Введение к работе
К одному из актуальных направлений лазерной физики и биомеханики относится проблема взаимодействия излучающего полупроводникового лазера с движущимся отражателем, в качестве которого может выступать поверхность биообъекта, в зависимости от характера движения отражателя.
Автодинные системы на полупроводниковых лазерах отличаются компактностью, в них отсутствует разделение светового луча на опорный и измерительный и не требуется юстировка опорного и измерительного плечей, вследствие их совмещенности. Преимуществом автодинной системы является возможность создания систем измерения вибраций и перемещений методом, основанным на сравнении с эталоном, в качестве которого используется длина волны излучения полупроводникового лазера. В частности, таким образом, измеряется величина смещения и скорость движения отражателя, описан способ измерений сверхмалых скоростей теплового расширения твердых тел в ограниченном временном интервале, проводимых на основе анализа низкочастотного спектра автодинного сигнала. Методы измерения характеристик движения отражателя при ускоренном движении по автодинному сигналу в системе для этого случая разработаны не были.
Использование полупроводникового лазерного автодина позволило экспериментально определить характеристики колебаний твердотельных элементов бесконтактным способом. Такого рода методика для анализа механических деформаций сферических оболочек под действием внешних сил ранее не применялась. В то же время исследование механических свойств тел, оболочки которых имеют такую форму, относится к классическим задачам теории оболочек, решение которых в подавляющем большинстве случаев ограничивается теоретическим рассмотрением и расчетом с использованием численных методов. При решении таких задач приходится делать ряд упрощающих предположений, для оценки применимости которых необходимо сравнение с экспериментом. Актуальным примером мягкой сферической оболочки, 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. Использование для измерений деформации глазного яблока, например, под действием воздушной струи, лазерных автодинов открывает перспективы более широкого применения для этих целей бесконтактных измерений.
Важным параметром для исследования упругих свойств оболочки является величина прогиба под действием внешней нагрузки. Знание этой величины 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 основанием. При этом роговица деформировалась, образуя площадку контакта
груза и роговицы. Очевидно, что при прочих равных условиях площадка контакта будет тем меньше, чем больше внутриглазное давление (ВГД). Поэтому площадь контактирующей поверхности или ее диаметр могут служить численной 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 направленной струи воздуха, не касаясь поверхности глаза, т.е. бесконтактно. Подобный процесс измерений является более комфортным для пациента по сравнению с традиционными методами измерений ВГД, но по точности уступающим им.
Таким образом, актуальной задачей является исследование возможности 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:
Исследование возможности применения полупроводникового лазерного автодина для определения ускорения объекта при микро- и наносмещени-ях;
Исследование механических деформаций упругих сферических оболочек, заполненных несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного автодина;
Исследование возможности применения лазерных автодинных измерительных систем для контроля динамических свойств упругих оболочек глазного яблока.
На основании вышеизложенного была сформулирована цель диссертационной работы: исследование возможности использования полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме, для измерения динамических характеристик (скорости, ускорения) и восстановления функции движения объекта, совершающего микро- и наносмещения, а также применение полученных результатов для анализа характеристик сложных движений объектов, в том числе биологических.
Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:
1. Исследовано влияние равномерно- и неравномерноускоренных микро-и наносмещений отражателя на вид автодинного сигнала полупроводникового лазера;
Разработана экспериментальная установка для регистрации ускоренных движений объектов с использованием полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме;
Разработан метод определения ускорения объекта по авто динному сигналу полупроводникового лазера;
Исследована возможность использования полупроводникового лазерного автодина для определения характеристик колебания упругой сферической оболочки и проведения измерений её деформаций;
Проведены измерения величины деформации глазного яблока in vivo в условиях нагружения пневмоимпульсом, с использованием лазерного полупроводникового излучателя, работающего в автодинном режиме;
Достоверность полученных теоретических результатов обеспечива-ется строгостью используемых математических моделей, соответствием результатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением стандартной измерительной 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 следующем:
Разработан метод определения ускорения в результате равномерно- и неравномерноускоренных движений объекта при микро- и наносмещениях с помощью полупроводникового лазерного автодина;
Показана возможность по сигналу автодинной измерительной системы, полученному при ускоренном движении плоского отражателя, определения ускорения;
Разработан метод для определения характеристик колебания и измерения деформаций упругой сферической оболочки с использованием полупроводникового лазерного автодина;
Приведено описание поведения сферической оболочки в условиях нагружения, результаты которого можно использовать для исследования биомеханических свойств биообъектов in vivo.
Установлено, что отношение величины прогиба и ускорения оболочки слабо зависит от давления пневмоимпульсов и расстояния от их источника до оболочки.
Использование лазерной системы позволяет с высокой точностью определить 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 экспериментального автодинного сигналов полупроводникового лазера с применением метода наименьших квадратов.
Использование обратной функции автодинного сигнала позволяет с нанометровым разрешением восстанавливать сложное движение объекта, имеющее непериодический характер.
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 компьютерной 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, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (г. Саратов 2011);
Международной научно-технической конференции «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» - (г. Саратов 2011);
По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, тезисы 5 докладов на всероссийских и международных конференциях, получено 2 патента на изобретение.
Личное участие автора в этих работах выразилось в теоретической разработке и практической реализации метода измерения сверхмалых ускорений при микро- и наносмещениях в результате равномерно- и неравномер-ноускоренных движений внешнего отражателя автодинной системы, разработке и практической реализации метода определения характеристик колебаний и измерений деформаций упругой сферической оболочки, заполненной несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного автодина, применении полупроводникового лазерного автодина для измерения параметров движения оболочек глаза под действием пневмоимпульса in vivo и сопоставление полученных результатов с величиной внутриглазного давления, 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 списка литературы. Общий объем диссертации составляет 101 страницу машинописного текста, включая 32 рисунка. Список литературы содержит 102 наименования и изложен на JJ_ страницах.
