оброблення кірліан-зображення. Якщо зв'язність дорівнює 0, то такий піксел повинен бути виключений з обробки, оскільки він не має зафарбованих сусідів і, найбільш ймовірно, є шумовим. Якщо таких пікселів буде досить багато, тобто , то обробляти таке зображення не має сенсу, оскільки воно є дуже “зашумленим”, що може суттєво вплинути на результат. Якщо зв'язність дорівнює 8, то це означає, що даний піксел лежить всередині фрактального фрагменту зображення, якщо ж , то даний піксел належить границі зображення.

Чисельне моделювання для кривої Пеано або кривої Коха показує що вони є “абсолютно тонким” фракталом завжди (), а фрактали на зразок множин Жюліа, килима Серпинського, острова Коха або множини Мандельброта мають товщину, яка є сталою величиною і не залежить від масштабу. На мультифракталах подібні дослідження не проводились. Для кірліан-зображень крапель води типові значення товщини лежать в межах 6...8, а для металевих тест-об'єктів колової форми “товщина” збільшується до 9…12.

Найчастіше кірліан-зображення складається з багатьох фрагментів, один з яких є основним - його площа найбільша, інші ж можуть бути вкрай малими. У зв'язку з цим доцільно ввести поняття фрактального спектра - це дискретна функція F(s), що показує, скільки фрагментів площею рівно s містить зображення. Введення фрактального спектра передусім обумовлено тим, що кірліан-зображення, зафіксовані за різних умов можуть суттєво відрізнятися (рис. 8). Так, на рис. 8, а (кірліан-зображення, зареєстроване на фотоплівці, негатив) видно, що воно складається з окремих стримерів розряду, причому стримери починаються з деяким інтервалом (хоча внутрішнє кільце може бути й замкненим - таке явище характерне для об'єктів з великою провідністю). На рис. 8, б та особливо в (кірліан-зображення, зафіксоване за допомогою цифрової фототехніки) чітко видно розрізану фрактальну границю зображення, але воно має істотно більшу площу внаслідок накладання великої кількості розрядних стримерів.



а) б) в)

Рис. 8. Кірліан-зображення, отримані за різних умов: а) на фотоплівці; б) цифровою фотокамерою з малою витримку та великою світлочутливітю; в) веб-камерою з великою витримкою та малою світлочутливістю

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень розробленої газорозрядної системи.

Для приладів ГРВ критерій ефективності можливо представити як

, (17)

де - площа, яку займає піддослідний об'єкт на електроді; - площа світіння області іонізованого газу навколо піддослідного об'єкту; - площа електроду, на якому формується кірліан-зображення; - час впливу електромагнітного поля на об'єкт дослідження; - загальний час дослідження; - амплітуда прикладених до об'єкту дослідження імпульсів; - максимальний струм через об'єкт дослідження, , де - електричний опір діелектрика, яким покритий електрод; - допустима температура перегріву об'єкту дослідження, для біологічних об'єктів не перевищує 0,2 °С, для небіологічних обмежена тільки температурою запалення або плавлення об'єкту; - питома теплоємність об'єкту дослідження, для біологічних об'єктів доцільно прийняти ; - маса піддослідного об'єкту; - діапазон довжин хвиль світла, які вільно проходять через діелектрик; - ширина всього видимого діапазону; - лінійне збільшення ідеальної системи без дисторсії; - реальне збільшення оптичної системи; - характерний лінійний розмір кластера іонізованого повітря; - роздільна здатність оптичної системи.

Для розробленого в ході даної роботи генератора для ГРВ значення критерію ефективності становить 0,44, що на 18% більше, ніж найбільш поширені в медичній практиці прилади серій «Корона-ТВ» та «Коррекс», для яких значення критерію ефективності дорівнює 0,36.

Основним результатом експериментальних досліджень газорозрядної системи на основі ефекту Кірліан для аналізу рідиннофазних об'єктв слід вважати ГРВ-характеристики деяких типових рідин, широко використовуваних у медичній практиці. Умовно такі рідини можливо поділити на дві великі групи. До першої слід віднести ті, на основі яких готуються фармацевтичні препарати і які у багатьох випадках самі по собі є лікарськими засобами. До них відносяться насамперед фізіологічний розчин (0,9% розчин NaCl), розчини новокаїну (1% та 2,5%), глюкози (2%, 5%, 10% та 40%) і дистильована вода. Другу групу складають біологічні рідини, на основі аналізу яких ставиться діагноз хворому. Це насамперед кров та плазма крові, сеча, слина, шлунковий сік.

Таблиця 1. ГРВ-характеристики деяких рідин

Рідина	Зразок кірліан-зобра-ження	ГРВ-характеристики	Можливі причини відхилення значень ГРВ-параметрів від нормальних
Вода дистильо-вана		0,341± ±0,128	1,647± ±0,139	32,243± ±5,278	4,256± ±1,824	Недостатня ступінь дистиляції, відхилення температури від нормальної (18 єС)
Фізіологіч-ний розчин		0,583± ±0,198	1,572± ±0,252	21,593± ±3,594	9,365± ±1,983	Відхилення концентрації розчину від номінальної, мікро-концентрація інших домішок
Глюкоза, 5%		0,593± ±0,167	1,627± ±0,284	23,284± ±2,958	9,894± ±0,983	Те ж
Глюкоза, 10%		0,543± ±0,274	1,624± ±0,275	20,984± ±3,157	9,259± ±0,852	Те ж
Глюкоза, 40%		0,435± ±0,127	1,735± ±0,274	28,943± ±4,286	7,376± ±1,854	Те ж
Новокаїн, 1%		0,683± ±0,238	1,645± ±0,386	22,469±±2,943	9,322± ±2,012	Те ж

Аналіз РФО першої групи потрібен для визначення чистоти та якості рідини, оскільки від неї залежить якість фармацевтичного препарату. Аналіз РФО другої групи дозволяє встановити наявність патології в організмі. Якщо хоча б один з ГРВ-параметрів виходить поза встановлені межі, то з ймовірністю 95% можливо стверджувати, що в організмі наявна патологія,проте конкретний вид і причину патології встановити методом ГРВ неможливо, томі для постановки точного діагнозу хворому потрібно пройти додаткове обчтеження.

ГРВ-характерстики (відношення площі краплі до площі світіння, фрактальна розмірність, коефіцієнт форми, товщина фракталу) рідин першої групи наведені в табл. 1.

Дані для табл. 1. отримані шляхом статистичної обробки і усереднення виміряних ГРВ-характеристик заздалегідь підготованих та верифікованих нормальних зразків розчинів. Кількість проб кожного розчину становила 100 шт. Також були оцінені ймовірності помилки першого та другого роду на основі аналізу такої ж кількості попередньо верифікованих біохімічними методами ненормальних проб. При рівні довірчого інтервалу 0,93 ймовірність помилки першого роду становить приблизно 0,08, а ймовірність помилки другого роду становить приблизно 0,12.

Основні висновки та результати роботи

В дисертаційній роботі подано теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової задачі удосконалення та розширення функціональних можливостей методу газорозрядної візуалізації рідиннофазних об'єктів. У результаті виконання дисертаційної роботи отримано такі наукові і практичні результати:

1. Вперше введено і визначено фрактальний спектр для описання кірліан-зображень шляхом застосування методу W-спектра зв'язності, що дало можливість створити на його основі принципово нову класифікацію кірліан-зображень, визначити характерні параметри зображень кожної групи і значно спростити класичний метод розпізнавання кірліан-зображень.

2. Удосконалено математичну модель взаємодії електричного поля з рідиннофазним біооб'єктом в ході процесу газорозрядної візуалізації шляхом врахування фізичних параметрів структури біооб'єкту, що дало змогу теоретично обґрунтувати технічні параметри генераторів для газорозрядної візуалізації та реєстрації ефекту Кірліан;

3. Дістала подальшого розвитку архітектура газорозрядних систем на основі ефекту Кірліан шляхом введення у вимірювальний тракт ланки оброблення форми зміни електричного струму розряду, що дозволило підвищити швидкодію і достовірність опрацювання газорозрядних біомедичних зображень.

4. Розроблено критерій ефективності апаратури для формування та реєстрації кірліан-зображень, що дало змогу кількісно порівнювати між собою апаратуру від різних виробників.

5. Розроблено алгоритми обчислення ГРВ-параметрів рідиннофазних об'єктів, що дало змогу кількісно описувати фрактальні кірліан-зображення.

6. Здійснено практичну реалізацію системи на основі ефекту Кірліан для аналізу рідиннофазних біооб'єктів.

7. Проаналізовано джерела похибок, які впливають на результат реєстрації кірліан-зображень і показано, що найбільший вплив мають похибки, які вносяться оптичною системою та фоточутливою матрицею.

8. Визначено ГРВ-характеристики деяких широко використовуваних у медичній практиці рідин, що дало змогу використати їх в якості еталонних при ГРВ-дослідженнях рідиннофазних об'єктів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Коломієць Р.О. Загальні принципи дослідження біологічних об'єктів за допомогою методу газорозрядної візуалізації / Коломієць Р.О. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Технічні науки. - 2005. №4 (35). - С. 61-66.

2. Коломієць Р.О. Генератор для газорозрядної візуалізації сукупної польової структури біологічних об'єктів / Коломієць Р.О. // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія «Приладобудування». - 2005. Вип. 30. - С. 143-148.

3. Коломієць Р.О. Узагальнений інформаційний параметр ГРВ-зображень / Коломієць Р.О., Рудницький Р.А. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Технічні науки. - 2006, № 3 (38). - С. 81-83.

4. Коломієць Р.О. Математична модель процесу газорозрядної візуалізації / Коломієць Р.О. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Технічні науки. 2006. - № 4 (39). - C. 197-201.

5. Коломієць Р.О. Цифрова обробка ГРВ-зображень аури біологічних об'єктів / Коломієць Р.О. // Збірник наукових праць Житомирського військового інституту радіоелектроніки ім. С.П. Корольова. 2006. Вип. 10. - С. 220-224.

6. Коломієць Р.О. Аналіз похибок оптичних систем та дискретизації зображення при реєстрації ГРВ-зображень сукупної польової структури біологічних об'єктів в статиці / Коломієць Р. О., Манойлов В. П., Рудницький В. А. // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. 2007. № 1 (13). - С. 134-138.

7. Коломієць Р.О. Застосування ефекту Кірліан для оцінки структуроутворення у водних системах / Болдескул О.Є., Коломієць Р.О., Охай Ю.І. // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія «Приладобудування. - 2009. Вип. 37. - С. 161-170.

8. Коломієць Р.О. Градієнтно-пороговий метод виділення інформативних частин фрактальних зображень / Коломієць Р.О. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Технічні науки. - 2009. №2 (49). - С. 76-80

9. Коломієць Р.О. Виділення фрактального спектру кірліан-зображень / Коломієць Р.О. // Вісник Житомирського державного технологічного університету. Технічні науки. 2010. № 1 (52). - С. 109-114.

10. Коломиец Р.А. Экспресс-диагностика состояния крови человека с помощью метода газоразрядной визуализации / Коломиец Р.А. // «КрыМиКо'2006»: 16-я Международная Крымская конференция „СВЧ техника в биологии и медицине”, 11-15 сентября 2006 г.: тезисы докл. Севастополь, 2006. - С. 905-906.

11. Коломієць Р.О. Аналіз похибок при реєстрації статичних ГРВ-зображень / Коломієць Р.О. // ХХХІІ науково-практична міжвузівська конференція, 14-16 березня 2007р.: тези доповідей. - Житомир, 2007. - С. 56.

12. Коломиец Р.А. Электродинамика процесса газоразрядной визуализации биологического объекта с учетом его внутренней неоднородности / Коломиец Р.А. // «КрыМиКо'2007»: 17-я Международная Крымская конференция „СВЧ техника в биологии и медицине”, 10-14 сентября 2007 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2007. - C. 776-777.

13. Коломиец Р.А. Оптимальная фильтрация ГРВ-изображений / Коломиец Р.А., Манойлов В.Ф. // «КрыМиКо'2008»: 18-я Международная Крымская конференция „СВЧ техника в биологии и медицине”, 15-19 сентября 2008 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2008. - С. 852-853.

14. Коломиец Р.А. Способ уменьшения времени влияния электрического поля на биологический объект при исследовании последнего с помощью метода газоразрядной визуализации / Коломиец Р.А. // МРФ-2008: 3-й международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития». Конференция «Актуальные проблемы биомед-инженерии», 22-24 октября 2008 г.: сборник докл. - Харьков, 2008. - С. 83-85.

15. Коломиец Р.А. О принципиальной возможности использования трансформатора Тесла в устройствах для газоразрядной визуализации // «КрыМиКо'2009»: 19-я Международная Крымская конференция „СВЧ техника в биологии и медицине”, 14-18 сентября 2009 г.: тезисы докл. - Севастополь, 2009. - С. 869-870.

Размещено на Allbest.ru

...