авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

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

Определение параметров ускоренного движения отражателя и деформационных характеристик глазного яблока (на модели и in vivo) по автодинному сигналу полупроводникового лазера

На правах рукописи

ДОБДИН СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСКОРЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

ОТРАЖАТЕЛЯ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА (НА МОДЕЛИ И IN VIVO) ПО АВТОДИННОМУ

СИГНАЛУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

01.04.21 – лазерная физика

01.02.08 – биомеханика

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2011

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ, док тор физико-математических наук, профессор Усанов Д. А.

доктор физико-математических наук, профессор Скрипаль А.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ульянов С. С.

доктор физико-математических наук, профессор Горбатенко Б.Б.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электрони ки Российской академии наук, Сара товский филиал (СФ ИРЭ РАН), г.

Саратов

Защита диссертации состоится 8 февраля 2012 г. в 17 час. 30 мин. на заседа нии диссертационного совета Д.212.243.05 по специальностям 01.04.21 – «ла зерная физика», 01.02.08 – «биомеханика» по адресу: 410012, г. Саратов, ул.

Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ Автореферат разослан "25" ноября 2011 г.

Ученый секретарь Дербов В.Л.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

К одному из актуальных направлений лазерной физики и биомеханики относится проблема взаимодействия излучающего полупроводникового ла зера с движущимся отражателем, в качестве которого может выступать по верхность биообъекта, в зависимости от характера движения отражателя.

Автодинные системы на полупроводниковых лазерах отличаются ком пактностью, в них отсутствует разделение светового луча на опорный и из мерительный и не требуется юстировка опорного и измерительного плечей, вследствие их совмещенности. Преимуществом автодинной системы являет ся возможность создания систем измерения вибраций и перемещений мето дом, основанным на сравнении с эталоном, в качестве которого используется длина волны излучения полупроводникового лазера. В частности, таким об разом, измеряется величина смещения и скорость движения отражателя, опи сан способ измерений сверхмалых скоростей теплового расширения твердых тел в ограниченном временном интервале, проводимых на основе анализа низкочастотного спектра автодинного сигнала. Методы измерения характе ристик движения отражателя при ускоренном движении по автодинному сигналу в системе для этого случая разработаны не были.

Использование полупроводникового лазерного автодина позволило экс периментально определить характеристики колебаний твердотельных эле ментов бесконтактным способом. Такого рода методика для анализа механи ческих деформаций сферических оболочек под действием внешних сил ранее не применялась. В то же время исследование механических свойств тел, обо лочки которых имеют такую форму, относится к классическим задачам тео рии оболочек, решение которых в подавляющем большинстве случаев огра ничивается теоретическим рассмотрением и расчетом с использованием чис ленных методов. При решении таких задач приходится делать ряд упрощаю щих предположений, для оценки применимости которых необходимо срав нение с экспериментом. Актуальным примером мягкой сферической оболоч ки, заполненной жидкостью, упругие свойства которых важно исследовать, является глазное яблоко. По реакции глаза на механическую нагрузку судят о внутриглазном давлении. Наиболее распространенными в практике методами измерений внутриглазного давления являются контактные методы. Исполь зование для измерений деформации глазного яблока, например, под действи ем воздушной струи, лазерных автодинов открывает перспективы более ши рокого применения для этих целей бесконтактных измерений.

Важным параметром для исследования упругих свойств оболочки явля ется величина прогиба под действием внешней нагрузки. Знание этой вели чины можно использовать для определения механических характеристик оболочек и для определения внутреннего давления.

Первым инструментальным средством измерением офтальмотонуса был метод, предложенный в 1885 г. Маклаковым. Метод заключался в том, что на поверхность роговицы помещался груз определенной массы с плоским осно ванием. При этом роговица деформировалась, образуя площадку контакта груза и роговицы. Очевидно, что при прочих равных условиях площадка кон такта будет тем меньше, чем больше внутриглазное давление (ВГД). Поэтому площадь контактирующей поверхности или ее диаметр могут служить чис ленной характеристикой величины ВГД. Позже появились и другие методы оценки ВГД контактным способом. Среди них можно отметить тонометрию по Гольдману и тонометрию по Шиотцу. Несмотря на широкое применение подобных инструментальных средств и в наше время, имеются проблемы их использования. Поскольку для измерения давления требуется контакт груза (плунжера) и глаза, то необходима анестезия. Кроме того, при использовании такого рода методов не исключено инфицирование глаза.

Последнее время в медицинской практике используются пневмотоно метры, которые позволяют проводить измерения ВГД при помощи направ ленной струи воздуха, не касаясь поверхности глаза, т.е. бесконтактно. По добный процесс измерений является более комфортным для пациента по сравнению с традиционными методами измерений ВГД, но по точности ус тупающим им.

Таким образом, актуальной задачей является исследование возможно сти применения полупроводникового лазера для определения ускоренных движений объекта, и разработка методик восстановления характеристик движения отражателя по сигналу автодинной измерительной системы.

В связи с вышесказанным в качестве актуальных задач диссертационной работы можно сформулировать следующее:

1. Исследование возможности применения полупроводникового лазерно го автодина для определения ускорения объекта при микро- и наносмещени ях;

2. Исследование механических деформаций упругих сферических оболо чек, заполненных несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного автодина;

3. Исследование возможности применения лазерных автодинных измери тельных систем для контроля динамических свойств упругих оболочек глаз ного яблока.

На основании вышеизложенного была сформулирована цель диссерта ционной работы: исследование возможности использования полупроводни кового лазера, работающего в автодинном режиме, для измерения динамиче ских характеристик (скорости, ускорения) и восстановления функции движе ния объекта, совершающего микро- и наносмещения, а также применение полученных результатов для анализа характеристик сложных движений объ ектов, в том числе биологических.

Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения диссертаци онной работы, состоит в следующем:

1. Исследовано влияние равномерно- и неравномерноускоренных микро и наносмещений отражателя на вид автодинного сигнала полупроводниково го лазера;

2. Разработана экспериментальная установка для регистрации ускоренных движений объектов с использованием полупроводникового лазера, работаю щего в автодинном режиме;

3. Разработан метод определения ускорения объекта по автодинному сиг налу полупроводникового лазера;

4. Исследована возможность использования полупроводникового лазер ного автодина для определения характеристик колебания упругой сфериче ской оболочки и проведения измерений её деформаций;

5. Проведены измерения величины деформации глазного яблока in vivo в условиях нагружения пневмоимпульсом, с использованием лазерного полу проводникового излучателя, работающего в автодинном режиме;

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечива ется строгостью используемых математических моделей, соответствием ре зультатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспери ментальных результатов обеспечивается применением стандартной измери тельной аппаратуры, высокой степенью автоматизации процесса регистрации экспериментальных данных, а также соответствием результатов, полученных в ходе определения параметров движения отражателя с помощью автодинной интерференционной системы.

Практическая значимость полученных результатов заключается в сле дующем:

1. Разработан метод определения ускорения в результате равномерно- и неравномерноускоренных движений объекта при микро- и наносмещениях с помощью полупроводникового лазерного автодина;

2. Показана возможность по сигналу автодинной измерительной системы, полученному при ускоренном движении плоского отражателя, определения ускорения;

3. Разработан метод для определения характеристик колебания и измере ния деформаций упругой сферической оболочки с использованием полупро водникового лазерного автодина;

4. Приведено описание поведения сферической оболочки в условиях на гружения, результаты которого можно использовать для исследования био механических свойств биообъектов in vivo.

5. Установлено, что отношение величины прогиба и ускорения оболочки слабо зависит от давления пневмоимпульсов и расстояния от их источника до оболочки.

6. Использование лазерной системы позволяет с высокой точностью оп ределить величину прогиба в каждой точке сферической оболочки. Показано, что значение прогиба связано с внутренним давлением.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При движении отражателя определение ускорения, как равномерного, так и неравномерного, обеспечивается сравнением модельного и эксперимен тального автодинного сигналов полупроводникового лазера с применением метода наименьших квадратов.

2. Использование обратной функции автодинного сигнала позволяет с нанометровым разрешением восстанавливать сложное движение объекта, имеющее непериодический характер.

3. Применение вейвлет – анализа данных, полученных на основе экспериментально зафиксированного автодинного сигнала с отражателем в виде упругой оболочки в условиях нагружения, позволяет с нанометровым разрешением восстанавливать закон движения отражателя.

4. Отношение величины прогиба и ускорения оболочки, измеренное ла зерным автодином, слабо зависит от давления пневмоимпульсов и расстоя ния от их источника до оболочки, это отношение однозначно связано с вели чиной давления внутри оболочки.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре физики твёрдого тела Саратовского государственного университета в 2008-2011 годы. Основные положения и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на:

– Международной научно-технической конференции «Методы компью терной диагностики в биологии и медицине» – (г. Саратов 2007);

– VI Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» – (г. Саратов 2010);

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

– Международной научно-технической конференции «Методы компью терной диагностики в биологии и медицине» – (г. Саратов 2011);

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертаци ей, опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в пе речень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, тезисы докладов на всероссийских и международных конференциях, получено 2 па тента на изобретение.

Личное участие автора в этих работах выразилось в теоретической разработке и практической реализации метода измерения сверхмалых уско рений при микро- и наносмещениях в результате равномерно- и неравномер ноускоренных движений внешнего отражателя автодинной системы, разра ботке и практической реализации метода определения характеристик колеба ний и измерений деформаций упругой сферической оболочки, заполненной несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного авто дина, применении полупроводникового лазерного автодина для измерения параметров движения оболочек глаза под действием пневмоимпульса in vivo и сопоставление полученных результатов с величиной внутриглазного давле ния, с возможностью использования полученных результатов для разработки новых методов бесконтактного контроля ВГД, участии в формулировании научных положений и выводов.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и спи ска литературы. Общий объем диссертации составляет 101 страницу маши нописного текста, включая 32 рисунка. Список литературы содержит 102 на именования и изложен на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулиро вана цель диссертационной работы, определена новизна исследований, обсу ждена практическая значимость полученных результатов, приведены основ ные положения, выносимые на защиту, изложено краткое содержание дис сертации.

В первом разделе приведены результаты критического анализа исследо ваний параметров сложных движений механических и биологических объек тов, рассмотрены гетеродинные, гомодинные и автодинные методы опреде ления характеристик движений объектов, рассмотрены некоторые анатоми ческие и физиологические особенности строения глазного яблока человека, приведен критический анализ современных методов определения механиче ских деформаций оболочек глазного яблока.

Во втором разделе приведены результаты теоретической разработки и практической реализации метода определения ускорения при микро- и нано перемещениях объекта.

Было проведено компьютерное моделирование автодинного сигнала полупроводникового лазера в предположении равноускоренного движения внешнего отражателя. Переменная составляющая автодинного сигнала в ис пользуемой модели записывается в виде:

4 a t P(t ) = cos( + (V0 t + )), (1) 0 где – набег фазы автодинного сигнала, 0 – длина волны лазерного излу чения, a – линейное ускорение внешнего отражателя, V0 – начальная ско рость движущегося объекта, t – интервал времени наблюдаемого автодинно го сигнала.

Неизвестные параметры и a определяются из решения обратной задачи. В данном случае решение задачи заключается в определении минимума функционала (2), получаемого при суммировании квадратов отклонений экспериментальных Pэксп и теоретических Pтеор величин автодинного сигнала (1) для различных временных интервалов:

S (, a ) = ( Pэксп (t i ) Pтеор (t i,, a )) 2. (2) i При нахождении минимума функционала (2) возникает проблема определения глобального минимума при наличии нескольких локальных минимумов. Для поиска и анализа интересующего нас минимума можно воспользоваться численными методами безусловной оптимизации. В работе, для нахождения глобального минимума (2), определялся тип и количество локальных минимумов в заданном диапазоне искомых значений. Затем определялась область глобального минимума, точное значение которого находилось методом спуска по искомым параметрам и a.

Алгоритм поиска экстремума функции нескольких переменных методом спуска включает: построение графика исследуемой функции (2), выбор и определение области глобального минимума, для которого будут определены значения неизвестных параметров и a.

Были проведены экспериментальные исследования движения объекта с уско рением, изменяющимся по линейному закону. Вид экспериментальной установ ки, для проведения исследований, приве ден на рис.1. Объектом исследований было выбрано коммутационное электро магнитное реле типа 904.3747. Излучение Рис.1. Внешний вид установки полупроводникового лазера 1, стабили зированного источником тока 2, направлялось на электромагнитное реле 3, которое подключалось к генератору сигналов 4. Фиксация объекта исследо вания обеспечивалась механизмом 5. Часть излучения, отражённого от объ екта, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера, изменение вы ходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 6. Сигнал с фотодетектора поступал через усилитель 7 на аналого-цифровой преобразо ватель 8. Цифровой сигнал с АЦП для последующей обработки сохраняли в памяти ЭВМ 9.

Исследования были проведены с использованием лазерного диода RLD-650 на квантово-размерных структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой и характеристиками: мощность излуче ния 5 mW, длина волны 654 nm.

Для придания якорю электромагнитного реле ускорения на реле пода вался несимметричный одиночный импульс амплитудой U=2В и длительно стью 10с, форма которого задавалась с помощью встроенного в лаборатор ную станцию NI ELVIS генератора импульсов, обеспечивающего нарастание и спад импульса по параболическому закону. Подобная форма импульса, по даваемого на реле, позволила реализовать равноускоренное движение объек та. При измерениях на движущийся якорь реле направлялось лазерное излу чение. Отраженное излучение регистрировалось встроенным фотодетекто ром. Продетектированный сигнал через АЦП поступал в цифровом виде на компьютер, где и сохранялся для последующего анализа в математическом пакете MathCad.

Вид измеренного автодинного сигнала при равноускоренном дви жении объекта приведен на рис. 1.

Кривая на рис.2. использова лась для сравнения с теоретической зависимостью в выражении (2). Для этого, весь интервал наблюдения Рис.2. Измеренный автодинный сигнал при разбивался на несколько временных равноускоренном движении внешнего от окон. Необходимо было проверить ражателя постоянство параметров и a на всём интервале наблюдения, то есть убедиться в том, что объект исследований совершал равноускоренное дви жение. В таблице, показанной ниже, приведены значения параметров и a, найденные при решении обратной задачи.

Таблица, рад.

ср 10 7, 10, Из таблицы 1 видно, что для № 2 окна разных временных окон значение рас- м/c м/c считанного ускорения не более чем на 1 0.215 1. 0. 1,4% отличалось от среднего значения 2 0.212 1. 3 0.218 1. ускорения для всех временных окон.

Данный результат позволяет сделать вывод о том, что исследуемый объект совершал равноускоренное движение.

Кроме того, проводилось компьютерное моделирование автодинного сигнала полупроводникового лазера в предположении неравномерно уско ренного движения внешнего отражателя. Переменная составляющая авто динного сигнала в используемой модели записывается в виде:

t t P(t ) = cos( + (V0 + a(t )dt )dt ), (3) 0 где a(t ) – ускорение внешнего отражателя, изменяющееся во времени.

Для нахождения изменяющегося во времени ускорения интервал на блюдения автодинного сигнала (3) можно разбить на n временных окон, в пределах каждого из которых значение ускорения an можно считать посто янным и для которых справедливо соотношение:

a t P (t ) = cos( + (V0 t + n )). (4) 0 Были проведены эксперимен тальные исследования движения объекта с ускорением, изменяющим ся по линейному закону. Вид экспе риментальной установки, для прове дения исследований, приведен на рис.1.

Вид измеренного автодинного Рис.3. Измеренный автодинный сигнал при сигнала при неравномерно ускорен неравномерно ускоренном движении внешнего отражателя ном движении объекта приведен на рис.3. Для очистки измеренного сиг нала от высокочастотных состав ляющих проводилось сглаживание экспериментальной кривой с исполь зованием встроенной функции мате матического пакета MathCad – supsmooth. Вид экспериментальной Рис.4. Вид экспериментальной кривой кривой, приведённой на рис.3, сгла сглаженной средствами MathCad женной таким образом, показан на рис 4.

Полученная на рис.4 кривая использовалась для сравнения с теоретиче ской зависимостью, описываемой выражением (2). Для этого, весь интервал наблюдения был разделён на 6 временных окон. На рис.5 показано изменение ускорения со временем, определённое в результате решения обратной задачи описанным способом.

Из приведённых на рис.5 ре зультатов видно, что для разных временных окон были получены разные значения ускорений, харак теризующие движение объекта с ускорением, увеличивающимся по линейному закону.

Таким образом, показана воз можность использования полупро водникового лазера, работающего в автодинном режиме, для определе- Рис.5. Измеренный автодинный сигнал при ния равномерно и неравномерно неравномерно ускоренном движении ускоренного движения объекта, со- внешнего отражателя вершающего микро- и нанопере мещения. Особенностью предлагаемой методики является возможность оп ределения ускорения на различных участках движения и определения харак тера зависимости ускорения от времени.

В третьем разделе показана возможность использования полупроводни кового лазерного автодина для определения механических свойств мягких сферических оболочек, имеющих внутреннее давление.

Для определения механических свойств и деформаций сферических оболочек, имеющих внутреннее давление, требовалось восстановление функции Z (t ) движения объекта по автодинному сигналу полупроводниково го лазера P(t ) = cos( + 4 0 Z (t )). Для восстановления функции Z (t ), по авто динному сигналу полупроводникового лазера, можно воспользоваться обрат ной функцией, т.е.:

+ Z (t ) = ± arccos( P (t )) + 2n, где n = 0,±1,±2,... (5) Для моделирования деформации сферической оболочки при различном внутреннем давлении выбирались 3 резиновых шарика, заполненные гелем.

Каждый из шариков заполнялся гелем так, что его количество во всех трёх образцах было одинаковым. Все макеты были сделаны из одного материала разной толщины. Образцы имели одинаковый диаметр равный 24 мм.

В экспериментальной установке в качестве источника излучения ис пользовался полупроводниковый лазерный автодин, запитываемый от источ ника тока. На макет воздействовали воздушным импульсом от компрессора.

Часть излучения, отражённого от макета сферической оболочки, возвраща лась в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистрировалось встроенным фотодетектором. Сигнал с фотоде тектора поступал через усилитель на аналого-цифровой преобразователь для обработки в ЭВМ. Тестовое измерение величины внутреннего давления про водилось по методу Маклакова грузом массой 10 г.

При проведении эксперимента воздушные импульсы от компрессора по гибкому шлангу и пластмассовой трубке направлялись на поверхность одно го из макетов, что позволяло создавать нагружение оболочки извне.

Результаты тестовых измерений, рассчитанные по сигналу автодинного детектирования для 3 макетов, приведены в таблице 2.

Таблица № Толщина Давление Частота Коэффициенты ма- оболочки, внутри ма- колеба- затухания, 1/с кета мкм кета, мм рт. ний, Гц ст.

43 ± 3, 1 630 14,2 30 ± 3, 2 550 12,5 20 ± 3, 3 400 11,2 Из приведённых в таблице 2 результатов эксперимента следует, что под действием ударной воздушной волны поверхность объекта совершает коле бания с затуханием. Сопоставляя полученные результаты для разных толщин исследуемых образцов, можно заметить, что колебания тонких оболочек за тухают медленнее, чем колебания толстых оболочек. При этом отличается и частота колебаний. Частота колебаний толстых оболочек выше.

Была показана возможность восстановления функции движения Z (t ) другим способом. Функцию движения объекта восстанавливали, используя вейвлет – преобразование. В этом случае функция, характеризующая про дольные движения объекта, записывается в виде:

t b dadb Z (t ) = K 1 1 ( C ( a, b ) (6) ) 2, a a a где 1 - базисная вейвлет – функция, на основе производной функции Гаусса G (t ) = e t 2, C (a, b) - коэффициенты вейвлет – разложения функции Z (t ) по ба f () зису 1, K = 2 d - постоянная величина, определяемая базисной вейвлет - функцией. Введем в рассмотрение функцию S (t ) такую, чтоб её вейвлет спектр с точностью до постоянного множителя соответствовал спек тру восстанавливаемого сигнала P(t ) :

dP (t ) / dt S (t ) =. (7) ± 1 P 2 (t ) Запишем ее с учетом выражения для нормированной составляющей интерфе ренционного сигнала P(t ) и функции, характеризующей продольные движе ния объекта (6):

4 t b dadb S (t ) = 2 ( C ( a, b) ) 2, (8) K 1 a a a t b C ( a, b) = 2 ( 4 S (t ) )dt, (9) a a где 2 - производная от базисной вейвлет – функции 1.

Сравнивая интегральные представления функций Z (t ) и S (t ), можно увидеть, что они отличаются базисной вейвлет – функцией и постоянной ве личиной 4, но имеют одинаковые коэффициенты вейвлет – разложения C (a, b). Поэтому, полученные в результате обратного вейвлет – преобразова ния коэффициенты разложения (9) можно будет использовать для восстанов ления функции движения объекта Z (t ), подставив их в соотношение (6).

Таким образом, решение задачи по нахождению Z (t ) (обратная задача) будет включать измерение автодинного сигнала P(t ), численный расчет его производной dP(t ) / dt, построение функции S (t ) с использованием соотноше ния (7), получение коэффициентов – разложения C (a, b) функции S (t ) и рас чёт функции характеризующей продольные движения объекта Z (t ) с исполь зованием (6). По восстановленной функции движения объекта Z (t ) можно определить величину прогиба в каждой точке сферической оболочки.

При проведении эксперимента воздушные импульсы от компрессора по гибкому шлангу и пластмассовой трубке направлялись на поверхность одно го из макетов, что позволяло создавать нагружение оболочки извне. Движе ние поверхности макета приводило к изменению величины автодинного сиг нала полупроводникового лазера. Величина прогиба при этом определялась по автодинному сигналу по методике, приведённой выше. Для определения максимальной величины прогиба полупроводниковый лазер, закреплённый в оснастке, смещали микровинтом (с шагом 1 мм). Подобный подход позволил восстановить профиль деформируемой поверхности.

Внутрь шарика, вводилась трубка, свободный конец которой связывали с Y - образным резиновым шлангом. К свободным концам шланга присоеди нялись нагнетатель и измеритель давления. Давление внутри макета изменя ли при помощи нагнетателя.

Как следует из результатов измерений, приведённых на рис.6, предло женным методом можно определить, как величина прогиба сферической оболочки изменяется в зависимости от расстояния от центра воздействия воздушного импульса до точки измерения прогиба. При этом глубина проги ба для образцов с различным внутренним давлением различна. Измерение величин прогиба поверхности в разных точках позволило восстановить рель еф исследуемой поверхности и определить локальные особенности под дей ствием воздушного импульса. Из результатов измерений следует, что вели чина прогиба сферической оболочки коррелирует с величиной давления внутри макета. Следовательно, значение неизвестного давления можно опре делить по значениям величины прогиба самой оболочки.

Описание поведения сфериче ской оболочки в условиях нагруже ния можно использовать для иссле дования биомеханических свойств биообъектов in vivo. Исследование биомеханических характеристик а) оболочки глаза – склеры, может по зволить проводить диагностику раз личных нарушений её биомеханиче ского статуса. Использование полу проводникового лазерного автодина позволяет по сравнению с извест б) ными методами повысить точность определения области и величины прогиба, а отсутствие непосредст венного контакта между глазом и измерителем позволит исключить необходимость обезболивания.

в) Таким образом, рассмотрена Рис.6. Восстановленные профили по возможность использования полу- верхности макета под действием проводникового лазерного автодина пневмоимпульса: а – давление 40 мм для измерения механических де- рт. ст., б – давление 30 мм рт. ст., в – формаций сферических оболочек, 20 мм рт. ст.

имеющих внутреннее давление, под действием пневмоимпульса. Использо вание лазерной системы позволяет с высокой точностью определить величи ну прогиба в каждой точке сферической оболочки. Показано, что значение прогиба связано с внутренним давлением. Данная зависимость может быть, в частности, использована для бесконтактного измерения внутриглазного дав ления in vivo.

В четвертом разделе показано применение полупроводникового лазер ного автодина для измерения параметров движения оболочек, по форме близкой к форме глазного яблока, под действием пневмоимпульса.

Функцию движения объекта Z (t ) восстанавливали по нормированной переменной составляющей интерференционного сигнала P(t ) с помощью об ратной функции (3). Неизвестное значение ускорения определи по соотно шению (2).

Были проведены эксперимен тальные исследования по определе нию величины деформации и ускоре ния оболочки макета под действием пневмоимпульса. Для воздействия на анализируемый участок макета глаза использовался компрессор типа Roteri Рис.7. Блок-схема экспериментальной RCC-90 мощностью 120 W. При про установки ведении экспериментов, использова лись различные режимы работы компрессора. С помощью внешнего источ ника питания изменялось давление воздушных импульсов. Для измерения деформаций макета глаза, использовался полупроводниковый лазерный диод RLD-650 с мощностью излучения до 1 мВт. Тестовое измерение величины внутреннего давления проводилось по методу Маклакова грузом массой 10 г.

На рис.7 приведена блок-схема экспериментальной установки. Излуче ние полупроводникового лазера 1, стабилизированного источником тока 3, направлялось на анализируемый участок макета глаза. Воздушные импульсы от компрессора 2, запитанного источником тока 4, по гибкому шлангу и пла стмассовой трубке направлялись на освещаемую лазером поверхность. Часть излучения, отражённого от макета, возвращалась в резонатор полупроводни кового лазера, изменение выходной мощности которого регистрировалось встроенным фотодетектором 5. Сигнал с фотодетектора поступал через уси литель 6 на аналого-цифровой преобразователь 7. Цифровой сигнал с АЦП для последующей обработки сохраняли в памяти ЭВМ 8. Эксперименталь ные исследования проводились при трех различных силах воздействия и пяти различных внутренних давлениях (ВД). Деформация поверхности макета приводила к изменению величины автодинного сигнала полупроводни кового лазера. Смещение и парамет ры движения при этом определялись по автодинному сигналу по методи кам, приведённым выше.

Анализ полученных сигналов показал, что отношение смещения и ускорения оболочки с внутренним Рис.8. Экспериментально полученная за- давлением 24 мм рт.ст. изменяется висимость отношения величины прогиба к следующим образом: для p = 0, ускорению, под действием пневмоим Па отклонение от среднего значения пульсов, от величины давления внутри составило 0,207 %, для p 2 = 0,082 Па макета – 0,047 %, для p3 = 0,158 Па – 0,27 %.

Подобная результаты были получены в случае ВД макета 16, 20, 30 и 33 мм рт. ст. Таким образом можно сделать вывод о том, что отношение Z / a слабо зависит от давления воздушной струи.

Полученные особенности могут быть использованы для исключения возможных ошибок, связанных с непостоянством давления, которое создаёт воздушная струя при пневмоударе. Кроме того, не потребуется построение множества калибровочных кривых, описывающих зависимость прогиб внутреннее давление. Для этих целей можно будет использовать универсаль ную зависимость Z / a = f ( P) (рис.8).

Таким образом, показана возможность применения полупроводникового лазерного автодина для измерения параметров движения оболочек, по форме близкой к форме глазного яблока, под действием пневмоимпульса. Установ лено, что отношение величины прогиба и ускорения оболочки слабо зависит от давления пневмоимпульсов и расстояния от их источника до оболочки.

Были проведены эксперименты по определению параметров движения склеральной оболочки глаза под действием пневмоимпульса при различном внутриглазном давлении.

Неизвестные параметры движения V и a можно найти, определив час тоту переменной составляющей автодинного сигнала по её спектру. Для это го весь интервал наблюдения автодинного сигнала разбивается на несколько временных окон. В каждом окне находится скорость движения, используя выражение (8):

V= 0 n (8) где V – скорость движущегося объекта, n – частота автодинного сигнала для разных временных окон. По рассчитанным значениям скорости опреде ляют значение ускорения, с которым движется оболочка. Для контроля внут риглазного давления использовался пневмотонометр Canon Full Auto Tono metr TX – F10 (CFAT). Измерения параметров движения проводились с ис пользованием лазерного диода RLD-650.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа. На первом этапе проводилось измерение параметров движения оболочки глаза пациента под действием пневмоимпульсов, наряду с измерением внутриглазного дав ления прибором CFAT. На втором этапе измерялись параметры движения склеры под действием пневмоимпульсов, с измерением ВГД, после закапы вания препарата “Дуотрав”, понижающего ВГД. После измерений сравнива лись величины прогиба склеры до и после закапывания капель. Перед прове дением измерений голова пациента фиксировалась при помощи лобно подбородной опоры. Блок-схема измерительной установки приведена на рис.7.

Анализ полученных сигналов показал, что значения максимальной ско рости и ускорения склеральной оболочки, рассчитанные по спектру автодин ного сигнала, до закапывания препарата “Дуотрав” оказались меньше, чем после закапывания. Контроль ВГД серийно выпускаемым пневмотонометром подтвердил уменьшение давления после закапывания препарата. Результаты расчёта приведены в таблице 3.

Таблица Z, № ВГД (Canon Full Auto Tono- V, м/c a,м/c мкм metr), у.е.

до препа 1. OD = 15 0,00029 0,0147 2, рата после 2. OD = 14 0,00037 0,0185 3, препарата Из таблицы видно, что величина скорости и ускорения склеральной обо лочки от пневмоимпульсов, измеренные через час после закапывания препа рата, увеличились для V на 27,58 %, для a на 25,85 %,. Прогиб склеры уве личился на 33,45 %. При этом по показаниям пневмотонометра CFAT давле ние изменилось на 1 условную единицу. Отношение Z / a до закапывания препарата “Дуотрав” 1,91x10-4c2, после закапывания препарата 2,02x10-4c2.

Таким образом, показана возможность применения полупроводникового лазерного автодина для измерения параметров движения оболочек глаза под действием пневмоимпульса и сопоставление полученных результатов с вели чиной внутриглазного давления. Установлена связь величины скорости, ус корения и прогиба с ВГД. Полученную зависимость можно будет использо вать при разработке новых методов бесконтактного контроля ВГД.

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

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Показана возможность использования полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах для определения ускорения при микро- и на ноперемещениях объекта. Восстановление функции автодинного сигнала при решении обратной задачи позволило значительно расширить существующий диапазон измеряемых ускорений в области малых значений.

2. Показана возможность применения полупроводникового лазерного ав тодина для определения динамических характеристик мягких сферических оболочек, имеющих внутреннее давление.

3. Рассмотрена возможность использования полупроводникового лазер ного автодина для измерения механических деформаций сферических оболо чек, под действием пневмоимпульса. Применение вейвлет-анализа данных, полученных на основе экспериментально зафиксированного автодинного сигнала, позволяет с высокой точностью определить величину прогиба в ка ждой точке сферической оболочки. Показано, что значение прогиба связано с внутренним давлением. Полученные результаты могут быть использованы, в частности, для бесконтактного измерения внутриглазного давления in vivo.

4. Экспериментально установлено, что отношение величины прогиба и ускорения оболочки Z /a слабо зависит от давления пневмоимпульсов и рас стояния от их источника до оболочки, о чём свидетельствуют полученные экспериментальные данные. Показана однозначная связь отношения Z /a с величиной давления внутри оболочки.

5. Впервые продемонстрировано применение полупроводникового лазер ного автодина для измерения параметров движения оболочек глаза под дей ствием пневмоимпульса. Полученную зависимость можно будет использо вать при разработке новых методов бесконтактного контроля ВГД.

Основные результаты диссертационной работы изложены в сле дующих публикациях:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК ведущих рецензируе мых научных журналов и изданий 1. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение ускорения при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах // Письма в ЖТФ. 2010. №21. С.78– 84.

2. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение ускорения при неравномерно ускоренных микро- и наносмещениях объекта по автодин ному сигналу полупроводникового лазера // Нано- и микросистемная техни ка. 2010. № 10. С. 51-54.

3. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение характери стик колебаний упругой сферической оболочки, заполненной несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2011. №18. С.65–72.

Тезисы докладов на конференциях 4. Николенко В.Н., Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Галактионова Н.А., Добдин С.Ю. Половые и билатеральные различия морфометрических пара метров клыковой ямки у взрослых людей // Методы компьютерной диагно стики в биологии и медицине – 2007. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С.

118-119.

5. Добдин С.Ю. Оптический измеритель ускорения микрообъектов // Всерос. мол. Выставка конкурс прикладных исследований, изобретений, и инноваций. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. С. 232.

6. Добдин С.Ю. Измерение ускорения при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера // Наноэлектроника, нано фотоника и нелинейная физика. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 16 17.

7. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Усанова Т.Б., Добдин С.Ю. Измерение внутриглазного давления с помощью полупроводникового лазерного автоди на // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2011. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. С. 41-44.

8. Добдин С.Ю. Измерение характеристик колебаний упругой сфериче ской оболочки с помощью полупроводникового лазерного автодина // Сбор ник конкурсных научно-исследовательских работ магистров, аспирантов, и молодых учёных в области стратегического партнёрства вузов и предприятий радиоэлектронного комплекса. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2011. С.

196-200.

Патенты 9. Патент РФ №2338998 на изобретение «Способ лазерного видеоизме рения рельефа поверхности» Авторы: Усанов Д.А., Николенко В.Н., Скрипаль Ан.В., Галактионова Н.А., Добдин С.Ю. Опубл: 20.11.2008. Заявка №2007111403 от 26.04.2007, РФ.

10.Патент РФ №2420746 на изобретение «Способ измерения ускорения при микро- и наносмещениях» Авторы: Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Опубл: 10.06.2011. Заявка № 2010104120 от 10.02.2010, РФ.

Интернет ресурс Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Усанова Т.Б., Добдин С.Ю. Метод измерения внут риглазного давления с помощью полупроводникового лазерного автодина – http://journals.ioffe.ru/pjtf/2012/03/p69-74.pdf Подписано в печать18.11.2011. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Гарнитура Times. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ №.



 




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

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