Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Метод Газоразрядной Визуализации в оценке состояния биологических объектов .
1.1. Эффект Кирлиан как основа для построения метода оценки состояния биологического объекта.
1.2. Известные представления о физических процессах характерных для эффекта Кирлиан.
1.3. Особенности построения средств визуализации ГРВ изображений при проведении медико-биологических исследований .
1.4. Биологическ/ий объект как предмет электрографических исследований.
1.5. Особенности извлечения информации о состоянии биологического объекта при анализе газоразрядных сигналов, индуцированных БО.
1.6. Постановка задачи исследования. 45
Глава 2. Анализ физических процессов формирования газоразрядного образа биообъекта, стимулированного электромагнитным полем высокой напряженности .
2.1. Методические схемы исследования биологических объектов.
2.2. Анализ распределения электрического поля в разрядном промежутке. 49
2.3. Математическое моделирование процесса развития лавинного разряда .
2.4. Анализ процессов зарядки диэлектрической поверхности в ходе Газоразрядной Визуализации.
2.5. Расчет тепловой мощности в разряде и ее влияния на состояние объекта.
2.6. Структуризация биологической жидкости в условиях, характерных для процессов Газоразрядной Визуализации.
-3 2.7. Основные информативные признаки объектов, проявляющиеся при Газоразрядной Визуализации.
Гл.З. Исследование каналов извлечения информации о состоянии БО в процессе Газоразрядной Визуализации
3.1. Особенности информационного взаимодействия БО с каналом обработки информации.
3.2. Собственная электропроводность объекта. 89
3.3. Структурная неоднородность поверхности и объема . 95
3.4. Влажность объекта. 96
3.5. Спонтанное и стимулированное оптическое излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
3.6. Собственное газовыделение объекта. 106
3.7. Корпускулярные излучения. 108
3.8. Выбор наиболее информативного спектрального диапазона излучения для извлечения информации о состоянии БО в процессе
ГРВ.
Гл.4. Методические принципы построения систем Газоразрядной Визуализации .
4.1. Информативность Газоразрядных изображений БО. 113
4.2. Методические принципы извлечения информации о состоянии БО методом Газоразрядной Визуализации
4.3. Стандартизация процесса Газоразрядной Визуализации. 119
4.4. Стабильность и воспроизводимость параметров. 122
Гл. 5. Принципы и алгоритмы программной обработки ГРВ-грамм.
5.1. Параметры ГРВ-грамм, используемые для анализа. 129
5.2. Процедуры обработки исходного изображения. 131
5.3. Трансформирование координатных отображений ГРВ-грамм с выделением ряда значимых элементов.
5.4. Использование вероятностных параметров для описания ГРВ- грамм.
5.5. Автоматизированная система классификации ГРВ-грамм на базе самообучающейся интеллектуальной системы нечетко структурируемых информационных баз данных.
5.6. Распознавание типовых ГРВ-грамм пальцев рук на базе анализа их фрактальной динамики.
Гл. 6. Принципы построения и практическая реализация программно-аппаратного комплекса для применения метода Газоразрядной Визуа лизации .
6.1. Основные принципы построения приборов ГРВ. 162
6.2. Универсальный прибор для исследования характеристик газоразрядного свечения различных объектов и его модификации.
6.3. Программный комплекс "GDV". 177
Гл. 7. Результаты применения метода Газоразрядной Визуализации в медико-биологической практике и экологии .
7.1. Программа исследования комплексных характеристик БО с использованием методов Газоразрядной Визуализации.
7.2. Исследование процессов культивирования микробиологических культур.
7.3. Исследование газоразрядного свечения растительных объектов 189
7.4. Исследование газоразрядного свечения листьев растений. 190
7.5. Разработка методики выявления онкомаркеров в разведенных образцах крови.
7.6. Принципы диагностики психофизиологического состояния человека в норме и патологии. Основные этапы ГРВ диагностики.
7.7. Результаты и перспективы применения ГРВ-графии в терапевтической клинике.
7.8. Анализ энергоинформационных аспектов гирудотерапии. 205
7.9. Методика оценки психофизиологической соревновательной готовности спортсменов в сопоставлении с батареей тестов.
Заключение 215
Литература
- Особенности построения средств визуализации ГРВ изображений при проведении медико-биологических исследований
- Математическое моделирование процесса развития лавинного разряда
- Структурная неоднородность поверхности и объема
- Методические принципы извлечения информации о состоянии БО методом Газоразрядной Визуализации
Введение к работе
Актуальность темы. Диагностические исследования являются важнейшим словием проведения терапии как с точки зрения выбора наиболее эффективных редств лечения, так и для контроля за реакцией больного с учетом многообразия оздействующих факторов окружающей среды.
Используемые в медико-биологической практике диагностические методы, ри их многочисленных преимуществах, имеют и ряд существенных ограничений: ольшинство из них отражают состояние отдельных органов и систем организма; в екоторых из них используются интенсивные излучения и поля, что ограничивает астоту их применения; как правило, они требуют больших капиталовложений и ксплуатационных затрат; немногочисленны методы динамического контроля со-тояния организма в процессе проводимой терапии. Возрастают требования к ква-ификации персонала при росте вероятности ошибки субъективных диагностиче-ких выводов. Поэтому для решения широкого класса медико-биологических задач (еобходима разработка простых в применении, неинвазивных, надежных авто-(атизированных систем динамической оценки функционального состояния орга-шзма и, в частности, методов скрининг-контроля при проведении диспансеризацій широких масс населения с выявлением групп риска по различным нозологиче-:ким формам. При этом принципиальное значение приобретает разработка новых грограммно-аппаратных методов исследования.
Среди методов оценки состояния уже более столетия известен эффект визуа-іизации состояния объектов в электромагнитном поле (ЭМП), носящий имя отече-лвенных исследователей супругов С.Д. и В.Х. Кирлиаи. Многочисленные экспериментальные исследования показали перспективность применения этого эффекта идя исследования психофизиологических характеристик человека и динамики их изменения. В то же время эффект Кирлиан до сих пор внедрен в практику из-за от-:утствия единого понимания базовых принципов формирования изображений, репрезентативных методик н удобной аппаратуры для клинического применения. Подобное положение, даже при наличии широкого интереса и отдельных положительных результатов, препятствовало внедрению метода в практику медико-биологических исследований. Для его практического применения необходимо было разработать научные основы и практические принципы регистрации и анализа газоразрядного свечения биологических объектов (БО).
Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами:
1.Необходимостью развития новых методов экспресс-диагностики текущего состояния, выявления патологических процессов на ранней стадии заболевания, а также динамического слежения за состоянием БО и, прежде всего, человека, в процессе и в результате оказываемого воздействия, в частности, проводимой терапии
2.Необходимостью выявления базовых физических процессов, протекающих в ходе взаимодействия исследуемого объекта с электромагнитным полем и носителем информации в процессе визуализации с использованием газового разряда.
3.Необходимостью создания репрезентативной практической методики, базирующейся на методе Газоразрядной Визуализации.
Целью работы является разработка в целях медико-биологического и эколог» ческого мониторинга научных основ и аппаратурной реализации способа исследовг ния функционального состояния биологических объектов, позволяющего извлекат информацию об их функциональном состоянии и реакции на воздействия путе: компьютерной обработки и анализа характеристик свечения газового разряда, раз вивающегося вблизи поверхности БО при стимулировании последнего импульсам электромагнитного поля.
Задачи работы, связанные с решением поставленной цели:
Анализ состояния исследований в области теоретико-экспериментального обоснования и практических приложений эффекта Кирлиан.
Исследование физических процессов, протекающих при формировании газоразрядного свечения, индуцированного БО в ЭМП высокой напряженности; оценка роли различных факторов в формировании наблюдаемых газоразрядных свечений, индуцируемых БО.
Исследование каналов взаимодействия БО с газовым разрядом; влияния процесса измерения на объект; процесса отражения информации о состоянии объекта при посредстве газового разряда, введение принципов и критериев классификации и количественной оценки формирующихся изображений.
Разработка принципов построения измерительно-вычислительных систем компьютерного анализа газоразрядного свечения, индуцированного объектами биологической природы в электромагнитных полях. Создание алгоритмов извлечения информации и программной обработки пространственно-амплитудных фрактальных изображений.
Развитие математических принципов многофакторной оценки газоразрядных изображений на базе автоматизированной самообучающейся интеллектуальной системы многопараметрических информационных баз данных, в частности, методов анализа фрактальной динамики газоразрядных изображений.
Развитие методик применения разработанных систем для анализа состояния различных биологических объектов.
Обоснование и экспериментальное подтверждение перспективности применения развитых принципов при решении задач медико-биологического и экологического мониторинга и внедрение их в экспериментальную и клиническую практику.
Объектом исследования настоящей работы являются процессы отражения информации о состоянии БО в характеристиках газоразрядного свечения, индуцированного исследуемым объектом в ЭМП высокой напряженности и методы извлечения информации путем компьютерной обработки двумерных фрактальных изображений.
Предметом исследования являются физические процессы развития газового разряда, инициированного и модулированного за счет поверхностных и объемных свойств исследуемого объекта и методы математического преобразования и интерпретации информации, получаемой в результате визуализации газоразрядного свечения, для медико-биологических приложений.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Концептуальный подход к исследованию биологических объектов путем компьютерной обработки и анализа характеристик свечения газового разряда, индуци-
рованного объектами биологической природы в электромагнитных полях высокой напряженности.
-
Комплекс представлений о влияния биологического объекта на характеристики газового разряда с учетом модельных представлений теории газоразрядных процессов, физической электроники, гидродинамики, теплофизики.
-
Результаты экспериментальных исследований и их интерпретации, подтвердивших эффективность использования разработанных общей методологии, методов и средств исследования БО с применением разработанных подходов.
Научная новизна работы заключается в создании нового научного направления: диагностика и мониторинг состояния БО на базе регистрации и компьютерного анализа параметров газоразрядного свечения, индуцированного БО в электромагнитном поле высокой напряженности в целях медико-биологической и экологической практики. В отличие от известных методов медицинской визуализации, формирующиеся изображения представляют собой пространственно-амплитудные фрактальные образы, параметры которых зависят от функционального состояния биологического объекта.
Научная новизна подтверждается следующими научными результатами:
1. Предложен и научно обоснован новый подход к оценке функционального
состояния и слежению за динамикой его изменений под влиянием внешних факто
ров путем системного анализа комплексных параметров индуцированного биоло
гическим объектом газоразрядного свечения.
-
Исследована природа физических процессов формирования изображений при газовом разряде и выявлены оптимальные условия их реализации.
-
Исследована структура каналов взаимодействия БО с электромагнитным полем, газовым разрядом и системой преобразования информации, что позволило выделить основные признаки БО, оказывающие влияние на параметры визуализации.
-
Развиты математические модели микроскопических процессов, определяющих основные особенности процесса визуализации: в газовой фазе, на поверхностях электродов визуализации, на поверхности исследуемого объекта, в объеме жидкофазного объекта, находящегося в ЭМИ высокой напряженности.
-
Предложен и экспериментально обоснован комплекс параметров, описывающих геометрические, структурные, яркостные, фрактальные, энергетические характеристики ГРВ-грамм.
-
Создан метод анализа фрактальной динамики матриц данных, позволяющий решать задачи автоматизированной классификации газоразрядных изображений.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основании общего подхода, методов и средств, изложенных в диссертации, разработан и внедрен в медико-биологическую практику новый класс биотехнических комплексов: измерительно-вычислительных системы регистрации, обработки и анализа газоразрядного свечения, индуцированного объектами биологической природы в электромагнитных полях высокой напряженности и отражающего состояние этого объекта. Практическую значимость имеют:
1. Комплекс моделей и методов анализа и сравнительной оценки параметров изображений по совокупности их характеристик, а также критерии классификации состояний объектов на базе проводимого анализа.
, 2.. Основные алгоритмические принципы цифровой обработки газоразрядн изображений, принципы построения профаммного и метрологического обеспечени
-
Специализированный программный комплекс обработки и анализа газоразрядных изображений.
-
Прибор для исследования газоразрядных характеристик БО, внедренный в медико-биологическую практику.
-
Самообучающаяся интеллектуальная система обработки и классификаци изображений на базе нечетко структурируемых информационных баз данных kos плексных параметров газоразрядных изображений.
-
Введенные в работе научные термины: метод Газоразрядной Визуализации ГРВ, ГРВ-графия для идентификации метода графической регистрации и ГРІ грамма для описания самого изображения.
2х Базовые методики практических приложений метода ГРВ в различных областях медико-биологической практики с рекомендациями по практическому применению в конкретных областях:
при исследовании жидкофазных объектов: микробиологических культур, образ' цов крови, слюны, биологически-активных жидкостей, воды;
при исследовании растительных объектов;
при экспресс-диагностике психофизиологического состояния человека на раз личных этапах жизнедеятельности для выявления патологических состояний н< ранних стадиях;
при мониторинге состояния БО в реальном масштабе времени.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что развиты! метод является одним из перспективных инструментальных методов, позволяюцда оценивать функциональное состояние организма. Как показали развитые пракгаче ские приложения, преимущества его состоят в следующем: объективность инфор мации - независимость от навыков и опыта конкретного пользователя; неинвазив ность, безопасность и полная стерильность; возможность слежения за развитие( процессов в реальном масштабе времени, сопоставления структурных, функцио нальных и временных процессов в организме; методическая простота и удобство отсутствие каких-либо особых требований к помещению, условиям окружающеі среды, квалификации исполнителя; при исследовании состояния человека снята информации только с конечностей пациента; наглядность и интерпретируемост получаемых результатов, удобство их хранения и обработки; относительно невы сокая стоимость аппаратуры и возможности ее широкого практического внедрения
Результаты диссертации использованы для решения широкого круга проблеї в медицине, биологии, экологии, спорте. Научное и практическое значение имеют аппаратура, методики, методы и средства цифровой обработки изображений газе разрядного свечения, автоматизированные системы получения, оценки и интерпрс тации информации.
Достоверность полученных результатов обеспечена теоретическими и эк< периментальными обоснованием выдвинутых положений, систематической прс веркой полученных теоретических результатов оригинальными эксперименташ ными данными, сравнительным анализом результатов, полученных новыми и трг дициоиными методами, проведением лабораторных и клинических исследований
использованием метрологически поверенной стандартной аппаратуры, а также большой статистической выборкой исследуемого материала и корректными способами его статистического анализа с использованием современных методов..
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены в период 1985-1999 гг. на 40 конференциях и семинарах в России и за рубежом. Среди них: Всесоюзные и Международные конференции: "Человеко-машинные системы" (Таганрог 1989); "Экоэнергетика, здоровье человека" (Сочи 1991); Конгресс по профилактической медицине (С-Пб, 1995); «Фундаментальная наука и альтернативная медицина» Пущино 1997; «Биомедприбор-98» (Москва 1998); «Проблемы инструментальной оценки состояния с помощью компьютерных систем» (Москва, 1999); конф. поев; 150-летию И.П. Павлова (СПб, 1999).; "Безопасность и экология Санкт-Петербурга" (СПб, 1998, 1999); Зарубежные Конгрессы: Шри-Ланка 1995, 1998; Дюссельдорф 1995; Хельсинки 1996, 1998; Индия 1998; Бразилия 1999; Латвия 1998, 1999; Израиль 1999; Голландия 1999. Семинары в МГУ, 1997, в Университетах городов Вичита, Куопио, Лима, Мельбурн, Мехико, Оорус, Портланд, Чикаго, Лондон, 1996-1999 и получили положительную оценку.
На основе полученных результатов создана диагностическая и лечебная аппаратура, разрешенная к применению Комитетом по Новой Медицинской Технике МЗ РФ (май-декабрь 1999). Разработанная медицинская аппаратура сертифицирована и выпускается серийно, внедрена в медицинских и исследовательских центрах России, Англии, Германии, Индии, Словении, США, Финляндии, Швеции.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 70 опубликованных научных работах, из них 2 монографии, 27 научных статей, 10 авторских свидетельств, 31 тезисов конференций. Во всех работах, выполненных с соавторами, автору принадлежит постановка задачи, концепция основных методов и средств проведения исследований, анализ полученных результатов. Автор непосредственно принимал участие во всех проведенных исследованиях.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 7 глав, заключение, список литературы, включающий 293 наименования, в том числе 70 работ автора. Основная часть работы изложена на 205 страницах машинописного текста. Работа содержит 69 рисунков и 13 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту, заслуженному деятелю науки и техники, доктору технических наук, профессору Попе-чителеву Е.П. за консультации в процессе подготовки работы, заслуженному деятелю науки и техники, доктору технических наук, профессору Дульневу Г.Н. и докторам медицинских наук Александровой Р.А., Бундзену П.В., Крашенюку А.И., Кукуй Л.М. за консультации, поддержку и помощь при проведении работы.
Особенности построения средств визуализации ГРВ изображений при проведении медико-биологических исследований
Эффект свечения различных объектов, в том числе биологических, в электромагнитных полях высокой напряженности известен уже более двух столетий. Еще в 1777 г. профессор Лихтенберг, изучая электрические разряды на покрытой порошком поверхности изолятора, наблюдал характерное веерообразное свечение. Спустя почти столетие такое свечение было зафиксировано на фотопластинке и получило название "фигур Лихтенберга". В конце XIX столетия Я. О. Нардкевич-Иодко обнаружил свечение рук человека в поле высоковольтного генератора и научился фиксировать это свечение на фотопластинке [31, 249]. Но только благодаря российским изобретателям супругам Кирлиан, независимо обнаружившим это явление в 1930-40 гг, метод «высокочастотного фотографирования» получил широкую известность. Поэтому во всем мире за этим явлением прочно закрепилось название "эффект КИРЛИАН". В дальнейшем, на основании конкретных практических приложений, было сделано множество попыток дать этому явлению другие названия, однако исследование физических процессов формирования изображений показало, что при всем многообразии использованных подходов и параметров сущность физических процессов принципиально не изменяется.
В настоящее время под термином эффект Кирлиан понимается визуальное наблюдение или регистрация на фотоматериале свечения газового разряда, возникающего вблизи поверхности исследуемого объекта при помещении последнего в электрическое поле высокой напряженности [93,150,244]. При описании результатов исследования биологических объектов применяется также термин «биоэлектрография», однако он имеет гораздо более широкое значение, так как в принципе включает все электрографические подходы в медико-биологических исследованиях: электрокардиография, электроэнцефалография, электротопографические и электроразрядные мето - 14-ды и т.п. [181]. Поэтому этот термин нецелесообразно использовать для обозначения частного метода электрографических исследований.
Могут быть предложены и другие термины с учетом возможных способов способов отображения результатов[231-236]: кирлианография - регистрация свечения на фотоматериале другом носителе, позволяющем фиксировать изображение; кирлианоскопия - наблюдения изображений на индикаторе (например, экране монитора); кирлианометрия - измерение отдельных параметров газоразрядного свечения. Все отмеченные варианты нашли применение в практике решения прикладных задач.
Кирлианография получила большое распространение в мире как метод экспериментальных исследований: библиография по эффекту Кирлиан насчитывает более тысячи публикаций, в Internet имеется более 300 ссылок. Активно развивается газоразрядная дефектоскопия композиционных диэлектриков [164-167,44-46] . Но наибольший интерес вызвали исследования фотографий газоразрядного свечения - кирлианограмм - биологических объектов, в основном организма человека.
Первые же исследования показали, что вид кирлианограмм меняется при изменении состояния человека [148,154,72,61]. Например, по виду кирлианограмм пальцев рук и ног человека оказалось возможным судить об общем уровне и характере его физиологической активности организма, по типу свечения проводить классификацию состояния, в соответствии с распределением проекций свечения на акупунктурные каналы оценивать состояние отдельных систем организма и следить за влиянием на организм различных воздействий: аллопатических и гомеопатических препаратов, терапии, аутотренинга и т.п. Это позволило развить эффективные системы диагностики, основанные на использовании Кирлианограмм и набрать по ним большой массив экспериментальных данных [251,249,257,261,277,185, 187,189]. Предложены концептуальные механизмы развития газового разряда при формировании изображений [2,8,10,188,226,280]. Значимые результаты получены при исследовании жидкостей [195,221,276].
Расширение сферы применения биоэлектрографических методов, стремление консолидировать исследования, проводимые в разных странах, привело к организации в 1978 в США и Англии Международного Союза медицинской и прикладной Биоэлектрографии (IUMAB). Союз был образован со следующими целями [197]: утверждение значимости и научного статуса биоэлектрографии путем тщательных исследований; консолидация людей, вовлеченных в различные аспекты биоэлектрографических исследований для обмена опытом и результатами; развитие биоэлектрографические исследования в строгих научных рамках, особенно когда это касается аспектов здоровья; организация исследовательского центра и публикация журнала. Союз был поддержан учеными разных стран, были проведены 4 международные конференции, две из которых прошли в С-Петербурге на базе СПбИТМО в 1998 и 1999 гг.
При всех положительных результатах среди членов IUMAB созрело убеждение, что в биоэлектрографии необходимо переходить к новой стадии исследований. Метод не был внедрен в широкую медико-биологическую практику и являлся уделом энтузиастов. Как указывают многие авторы [262,263,220,197,225], основные проблемы сводятся к следующему: недостаток систематических клинических исследований с набором ста тистического материала по различным состояниям организма, видам па тологий, нарушениям жизнедеятельности и т.п.; малый объем теоретических обоснований взаимодействия газового разряда и биологического объекта; сложности воспроизведения опубликованных данных в связи с отсутствием методических стандартов и образцовых технических средств; отсутствия базиса для статистического сравнения данных в связи со сложностью количественной обработки изображений; отсутствие стандартизации исследовательских методов; неудобство методики для практического применения в связи с использованием фотографического процесса и затемненных помещений.
Математическое моделирование процесса развития лавинного разряда
Эти положения иллюстрируются расчетными кривыми рис.2.4 в соответствии с выражениями (2.7), (2.8). Как видно из приведенных кривых, наличие включения с Єь Єї существенно ослабляет поле над поверхностью объекта, в то время как при єь є і с ростом є поле вначале возрастает, однако быстро стремится к насыщению. С увеличением глубины залегания дефекта его влияние быстро уменьшается и при q = 4 в данном примере практически не сказывается (параметры расчета: Єь = ЗО, Єї = 5, X = 0). Рис.2.4 демонстрирует пространственное распределение электрического поля (параметры среды: Єь = 30, Єі = 5, q=l). Как видно из рисунка, при удалении от точки проекции дефекта поле быстро спадает к исходному значению, проходя через минимум на краях дефекта. Такая структура поля приводит к увеличению контраста изображения при формировании ГРВ-граммы за счет возникновения кольцевой области (в районе х/а = 2) с пониженным значением электрического поля.
Приведенные расчеты позволяют определить характер распределения электрического поля в воздушном зазоре в зависимости от наличия неодно-родностей на поверхности или в объеме исследуемого объекта. Наличие вектора магнитного поля, как показано в гл.1, приводит к искривлению траектории электронов и к соответствующему искажению картины. Распределение ЭМП определяет процессы развития газового разряда, анализ которого приведен ниже.
Отмеченные выше зависимости импульсов разрядного тока и свечения находятся в хорошем согласии с таундсеновской (лавинной) моделью разряда [30], что позволяет использовать ее для более детального анализа физических процессов при данном виде ГРВ [10].
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на развитие и параметры электронных лавин, является эмиссия электронов катодом (т.е. изучаемым объектом), поэтому в литературе, посвященной лавинной ГРВ, этому вопросу уделяется существенное внимание. Поскольку для получения ГРВ изображений необходима весьма высокая напряженность электрического поля, было высказано предположение [2], что в формировании лавин решающий вклад вносит автоэлектронная эмиссия (АЭЭ). Более детальные исследования показали, однако, что хотя АЭЭ при высоких напряженностях электрического поля действительно наблюдается, она тем не менее не играет определяющей роли, так как изображения методом лавинной ГРВ удается получать и в отсутствии АЭЭ. Например, были специально исследованы гладкие диэлектрические поверхности, микровыступы на которых не превышали 0,3 мкм, т.е. коэффициент усиления поля за счет шероховатостей [174] был близок к единице. Равномерная засветка от таких объектов возникала при 104 В/см, что существенно ниже порога АЭЭ равного 106 В/см. Таким образом, АЭЭ может оказывать влияние на процесс формирования ГРВ-грамм, но этот эмиссионный процесс не является определяющим во всех случаях.
Специфические условия лавинного разряда при ГРВ препятствуют экспериментальному исследованию вклада в его развитие других видов электронной эмиссии, поэтому было проведено математическое моделирование процесса развития одиночного акта лавинного разряда. Модельная схема приведена на рис.2.3. Анализ проводится в двумерном пространственном приближении, так как задача является осесимметричной. Ось z направлена перпендикулярно поверхностям плоскопараллельных электродов, катод находится в точке z=0, анод z=d.
Исходная самосогласованная система уравнений, аналогичная использованной в [275], включает четыре уравнения: drie/dt + dneVe/dz = aneVe + Dd2ne/dz2 - Пеііі , (2.11) dn/dt + dnjVj/dz = aneVe - ПеП; , (2.12) dE/dz = Є/Є0(ПІ - Пе) , (2.13) a = e/d J j (rieVe+nM)dtdz , (2.14) где (2.11, 2.12) - уравнения непрерывности для электронов и ионов, (2.13) -уравнение Пуассона; (2.14) - уравнение, описывающее процесс накопления зарядов на диэлектрических поверхностях электродов за счет электронного и ионного токов; пе, щ - концентрации электронов и ионов (в функциях от z и t); Ve(z,t) = Vo + u«E(z,t) - дрейфовая скорость электронов; V;(z,t) = MiE(z,t) - дрейфовая скорость ионов; Vo, і , ці - постоянные, численные значения которых выбирались с учетом литературных данных [30,144]; a, D, - коэффициенты лавинного размножения, диффузия и рекомбинации соответственно, зависящие от напряженности электрического поля E(z, t); a(z,t) - плотность поверхностного заряда на ограничивающих зазор диэлектриках; є0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость; е - заряд электрона.
В случае металлического катода или анода в последнем уравнении учитывается только один из токов - электронный или ионный. Накапливающийся поверхностный заряд влияет в каждый момент времени на распределение электрического поля между диэлектрическими слоями и газовым зазором, что учитывается уравнением (2.13). Граничные условия эмиссии зарядов поверхностью объекта определяются из уравнений:
Эпе/а (Z=0) = п0 + уіПі(0,і) + yF Пе(ОД) + yAE(0,t)
dnjdt I (Z=0) = 0 где Yi, YF , YA - коэффициенты ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ), фотоэлектронной эмиссии (ФЭЭ) и автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) соответственно; По- концентрация фоновых частиц.
Анализ проводился путем численного моделирования на ЭВМ методом конечных разностей с использованием явной схемы счета; количество узлов m пространственной сетки и временной шаг выбирались из условия Куранта: tVem/ d 1 Параметры для расчетов: m = 300 - 500, г= 10" -10"" с, газ -азот, р = 760 мм рт. ст., d = 10 3, дх = 62 = 10"2 см - толщины диэлектрический слоев на катоде и аноде соответственно; напряжение постоянное, линейно возрастающее, либо биполярное импульсное (значения параметров, характерные в условиях ГРВ). Результаты анализа позволили получить временные и пространственные характеристики электронной и ионной концентрации, напряженности электрического поля, а также плотностей тока и поверхностного заряда.
Структурная неоднородность поверхности и объема
В зависимости от длительности затухания свечения т фотолюминесценцию условно делят на флюоресценцию (т 10 8 с) и фосфоресценцию (т 10 с) [168]. Флюоресцентные методы исследования применяются в офтальмологии [125], стоматологии [140], онкологии [141]. Кожа лица взрослого человека, облучаемая фиолетовым светом с длиной волны 400 - 410 нм, флюоресцирует красным светом. Светящиеся красные точки соответствуют устьям волосяных фолликулов [155].
Ультрафиолетовое излучение тканей и клеток организма лежит в области длин волн 190 - 340 нм. Его субстратом служат белки, полипептиды и углеводы, оно полностью отсутствует ультрафиолетового свечения тканей составляет от 10 - 700 фотонов с 1 см2 в секунду [37-39] до 800 - 1200 фотонов в секунду [182]. Ультрафиолетовое излучение проявляется в трех основных биологических эффектах: цитопатический зеркальный эффект [63-65,78], некробиотический эффект [52,53], эффект стимуляции клеточного деления эндогенным ультрафиолетовым излучением [37-39]. Считают, что это излучение является необходимым условием митоза [37,79-81,265].
Как видно из приведенного материала, сверхслабое свечение в видимой и УФ области при определенных условиях может вносить вклад в процессы ГРВ за счет фотоионизации и инициации электронных лавин. Для выявления возможности зарегистрировать отмеченные выше эффекты при помощи метода ГРВ были исследованы образцы листовых пластин различных растений с обрезанным краем [109,150]. Ножницами делался надрез листовой пластины или отрезался кончик листа длину 3-4 мм, после чего лист или иголка сосны ставилась на электрод визуализации. Подавалось напряжение и свечение наблюдалось на экране компьютера. Растения исследовались в двух вариантах: сорванные и на корню. Время наблюдения свечения составляло от 2 до 60 секунд.
Газоразрядное свечение целого листа или иголки представляло собой систему светящихся точек, расположенных по периферии листовой пластины и в области основных прожилок. Как правило, яркость всех точек свечения была примерно одинакова. По мере повышения напряженности электрического поля увеличивалось количество точек свечения при незначительном увеличении яркости.
По иному выглядело изображение при обрезании части иголки или листа. Для иголок в 3-5% исследованных образцов это свечение приобретало характер светящегося выброса, длина которого превышала длину отрезанного кончика, то есть составляла 5-7 мм (рис.3.12). Этот выброс возникал примерно через 0,3-0,5 с после подачи напряжения и сохранялся в течение всего периода съемки, то есть до 60 с. У листьев примерно в половине случаев по краю разреза возникали точки свечения, яркость которых на порядок превышала яркость "нормального" свечения. Они возникали в нескольких точках по линии разреза листовой пластины, вне зависимости от того, был ли отрезан кончик листа или сделан вырез в плоскости пластины. Динамика развития свечения выглядела следующим образом: при подаче напряжения в течение 0,3-0,5с свечение не наблюдалось, после чего возникали яркие стример-ные каналы длиной 5-7 мм, устойчиво держащиеся в определенных точках в течение 20-40 с. Замена листа на металлическую пластину соответствующего размера позволяла наблюдать аналогичную картину ярких стримеров, однако они возникали непосредственно после подачи напряжения и устойчиво существовали в определенных точках в течение всего времени съемки. Детали экспериментов рассмотрены в [109,150].
Для понимания наблюдаемых эффектов необходимо обратиться к материалам Гл.2. ГРВ свечение обусловлено разрядами, возникающими в точках с повышенной напряженностью электрического поля, возникающей за счет поверхностной или объемной неоднородности проводящего объекта, а также области эмиссионной активности объекта или измененной газовой среды. Неповрежденный лист растения снаружи покрыт толстым слоем эпидермальных клеток и восковой оболочкой, а внутренняя структура представляет собой систему каналов и клеточных структур, наполненных цитоплазмой, соком и смолой [270]. Таким образом, с достаточно хорошим приближением лист может быть представлен как система проводящих структур, покрытых диэлектрической оболочкой.
У неповрежденного листа ток разряда ограничен проводимостью листовой пластины, имеющей величину единиц-десятков мегаОм, поэтому наблюдается слаботочная лавинная стадия скользящего разряда [42]. Места возникновения лавин связаны с неоднородностью внутренних проводящих структур и особенностями газовыделения через устьица. Это позволяет по свечению растительных объектов получать информацию о характере их жизнедеятельности и реакции на воздействия [95,138]. При обрезании иголки или листа на срезе обнажается поврежденных клеток и выделяется клеточная жидкость. Таким образом, в течение достаточно большого времени на срезе обнажается проводящая структура, электрически соединенная с одним из полюсов генератора и обеспечивающая протекание большого тока. Величина этого тока при прочих равных условиях определяется двумя основными факторами: напряженностью электрического поля у поверхности листа и импедансом разрядной цепи. Как показывают расчеты [174] для микровыступа размером 1 микрометр на металлической поверхности коэффициент усиления электрического поля составляет 10-100 в зависимости от его формы. Поэтому разряд развивается преимущественно в области такого микровыступа. Это объясняет наблюдающееся экспериментально свечение от краев разреза на основании хорошо известных физических процессов. Полученные данные не дают оснований говорить о "поле формы" листа или "фантомах", а восстановление контура обрезанной части является чисто топологическим совпадением, обусловленным удачным выбором места отреза. Можно говорить только о развитии лавинных и стримерных разрядов разной интенсивности от краев разреза.
Методические принципы извлечения информации о состоянии БО методом Газоразрядной Визуализации
Всем вышеперечисленным требованиям в наилучшей мере отвечает реализация системы на основе Байесовской стратегии принятия решений. Кроме всего сказанного следует учесть, что любая иная стратегия сопряжена с увеличение среднего риска при принятии решений. В случае известных преимуществ той или иной специфической стратегии можно пойти на это, однако, в нашем случае проблема слишком неопределенна.
А. Исходные положения. Задача построения системы принятия решений может быть описана в терминах теории статистических решений следующим образом. [29] Пусть задано п-мерное пространство признаков Сп= { (х і, х 2,..., х п)}. Классом назовем некоторую вероятностную меру (плотность распределения) на Сп: Fj(x i,x 2,... ,х в) j = l, ...т (предполагается, что признаки независимы в совокупности).
Общая статистическая выборка, на основании которой выполняется построение системы классификации (системы диагностики, системы принятия решений), есть множество наблюдений над { (хкь Хк2 ... , Хкп) } объектами (к = 1...І). Здесь (хкь Хк2 ... , Хкп) - конкретное значение признаков объекта к. Общая выборка разбивается на частные выборки по классам (принцип разбиения является внешним и не указан). Далее элементы выборки записываются в векторной форме. Для создания системы классификации ГРВ-грамм необходимо ввести некоторые допущения, определяющие характер развиваемой системы. Аксиома 1. Полагаем, что ГРВ-граммы, полученные в определенных условиях, действительно отражают различные состояния (или классы) БО. Аксиома 2. Можно проводить различие между этими классами на основе внешних знаний, не сводимых к признакам ГРВ-грамм. Аксиома 3. Используются все возможные признаки ГРВ-грамм, ап -149-риори не ранжируемые по степени значимости для данной задачи классификации. Аксиома 4. В системе классификации наряду с ГРВ параметрами могут быть использованы любые возможные параметры БО. На первой стадии системе предъявляется обучающая выборка, априори разделенная на классы: [ соп , со12, со13 ,... ] с Qj ; [ со2і, 22, со23 ,... ] с Q2 ... [ Okl , G k2 ,СОкз, ... ] cQm Каждый объект щ обучающей выборки представлен набором параметров: Щ = {х і, х 2,..., х „}
Обрабатывая подклассы признаков, система формирует «статистический портрет» каждого класса, то есть специфическую форму законов распределения ФІ и их параметров (РІ , 8j): [G ii,Qi2,a i3,... ]сО! = Фі(Рі ,8i ;xi,x2,...,xn) [юи со соиз . сак Фк(Рк,5к; хьх2,...,х„) В рабочем режиме для каждого предъявляемого объекта оо,= { х -, х 2, ... , х п} определяется функция ФІ и оценивается статистический риск решения, что объект со, принадлежит к классу Q,. Класс с минимальным риском Q выбирается как перспективный кандидат для окончательного решения.
Система предполагает также статистический анализ признаков и обучающих выборок, определяя уровень надежности процедуры классификации и информационные веса признаков. Удавление незначимых или взаимозависимых признаков, как правило, повышает уровень надежности работы системы.
Развитая система ГРВ анализа работает следующим образом. Исходя из внешних признаков, исследователь формирует обучающую выборку в виде совокупности типичных ГРВ-грамм для каждого класса. Открыв окно регистратор, пользователь в режиме диалога определяет проблемную область, задает число и наименование классов, выбирает конкретный набор принимаемых к рассмотрению признаков, и формирует список ГРВ-грамм,
Соотносимых к тому или иному классу. Одновременно задается платежная матрица риска, связанного с принятием неправильных решений. В результате формируются два файла с одинаковым именем (совпадающим с именем домейна), но разными расширениями:
Domein.dsp - содержит наименование признаков изображения и двоичные флажки, отмечающие включение признака в анализ (маску); Domein.ext который имеет следующую структуру: Строка 0 : mnk Строка 1 : А2Аз..,Ап Строка 2 : с і aia2a3 ...an name Строка j + 1: Cj aia2a3 ...an name Строка k+1: ck aja2a3 ...an name
Где m - число классов, n - число признаков, k - число объектов в обу чающей выборке, Aj - маска і-го признака изображения, а; - значение і-го признака изображения, Cj - класс принадлежности j-ro объекта.
Сформированный домейн проверяется на статистическую валидность, для чего программа выбирает из неиспользованной части обучающей выборки изображения и предъявляет их системе. Если работа системы удовлетворяет пользователя, он может сгенерировать рабочий вариант системы диагностики с помощью программы стартер. При этом образы индивидуальных объектов заменяются их статистическими характеристиками, сгенерированный вариант получает конкретное наименование (идентификатор) и не может быть модифицирован никаким иным путем, кроме генерации нового варианта с тем же именем. Разработанная система тестировалась на следующих классах: ГРВ-граммы воды с внесением контролируемого количества примесей; ГРВ-граммы пальцев рук различных людей. Система продемонстрировала устойчивую классификацию большинства предъявленных объектов.
