Министерство образования и науки Российской Федерации

УДК 681.785 ГРНТИ 59.41.33 Инв. №
УТВЕРЖДЕНО:
Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
От имени Руководителя организации ______________/Якимович Б.А. М.П.

Научно-технический отчет о выполнении 4 этапа Государственного контракта № 16.740.11.0468 от 13 мая 2011 г. И Дополнению от 18 июля 2011 г. № 1

Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Программа (мероприятие): Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук.

Проект: Принципы контроля оптических сред в биологии и экологии с использованием методов обработки результатов измерений на основе квантификационных моделей

Руководитель проекта: ______________/Алексеев Владимир Александрович (подпись)

Ижевск 2012 г.

Реферат

Отчет 131 с., 1 ч., 36 рис., 1 табл., 113 источн., 0 прил.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ , НЕОДНОРОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ , ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ , ТЕСТИРОВАНИЕ , ВОДНАЯ СРЕДА , АРТЕФАКТЫ , ЛАБОРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ , ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

В отчете представлены результаты исследований, выполненных по 4 этапу Государственного контракта № 16.740.11.0468 "Принципы контроля оптических сред в биологии и экологии с использованием методов обработки результатов измерений на основе квантификационных моделей" (шифр "2011-1.2.1-121-003") от 13 мая 2011 по направлению "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук в следующих областях:- физика конденсированных сред. Физическое материаловедение;- оптика. Лазерная физика и лазерные технологии;- радиофизика, акустика и электроника;- физика плазмы;- ядерная физика. Физика элементарных частиц и полей. Космология. Физика ускорителей и детекторов;- астрономия, астрофизика и исследования космического пространства" в рамках мероприятия 1.2.1 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук", мероприятия 1.2 "Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук", направления 1 "Стимулирование закрепления молодежи в сфере науки, образования и высоких технологий" Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

Цель работы - совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биоткани по результатам экспериментов на разработанной установке на предыдущих этапах научно-исследовательской работы.

Теоретические и экспериментальные исследования

Персональный компьютер в составе: Системный блок Cel-1000 Монитор 17" NEC 73V LCD Принтер HP Laser Jet 1018 Сканер HP Scan Jet 4600 Notebook LG T1-5222R, Цифровой осциллограф TDS 2024 B, Лаборатория учебная Elvis/USB-6251 Bundle, Модуль аналогового и цифрового ввода-вывода NI USB-6009, Микроскоп сканирующий зондовый Solver P47 Pro, Трубка лазерная ИЛГН-216 с блоком питания

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты.

1. Усовершенствован макет лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей. Выбраны три конструкции датчиков, позволяющие регистрировать пульсовую кривую при различных задаваемых параметрах потока излучения. Предложена схема генератора тестовых сигналов определенной формы для тестовой оценки аппаратуры и программного обеспечения.

2. Приведены эксперименты по исследованию установки контроля изменений оптической плотности биоткани с изменением потока излучения и с тремя типами датчиков фотоплетизмографа на испытуемых. Эксперименты позволили провести оценку влияния артефактов по результатам измерений. Было установлено, что мощность излучения, падающего на биоткань, влияет на количество артефактов, возникающих при проведении экспериментов. В качестве испытуемых (30 человек) привлекались студенты университета. Для обработки данных измерений использовалась усовершенствованная программа обработки фотоплетизмограмм.

3. Продолжены эксперименты на установке контроля изменений оптической плотности водных сред. Проведенные обработка и анализ кривых изменения оптической плотности показали стабильность регистрации аварийного сгустка на ряде модельных жидкостей с достоверностью обнаружения сгустка более 80%. Результаты экспериментов позволили сформулировать технические требования к промышленной установке для регистрации сгустка масла. Для подтверждения спектральных параметров излучателя были проведены измерения спектрального состава масла на спектрофотометре КФК-3М.

4. Усовершенствована программа обработки фотоплетизмограмм, в которую введены опции сбора статистического материала по обнаружению и исключению аномальных пульсовых кривых на основании критериев превышения по времени и амплитуде получаемых кривых. С использованием усовершенствованной программы проведены эксперименты на лабораторной установке контроля изменений оптической плотности биоткани.

5. Создана программа управления заслонками для установки контроля сточных вод предприятия для первого типа аварийной ситуации. Приведена апробация программы на достоверность обнаружения аварийного «сгустка» и формирования сигнала управления заслонками.

6. Завершенные исследования по четвертому этапу НИР позволили усовершенствовать лабораторные установки для исследования изменений оптической плотности неоднородных сред (водная среда и биоткань). По литературным источникам за рубежом не известны созданные установки контроля неоднородных сред с автоматическим обнаружением аварийных сгустков в водных средах и артефактов при регистрации фотоплетизмограмм.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПО ТЕСТИРОВАНИЮ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ 10

БИОТКАНЕЙ 10

1.1 Усовершенствование макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей 10

1.2 Обработка кривых изменения оптической плотности водных сред 18

1.3 Доработка программного обеспечения для лабораторных установок контроля изменений оптической плотности биоткани и водных сред 33

1.3.1 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности биоткани 33

1.3.2 Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности водных сред 39

Проведем сравнительную оценку разработанных алгоритмов. 42

1.4 Публикация материалов исследований 53

1.4.1 Материалы докладов международных конференций 53

1.4.1.1 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 54

1.4.1.2 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 55

57

1.4.1.3 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 58

58

1.4.1.4 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 59

1.4.1.5 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 60

1.4.1.6 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 61

1.4.1.7 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 62

1.4.1.8 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 63

1.4.1.9 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 64

1.4.1.10 Копия материалов доклада на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 69

1.4.1.11 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 74

1.4.1.12 Заключение экспертной комиссии по открытому опубликованию 75

1.4.1.13 Копии материалов двух докладов на конференции со ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы 76

77

78

79

80

1.4.2 Копия решения ФИПС от 12.09.2012 о выдаче патента на изобретение «Источник импульсного лазерного излучения» авторов В.А. Алексеева, С.И. Юрана, А.С. Перминова, М.А. Стерховой по заявке №2011137390 от 09.09.2011 81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 82

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 84

ВВЕДЕНИЕ

Проведенные на третьем этапе исследования завершились разработкой методики автоматического обнаружения и контроля аварийных выбросов в сточных водах промышленных предприятий и совершенствование на ее основе лабораторной установки по контролю изменений оптической плотности неоднородных оптических сред.

Выбранный класс неоднородных оптических сред характеризуется в динамике наблюдения за оптической плотностью водных сред и биотканей резким изменением параметров по амплитуде и длительности. В случае рассматриваемых водных сред – это появление «сгустков» оптической плотности, а для биоткани человека и животных изменением кровенаполнения, характеризующегося в виде пульсовых кривых. Сложность фиксации пульсовых кривых в биоткани вызвана наличием различных артефактов, к которым возможно отнести, как дыхательные волны, так и механические сдвиги и колебания биоткани относительно оптической оси конструкции излучатель-фотоприемник.

Качественная регистрация пульсовых кривых требует устранения артефактов, как на схемотехническом уровне, так и при обработке получаемых данных.

Цель настоящего этапа работы – совершенствование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биоткани по результатам экспериментов на разработанной установке на предыдущих этапах НИР.

Для достижения поставленной цели в настоящем отчете приведены результаты решения следующих задач:

1. Экспериментальное исследование лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей в различных режимах энергии излучения и с использованием различных конструкций датчиков.

2. Доработка макета лабораторной установки по тестированию оптической плотности биотканей с использованием различных конструкций датчиков и схемы генератора тестовых сигналов.

3. Обработка и анализ кривых изменения оптической плотности водных сред с разработкой предложений по совершенствованию системы управления обнаружением аварийных выбросов.

4. Доработка программного обеспечения для лабораторной установки контроля изменений оптической плотности биоткани, позволяющего накапливать данные об устранении артефактов машинным способом.

5. Доработка программного обеспечения установки контроля оптической плотности водных сред, позволяющего управлять заслонками для случая возникновения первого типа аварийной ситуации.

Объектом исследования является лабораторная установка по контролю изменений оптической плотности неоднородных оптических сред (биоткань и водная среда).

Предметом исследования являются эксперименты и программное обеспечение для установок контроля изменений оптической плотности биоткани и водных сред.

Все указанные задачи выполнены. В результате усовершенствованы лабораторные установки по тестированию биотканей и водных сред с использованием новых программ обработки результатов измерений.