Волоконно-оптические измерительные системы в задачах биомеханики

• Автор: Скворчевский, Константин Анатольевич
• Шифр специальности: 01.02.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 251 с. : ил.

-3'
Введение. Состояние проблемы и постановка задачи исследований
Глава 1. Концепция развития волоконно-оптических
систем в медицине и биомеханике
1.1. Классификация основных принципов применения
лазеров в биологии, медицине и биомеханике
1.2. Анализ современных волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) и использование их свойств в биомеханических исследованиях
1.3. Особенности схемных решений ВОИС для биомеханики
Глава 2. Исследование методов и средств поддержания позы человека при ходьбе
2.1. Медицинская статистика травматизма человека при ходьбе
2.2. Методы и средства исследования движений человека
с использованием ВОИС
2.3. Методы и средства диагностики человека при локомоциях
Глава З.Возможности применения системы ВОИС
для анализа биомеханики позвоночника
3.1. Актуальность исследования биомеханики позвоночника
3.2. Позвоночник как сложная биомеханическая система.
Классификация для разработки методов и средств ВОИС
3.3. Задачи исследования динамики позвоночника
3.4. Методика исследования позвоночника методами ВОИС
с распределенными параметрами
3.5. Экспериментальные исследования позвоночника
с использованием ВОИС
Глава 4. Экспериментальные исследования гидродинамики сосудов и капилляров методом ВОИС
4.1. Методика исследования
4.2. Связь между измеряемыми параметрами и внешними
условиями измерения
4.3. Особенности сопряжения и восстановления функций
измеряемых величин при ВОИС-диагностике
4.4. Методика восстановления изображения через среды
4.5. Особенности взаимодействия пульсирующего потока
жидкости со стенкой сосуда
4.6. Исследование рельефных структур внутри сосудов
Глава 5. Возможности ВОИС для построения функционального аналога вестибулярного аппарата человека
5.1. Общие положения
5.2. Функциональное описание вестибулярного аппарата
человека
5.3. Особенности исследования биомеханики вестибулярного
аппарата
5.4. Моделирование вестибулярного аппарата на основе ВОИС
5.5. Мультиплексирование двухплечевых ВОИС
5.6. Расчет функционального аналога полукружных каналов
Общие выводы
Заключение
Список литератур ы
Приложение

Состояние проблемы и постановка задачи исследования
Патенты живой природы традиционно являются побудительным мотивом для инженерной мысли, издавна стремящейся воплотить в технических аналогах их удивительные возможности. Функционирование систем человеческого организма способно подсказать ряд эвристических технических решений, воплощение которых в реальных моделях приводит к созданию принципиально новых систем, решающих насущные задачи медицины, техники и науки в целом. Разрешение проблемы создания высокоточных чувствительных исследовательских систем позволит не только решить традиционные задачи биомеханики, но также вскрыть пласт новых проблем, решение которых возможно только при использовании современных технических средств.
Решение задач биомеханики в системах «человек-машина-среда» остро нуждается в методах и средствах, основанных на измерительных системах, чувствительность, специфичность и точность которых соизмеримы с функционированием человеческого организма. Эти системы должны надежно работать в экстремальных условиях, быть малогабаритными, устойчивыми к действию разнообразных внешних условий и помех, таких, как сильные электромагнитные поля, взрыво- и пожароопасные факторы и пр.
Биологические объекты отличаются особой сложностью. Для живого организма характерны многофазовые переходы и кооперативные процессы, при которых множество частей ведет себя как единое целое. При создании сложных систем «человек-машина-среда» необходимо производить комплексные измерения не только биологической части систем, но, одновременно, и окружающей ее среды. Измерению подлежат физические характеристики из широкого перечня видов, включающего микроускорения, микрогравитацию, вибрацию, температуру, давление и т.д. Данные, в которых нуждаются исследователи, должны описывать сложные свойства
температуры окружающей среды, случайные механические воздействия и др.
На сегодняшний день разработан целый ряд схем, в которых фоторефракгивный кристалл используется в качестве адаптивного фильтра для обработки сигналов волоконно-оптических интерферометрических датчиков. Так, в работе [14] предложен метод обработки сигнала одноволоконного многомодового интерферометра с помощью фазово-сопряженного зеркала, сформированного в ФРК различными лазерами. Существуют также схемы, в которых динамическая голограмма формируется в ФРК под воздействием двух лучей: предметного, вышедшего из волоконно-оптического датчика, и опорного луча. Восстановленная опорным лучом волна интерферирует с предметной, формируя тем самым амплитудно-модулированный сигнал, регистрируемый фотоприемником. Однако эти схемы адаптивной фильтрации ввиду своей относительной сложности не могут быть использованы для обработки сигналов волоконно-оптических измерительных сетей, содержащих большое количество измерительных линий. По-видимому, наиболее простой и эффективной в этом случае является схема формирования адаптивного фильтра на основе эффекта фаннинга. Эффект фаннинга известен как процесс усиления рассеянного в фоторефракгавных кристаллах излучения (самодифракция) [12,13]. Появление фаннинга в ФРК связано с рассеянием когерентной световой кристалла. Это рассеяние создает когерентный шум, изначально очень малой интенсивности, компоненты которого интерферируют с введенной в ФРК световой волной, образуя хаотически ориентированные динамические дифракционные решетки, являющиеся преимущественно фазовыми. Последующая дифракция основной волны на этих дифракционных решетках приводит к усилению волн рассеяния и, как следствие, к увеличению глубины модуляции показателя преломления динамических решеток Наблюдающаяся конкуренция волн. рассеяния обуславливает создание стационарного набора обычных динамических решеток, которые в дальнейшем определяют пространствен но-угловой спектр волн фаннинга. Любое быстрое (быстрее характерного времени записи)