Визначення часових і частотних параметрів та стану просторово розвинених невзаємних динамічних об’єктів. Методи та багатопозиційні системи

Для збільшення просторового рознесення пунктів фазування розроблено методологію фазування рознесених сигналів із можливістю застосування для передачі сигналів синхронізації невзаємних неідентичних і нестабільних за електричними довжинами прямого і зворотного каналів із підсилювачами. Запропоновано варіанти вимірювання різниць фаз сигналів в проміжних пунктах цих каналів, де встановлюються підсилювачі, та алгоритми підсумовування виміряних різниць фаз для забезпечення режиму фазування шляхом зміни електричних довжин каналів. На основі цього розроблено принципи побудови нових систем фазування з використанням двох підходів: а) з вирівнюванням електричних довжин прямого і зворотного каналів і б) без вирівнювання цих довжин.

Згідно з першим підходом ідентичність електричних довжин каналів встановлюється і стабілізується на основі запропонованого алгоритму підсумовування різниць фаз сигналів, виміряних по діагоналі між точками під'єднання входів і виходів підсилювачів до пасивних ділянок каналів зв'язку. В результаті при збереженні точності фазування просторове рознесення пунктів фазування збільшується не менше, ніж у тричі.

Необхідність створення багатопунктових систем фазування підвищеної точності обумовлює доцільність розробки систем, реалізація яких передбачає використання якомога меншої кількості блоків і петель зворотного зв'язку в колах авторегулювання, можливість створення довільної конфігурації системи при нарощуванні кількості пунктів. Краще це забезпечується при використанні запропонованих інших варіантах визначення різниць фаз і алгоритмів підсумовування вихідних сигналів ФД, які дають можливість фазування сигналів без вирівнювання електричних довжин активних ділянок (підсилювачів) прямого і зворотного каналів передачі сигналів синхронізації. За цим підходом розроблено дві нові системи фазування - з чотирма і двома ФД. Еквіва-лентна схема варіанту системи з двома ФД наведена на рис. 5. В системі виконується умова 2(Ф_3,4+Ф₁₀+Ф_5,6)= 2рn, де Ф_3,4, Ф_5,6, Ф₁₀, - електричні довжини відповідних ЛЗ і підсилювача 10, тобто фази сигналів S_A(t) і S_Б(t) кратні р. Цей принцип фазування дозволяє здійсню-вати довільне нарощування кількості пунктів фазування сигналів і створювати їх сітку, незалежно розгалужену у будь-яких напрямках.

Також проаналізовано особливості одержання сигналів порівняння при пульсовій функціональній діагностиці стану системи гемодинаміки. Традиційно при вимірюванні за опорний сигнал обирається пульсограма сонної артерії. Але, як видно із результатів аналізу в розділі 2, внаслідок того, що фактично вимірювання здійснюються за порівнянням спектральних характеристик пульсових сигналів різних регіональних ділянок судинної системи, параметри ЧХ яких у загальному випадку є незалежними і можуть різноспрямовано змінюватись при зовнішніх і внутрішніх фізіологічних впливах, сигнал пульсу сонної артерії можна лише умовно вважати опорним. Інтерпретація стану судинних ділянок за станом ЧХ в цьому випадку ускладнена. Тому сигналами порівняння мають бути пульсові сигнали, що реєструються на початку ділянки судинної системи, що досліджується. При оцінюванні стану судинної системи за параметрами лише периферичної ПХ запропоновано використовувати такі параметри порівняння. Зміни АС слід оцінювати у відносних одиницях - до рівня першої гармоніки. Для діагностичної оцінки стану гемодинаміки за ФС слід виконувати аналіз нелінійної складової ФС. Для виділення її запропоновано використовувати методику приведення фаз інших гармонік до початкової фази одної з них, наприклад першої, яка була розроблена для оцінки нелінійності ФЧХ технічних об'єктів і описана в розділі 1 дисертації. У разі визначення параметрів тиску на основі запропонованого методу просторової кореляційно-спектральної осцилометрії опорний сигнал порівняння одержується або вище від манжети, або із іншого органу.

Четвертий розділ присвячений розробленню методології підвищення точності, швидкодії і розширення функціональних можливостей просторових багаточастотних і багатоканальних систем фазометрії і спектрометрії. Запропоновано 4 нових варіанти реалізації модифікованого методу спектрометрії. Також розвинена теорія фазового детектування, на основі якої розроблено новий спосіб і засіб швидкого вимірювання різниці фаз.

Проаналізовано похибки визначення параметрів при застосуванні модифікованого методу спектрометрії. Встановлено, що методичні похибки визначення параметрів АЧХ і ФЧХ та часу поширення обумовлені неідентичністю АС і ФС і похибками фазової синхронізації тестового і копії тестового сигналів, частотними спотвореннями вимірювального сигналу в ДО.

Дослідження щодо можливості формування багаточастотних сигналів з ідентичними АС і ФС показують, що похибки визначення нерівномірності АЧХ становлять долі дБ; нелінійності ФЧХ - одиниці і долі градусів. Потенційно досяжна точність (невизначеність) просторової фазової синхронізації на частоті синхросигналу становить 1-1.5°. Це є задовільним для більшості застосувань.

Похибки через частотні спотворення обумовлені впливом нерівномірності АЧХ і нелінійності ФЧХ ДО на форму вихідного сигналу. Внаслідок цього обвідні вихідного і копії тестового сигналів відрізняються і їх "центри тяжіння" не співпадають навіть при визначенні нелінійності ФЧХ.

Для зниження цього впливу і підвищення точності і швидкодії методу, а також розширення функціональних можливостей, запропоновано новий підхід, заснований на спектрометрії вимірювального сигналу відносно двох опорних сигналів, які є копією тестового зондувального. Один із опорних сигналів синхронізується з вимірювальним за критерієм мінімуму середньоквадратичного відхилення одержуваної нелінійності ФЧХ від її лінійної складової (забезпечується збіжність „центрів тяжіння” цих сигналів). Другий опорний сигнал синхронізується у часі з тестовим сигналом. Узагальнена схема цього варіанту реалізації методу наведена на рис. 6.

У початковому стані, при синхронному режимі роботи аналізаторів спектра 4 і 5, блок обчислення параметрів 6 визначає нелінійність ФЧХ з лінійним частотним трендом ?ш_Т = ?Тщ, обумовленим незбіжністю центрів тяжіння сигналів S_В(t-T) і S_КТ(t-T). Маємо Ш_БОП(щ)  = ?Тщ + Ш_нДО(щ), де Ш_нДО(щ) -частотна залежність нелінійності ФЧХ ДО. Блок 6 формує сигнал керування, під впливом якого величина затримки ф₉ сигналу запуску формувача 10 змінюється до забезпечення мінімуму значення Ш_БОП(щ), тобто

Після завершення перехідних процесів маємо ф₉ = Т і значення Т визначається або за значенням затримки ф₉, або вимірювачем 8 часу запізнювання.

Інший варіант вимірювань передбачає алгоритмічне визначення поправок при одержанні параметрів ЧХ. В цьому випадку блок 6 є обчислювальним засобом, який забезпечує визначення лінійного тренда ш_Т = ?Тщ нелінійності ФЧХ з наступним виключенням його впливу на нелінійність ФЧХ і додаванням до значення нахилу лінійної частини ФЧХ, виміряного блоком ВЧЗ 8. Ці поправки Дц₀ (для нелінійності ФЧХ) і ?Т (для часу поширення) обчислюються як

де М = N_в - N_н +1, N_в і N_н - номери верхньої і нижньої гармонік у смузі пропускання ДО, .

Проаналізовано особливості оброблення вимірювальної інформації в багаточастотних дискретних характеріографах. Обґрунтовано методику визна-чення нахилу лінійної частини ФЧХ, запропоновано методику її виключення при визначенні нелінійності ФЧХ та компен-сації постійної складової ц₀.

Подальшого розвитку отри-мала теорія побудови засобів фазового детектування сигналів для забезпечення лінійності характеристик ФД і підвищення швидкодії радіоімпульсних вимірювань. Процес детектування ґрунтується на сукупності відомих прийомів квадратурного оброблення вхідних сигналів і нового алгоритму одержання вихідних характеристик ФД за логіко-обчислювальними операціями над вихідними сигналами квадратурних каналів. Формування лінійної характеристики ФД здійснюється відповідно з виразом ц_в = р[¦А_j¦/(¦A_a¦+¦A_b¦)+ч]/2 за аналізом амплітуд А_j і полярностей вихідних напруг двох квадратурних каналів (j = a,b). Критеріями вибору j = a або j = b та значення константи ч є співвідношення полярностей вихідних сигналів A_a та A_b каналів залежно від значення вимірюваної різниці фаз ц_в (квадранта, в якому перебуває ц_в).

П'ятий розділ присвячений розробці теорії і практики підвищення точності і швидкодії та розширенню смуги частот багатопозиційних засобів автоматизованого визначення ЧХ складових комплексного електричного імпедансу при рішенні завдань імпедансної діагностики і багатопозиційної імпедансної томографії просторово розвинених динамічних об'єктів на основі методології просторової ампліфазометрії і ампліфазової спектрометрії. Дослідження проведені виходячи із необхідності: а) виконувати окреме визначення реактивної і активної складових імпедансу в розширеній смузі частот; б) спостереження в реальному масштабі часу швидкоплинних динамічних процесів; в) багатопозиційності вимірювань.

З точки зору забезпечення швидкодії вимірювань у розширеній смузі частот доведено перспективність потенціометричного методу на основі вимірювань комплексних амплітуд падіння напруги на ДО і струму в ньому. Але в цьому випадку відносні похибки одержання активної R і реактивної Х складових імпедансу визначаються як ?R/R = ?Z/Z - ?шtgш і ?X/X = ?Z/Z - ?шctgш і різко зростають при ш > 0 ( для Х) і ш > р/2 (для R). Це той випадок, коли одна складова імпедансу значно перевищує іншу, причому з максимальною похибкою визначається менша з них. Забезпечити задовільні похибки визначення цих складових пропонується відповідним вибором робочих частот (зокрема з використанням тричастотного методу вимірювань) у смузі, де значення активної і реактивної складових відрізняються менше, ніж на порядок.

Досліджено особливості апаратурної реалізації вимірювань при одержанні параметрів комплексного імпедансу. Встановлено, що основний внесок у похибку вимірювань обумовлений вхідною частиною вимірювачів. З точки зору забезпечення необхідної точності вимірювань обґрунтовано вимоги до паразитних ємностей вхідних частин вимірювачів, встановлено необхідність використання в діапазоні високих частот „активних електродів”, доведено переваги двоелектродного методу вимірювань порівняно з чотириелектродним.

Потреба у створенні нових імпедансних томографів, заснованих на визначенні комплексної діелектричної проникності об'єктів, обумовлює необхідність проведення досліджень щодо точності багатоканальних вимірювань амплітуд і фаз сигналів, зокрема в багатьох просторово рознесених пунктах. В дисертації це виконано шляхом аналізу розподілу поверхневих потенціалів при багатопозиційній імпедансометрії. Аналіз виконано методами теорії кіл і електродинаміки при моделюванні однорідних і неоднорідних об'єктів з використанням методу скінченних елементів. Потенційна роздільна здатність і чутливість інтроскопії оцінена з використанням моделей фантомів, які мають три-чотири неоднорідності питомої провідності. Обернена задача томографії розв'язана із застосуванням нового підходу на основі запропонованого методу „променів провідності”. Оцінка потенційної чутливості вимірювань виконана шляхом обчислення потенціалів на зовнішній межі для найбільш несприятливого випадку, коли неоднорідність розташована в центрі ДО. Встановлено, що для цього випадку, коли площа неоднорідності становить 2.7 % від загальної площі перетину, зміни потенціалів на найбільш чутливих електродах становлять одиниці мікровольт. При розв'язанні оберненої задачі це дозволяє ідентифікувати неоднорідності, які складають одиниці відсотків від загальної площі ДО при зміні питомої провідності у кілька десятків відсотків. Встановлено, що у випадку імпедансометрії біологічних об'єктів, за таких умов слід орієнтуватись на роздільну здатність фазометрії, не краще, ніж 5-6°, і роздільну здатність томографії відносно діелектричних неоднорідностей близько 10 % від загальної площі досліджуваного об'єкта. У випадку просторових природничих об'єктів, коли не ставляться жорсткі умови щодо обмеження рівнів зондувальних струмів, роздільна здатність фазометрії становить одиниці і долі градусів. а потенційна точність томографії - одиниці відсотків.

Шостий розділ присвячений розробці та верифікації методології динамічної пульсової амплітудної і фазової спектрометрії при визначенні стану об'єктів за спектрами (трансформантами) ПХ у традиційних (за Фур'є) і нетрадиційних (Уолша, REX і CoREX) ортогональних базисах.

Проаналізовано можливості швидкого визначення і контролю стану серця, судин і ВНС за АС коротких реалізацій пульсового сигналу (під "короткою" розуміється реалізація пульсового сигналу, тривалість якої є суттєво меншою, ніж прийнята базова вибірка у 100 (за Баєвським Р. М.) і більше кардіоциклів). Верифікація цих положень здійснювалась шляхом експериментального дослідження залежності параметрів АС при дії фізіологічних тестових впливів різного характеру. Дослідження виконані для різних вікових груп людей як в спокійному стані у положенні стоячи, сидячи, лежачи, так і з використанням різноманітних фізіологічних тестів, а саме: фізичного навантаження, холодової і ортостатичної проб, гіпервентиляції легень і затримки дихання, перетискування судин, паління, алкоголю, чаю, психологічної напруги тощо. Виконувались також досліди у реанімаційному відділенні лікарні з метою визначення дії лікарських засобів для післяопераційного знеболення. Доведено, що за проявом окремих складових, ступенем і характером розмитості АС можна визначати рівень і характер аритмії, вплив дихальної і повільних хвиль, тобто в реальному масштабі часу відстежувати стан і динаміку вегетативного гомеостазу, визначати стан „хвороби” і „передхвороби”. Слідкуючи за рівнями та зміною співвідношень амплітуд окремих трансформант АС, можна спостерігати за станом серцевого та судинного компонентів системи гемодинаміки. Перевагою такого підходу є те, що спектральний аналіз дає інтегральну характеристику сигналу обраної реалізації незалежно від форми ПХ. Це знижує втрати інформації і розширює можливості діагностики.

Проаналізовано, розроблено і верифіковано основи визначення стану ССС і ВНС за методом фазової пульсової спектрометрії. Реалізація цього напрямку має свої особливості і передбачає вирішення ряду нових задач. Перша особливість полягає в тому, що існує проблема одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу з необхідною точністю. Тому в дисертації запропоновано методологію одержання ФС на основі визначення: а) спектральних компонентів за аналізом максимумів обвідної АС віконних реалізацій пульсового сигналу; б) окремих періодів при сплайновій інтерполяції пульсового сигналу. Проаналізовано точність одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу методами ДПФ з урахуванням впливу дихальних і повільних хвиль, дискретизації, шумів. Показано, що потенційна точність (невизначеність) методу фазової пульсової спектрометрії становить одиниці градусів при використанні перших п'яти-семи гармонік периферичного пульсу. Друга особливість полягає в тому, що при дослідженні параметрів периферичного пульсу відсутня інформація про час його поширення. Це не дозволяє визначати повну фазоспектральну характеристику сигналу. Тому в роботі оцінка діагностичної чутливості стану гемодинаміки одержана при аналізі нелінійної складової ФС. Третя особливість полягає в тому, що значення фаз гармонік, навіть при одному і тому ж стані серцево-судинної системи, залежать від ЧСС (див. правило, розділ 2). Щоб знизити вплив цієї залежності при контролі стану гемодинаміки запропоновано використовувати новий для гемодинаміки часовий параметр ф_r ФС. Він має розмірність часу і визначається аналогічно груповому (ф_rГ) або фазовому (ф_rФ) часу запізнювання як ф_r = ?ц_r/?щ_r, де ?ц_r - приріст фазового спектра на ділянці частотного діапазону ?щ_r.

Плетизмограми реєструвалися з пальців рук. На рисунках показано змінюваність ф_rФ за чотирма гармоніками пульсового сигналу (2-ї, 3-ї, 4-ї і 5-ї при визначенні їх початкових фаз відносно фази 1-ї гармоніки). На горизонтальній шкалі відкладено час у секундах; ціна одної поділки відповідає проміжку у 10 секунд. Вертикальна шкала показує величину ф_r; ціна поділки становить 0,01 секунди. Інтерпретація зв'язку між змінами параметрів ФС периферичних пульсограм і змінами стану системи гемодинаміки заснована на результатах аналізу ФЧХ ділянки судинної системи, одержаних в розділі 2.

В період з 25-ї до 70-ї секунди виконувалась затримка дихання (на вдиху). З 70-ї секунди дихання відновлювалося

Розглянуто особливості і переваги визначення стану за сукупним комплексним аналізом змін параметрів АС, ф_rГ, ф_rФ, ЧСС і форми сигналів при багатоканальній фазовій спектрометрії. З метою визначення можливостей порівняльної діагностики стану однойменних органів, наприклад кінцівок, підтвердження залежності показників параметрів ФС від стану судинної системи, а не лише від режиму роботи серця, можливості відокремлення впливу серцевого і судинного компонентів досліджувались параметри ФС на основі багатопозиційних вимірювань відносно сагітальної площини тіла людини. Це проявляється у різному характері коливальних складових, різному рівні параметрів ф_r і їх співвідношенні на різних гармоніках. Радикально відмінним є характер параметрів при навантаженні однієї кінцівки; під час тестування характер динаміки ф_r лівої руки майже не змінився, в той час як динаміка змін ф_r правої кінцівки визначена радикально

Оцінено чутливість запропонованих часових параметрів ф_rГ і ф_rФ ФС шляхом порівняння з традиційними методиками і критеріями пульсової діагностики. Для порівняння обрано три найбільш відомих показники, які характеризують режим роботи серця і стан тонусу судинного русла, а саме: 1) ЧСС; 2) часовий показник судинного тонусу (ЧПСТ), який обчислюється як а₁/а₂, де а₁ -проміжок часу від початку крутого підйому анакроти до точки її максимальної крутості, а₂, - проміжок часу від точки максимальної крутості підйому анакроти до її верхівки; 3) показник судинного тонусу (ПСТ), який обчислюється як (а₁+ а₂)/b, де b -тривалість катакроти. Кількісними показниками порівняння запропоновано використовувати коефіцієнт варіабельності тренда (КВТ) та коефіцієнт варіаційного розмаху (КВР). Значення КВТ обчислювалось як відношення максимального до мінімального рівня тренда протягом тривалості тестування. Значення КВР обчислювалось як відношення максимального значення рівня параметра до мінімального. Встановлено, що в умовах, коли немає прямої дії на судинну систему, чутливість нових параметрів ф_rГ і ф_rФ сумірна із відомими або вища. Коли ж має місце безпосередня механічна дія на судинну систему (наприклад, напруженість м'язів) зміни цих параметрів від 10 до 70 разів більші за відомі.

Розвинено теорію та практику аналізу пульсограм у нетрадиційних ортогональних базисах з використанням перетворення Уолша і споріднених з ним нещодавно запропонованих перетворень REX і CoREX. Особливістю перетворень REX і СоREX є можливість підстроювання під аналізований клас сигналів зміною максимального степеня експоненти, знаку та характеру (дійсний, уявний, комплексний) степеня. Таке підстроювання вимагає простого та швидкого алгоритму формування матричного оператора довільного формату. Запропоновано алгоритм формування такого оператора, з використанням якого одержується нормована матриця , для якої вірно

де - одинична матриця. Принагідно зауважимо, що функції CoRex(n,t) відрізняються від функцій Rex(n,t) тим, що signCoREX_w(n,t) = wal(n,t).

Досліджено діагностичні можливості нормалізованого ортогонального перетворення, запропоновано процедуру нормалізації. Для кількісної оцінки змін спектрів пульсограм при різних станах судинної системи в дисертації запропоновано використовувати коефіцієнти трансформант нормалізованих ортогональних перетворень, які визначаються як

де під _іA_і позначено діюче значення і-ї трансформанти,  - діюче значення тестового сигналу. Розроблено алгоритм знаходження цих коефіцієнтів. Показано, що коефіцієнти трансформант дозволяють здійснювати оцінку спотворень досліджуваного сигналу відносно вихідного тестового сигналу.

У сьомому розділі розроблено часові і частотні критеріальні основи просторової кореляційно-спектральної осцилометрії для завадостійкого і необтяжливого визначення та моніторингу артеріального тиску.

З урахуванням результатів моделювання гемодинамічних процесів у навантаженій артерії під оклюзійною манжетою (розд. 2) запропоновано принципово новий підхід до визначення АТ і розроблено новий метод просторової кореляційно-спектральної осцилометрії. Він полягає у процедурі кореляційно-спектрального порівняння двох просторово рознесених пульсових сигналів: основного вимірювального, що реєструється дистальніше (нижче) манжети, і неспотвореного опорного, що реєструється або проксимальніше (вище) манжети, або з іншого органу. Критерії визначення моментв часу, в які тиск в манжеті відповідає параметрам АТ, базуються на аналізі змін параметрв нормовано взаємокореляційної функції (ВКФ) b(ф)=cov[S₁(t),S₂(t - ф)]/(у₁у₂), де S₁(t), S₂(t) - основний вимірювальний і опорний пульсові сигнали; ₁, ₂ - середньоквадратичні відхилення цих сигналв;  - інтервал їх кореляції.

Вихідні положення щодо цих критеріїв ґрунтуються на врахуванні гідродинамічних процесів у кровоносній судині в різні фази оклюзії. Вони такі. Коли тиск P_м в манжеті менший за діастолічний (P_м < P_діас), сигнали в обох каналах практично збігаються за формою і мають сильний кореляційний зв'язок (maxb(ф)  1). Коли тиск в манжеті більший за систолічний (P_м > P_сис), кровоток дистальніше місця компресії відсутній і сигнал в основному каналі не містить пульсових складових. Присутні можуть бути тільки шуми і завади, які некорельовані із опорним сигналом (maxb(ф)  0). Під час часткової оклюзії в процесі декомпресії (Р_діас < Р_м < Р_сис) кровоток дистальніше манжети поступово відновлюється до норми. При цьому кореляційний зв'язок між сигналами основного і опорного каналів поступово збільшується і maxb(ф) монотонно зростає від 0 до максимального значення, близького до одиниці. Отже, момент t_cиc (момент появи перших пульсацій основного вимірювального сигналу) можна визначити, як момент початку зростання ВКФ. Момент t_дас, в який Р_м = Р_дас, визначається, коли нормована ВКФ перестає зростати.

Для підвищення точності і достовірності визначення параметрів АТ запропоновано використовувати також інші нові критерії зв'язку просторово рознесених пульсових сигналів. Ці критерії отримуються за аналізом зміни у час автокореляційної функції (АКФ) вимірювального і опорного сигналів, бічних максимумв АКФ і ВКФ (як наслідком майже періодичної форми пульсових сигналів), дійсної уявно частин взаємного спектра сигналв основного опорного каналв, лінійності зв'язку сигналів за допомогою функції когерентності (зокрема на гармоніках ЧСС), залежності ЧХ уявного кола передачі між точками реєстрації рознесених вимірювального і опорного сигналів. Запропоновано 5 нових способів визначення параметрів АТ, заснованих на використанні цих критеріїв.

Верифікація запропонованого методу і критеріїв визначення параметрів АТ здійснювалась шляхом експериментальних випробувань розробленого зразка завадостійкої системи визначення АТ. В нормальних умовах (при помірних артефактах) загальна відносна похибка визначення параметрів тиску становила не більше 4 % (для АТ у 120 мм рт. ст.), що задовольняє вимогам міжнародних стандартів. В однакових умовах штучно створених завад і артефактів система забезпечувала надійні результати у 82 % випадків, в той час коли інші пристрої провідних фірм демонстрували або повну непрацездатність (Omron), або низьку надійність - 55 % (Matsushita).

Завадостійкість запропонованого методу і валідність даних, отриманих за допомогою розробленої системи визначення АТ, були підтверджені в процесі ергометричної проби на ергометрі “тредміл” Jaeger L-500 у Державному науково-дослідному інституті фізичної культури і спорту. При цьому вперше неінвазивно був визначений АТ в екстремальних умовах ходьби, інтенсивність якої відповідала потужності до 475 Вт. В експерименті розроблена система продемонструвала працездатність у 79 % випадків, в той час, коли застосування існуючих засобів провідних фірм взагалі неможливе.

Для усунення недоліків оклюзійних методів визначення АТ (довготривалість і обтяжливість процедури внаслідок оклюзії) виконано подальший розвиток методу просторової кореляційно-спектральної осцилометрії. Запропоновано процедуру визначення АТ, відмінність якої полягає у тому, що в її основу покладено ідею кореляційно-спектрального порівняння вимірювального сигналу з опорним, але попередньо переведеним у розмірність АТ та обмеженим відповідно до рівня оклюзійного тиску. Це дозволяє забезпечити визначення тиску при частковій оклюзії, знизити тривалість процедури (гранично в межах тривалості декількох періодів пульсового сигналу) і оклюзійне навантаження. Доведено можливість штучного переводу опорного сигналу в розмірність тиску з похибками, які задовольняють вимогам стандартів визначення тиску.

У додатках описано характеристики розроблених засобів, результати їх використання і впровадження, надані окремі результати досліджень, які не включені в основну частину дисертації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена проблема підвищення точності і швидкодії одержання часових і частотних параметрів при визначенні структури, складу та функціонального стану просторово розвинених динамічних об'єктів різної фізичної природи. Проблема вирішена на основі введення нових часових і частотних параметрів та критеріїв оцінювання стану просторово розвинених технічних, природничих і біологічних об'єктів, розвитку існуючих і розроблення нових методів та просторово розвинених систем швидкісної широкосмугової ампліфазометрії, амплітудної і фазової спектрометрії. Ефективність розроблених методів та засобів підтверджена реалізацією на їх основі вимірювально-діагностичних технологій і систем оцінювання стану технічних і біологічних об'єктів, які пройшли успішні випробовування і впроваджені у провідних організаціях України й Росії. Результати дисертації впроваджені також у навчальний процес.

Розроблені в дисертації основи побудови вимірювальних систем підвищеної точності й достовірності можуть і надалі використовуватись при розробці нових засобів визначення місцезнаходження нерухомих і рухомих об'єктів, характеристик трактів передачі сигналів, стану навколишнього середовища, структури і пошарового складу об'єктів, створення сучасних радіоелектронних енергетичних комплексів тощо.

Основні результати роботи та висновки з них такі.

1. За розглядом відомих електричних моделей просторово розвинених технічних, природничих і біологічних об'єктів (як трактів передачі електричних сигналів) та запропонованих нових уточнених електричних моделей судинної системи (як тракту передачі хвилі тиску) проаналізовано процеси поширення сигналів через такі об'єкти, розроблено часові і частотні критеріальні основи визначення структури, складу і функціонального стану об'єктів.

2. На основі фізичної інтерпретації нахилу лінійної частини і відхилень нелінійності ФЧХ сформульовано умови максимальної точності визначення часу поширення і фазових спотворень широкосмугового сигналу в ДО за багатопараметричним критерієм максимального кореляційного зв'язку вихідного і вхідного сигналів ДО, запропоновано методологію визначення параметрів ЧХ об'єктів і обґрунтовано вимоги до характеру обвідної спектра тестового сигналу.

3. Доведено, що з точки зору швидкого визначення часових і частотних параметрів просторово розвинених невзаємних об'єктів перевагу мають системи, що базуються на методах імпульсної (при тестовому контролі технічних, природничих і біологічних об'єктів) та пульсової (при функціональному контролі біологічних об'єктів) амплітудної і фазової спектрометрії.

4. Розвинено теорію і практику фазування сигналів з підвищеною точністю при збільшеному просторовому рознесенні пунктів їх формування та розроблено принципи побудови багатопозиційних автономних систем фазової синхронізації. Запропоновано нову методологію фазування при використанні невзаємних каналів передачі сигналів синхронізації на основі: а) вирівнювання і стабілізації електричних довжин підсилювачів прямого і зворотного каналів; б) без вирівнювання цих довжин. В результаті вперше забезпечено можливість фазової синхронізації сигналів при використанні каналів зв'язку з нестабільними і неідентичними за електричними довжинами підсилювачами. Порівняно з існуючими системами це дозволяє втричі збільшити просторове рознесення сусідніх пунктів фазування. Розроблено принципи побудови нових систем фазової синхронізації підвищеної точності, збільшеного просторового рознесення й довільного нарощування кількості пунктів синхронізації. Обґрунтовано особливості вибору та формування сигналів порівняння при пульсовій ампліфазовій спектрометрії.

5. Розроблено основи прямого швидкого визначення параметрів повної ФЧХ, часу поширення, амплітудних і фазових спотворень широкосмугових сигналів у просторово розвинених невзаємних динамічних об'єктах, а саме: розроблено модифікований метод спектрометрії, заснований на спектрометрії вихідного сигналу ДО відносно опорного сигналу, сформованого у віддаленому пункті на виході ДО як копія вхідного зондувального сигналу; розроблено методологію частотної і фазової синхронізації цих сигналів. На відміну від існуючих методів, розроблений метод забезпечує пряме швидке визначення параметрів повної ФЧХ просторових невзаємних об'єктів, у тому числі й об'єктів із зсувом частоти. Для подальшого підвищення точності і швидкодії визначення параметрів та розширення функціональних можливостей систем запропоновано методологію спектрометрії відносно двох опорних сигналів.

6. Для подолання обмежень методів резистивної імпедансометрії і резистивної імпедансної томографії щодо швидкого неруйнівного визначення локального та пошарового складу об'єктів як діелектричних структур із втратами розвинено методологію імпедансометрії на основі широкосмугової ампліфазометрії. Розвинено теорію і практику швидких багатоканальних вимірювань при визначенні частотних залежностей усіх параметрів (модуля, активної і реактивної складових) комплексного електричного імпедансу в розширеній смузі частот: оцінено похибки та обґрунтовано умови забезпечення задовільної точності одержання параметрів імпедансу на основі ампліфазометрії, визначено необхідну чутливість і точність вимірювань амплітуд і фаз сигналів при багатопозиційній імпедансній томографії комплексного електричного імпедансу.

7. Показано, що тричастотний метод вимірювань, який використовується для визначення ЧХ однорідних біологічних об'єктів, у випадку неоднорідних об'єктів не забезпечує точне відтворення частотного годографа комплексного імпедансу в усій смузі частот. Тому для встановлення наявності неоднорідності необхідно здійснювати вимірювання принаймні ще на кількох частотах, а для достовірного визначення стану неоднорідних об'єктів - одержувати параметри ЧХ в усьому частотному діапазоні.

8. Обґрунтовано особливості оброблення вимірювальної інформації в швидкодіючих багаточастотних і багатоканальних фазових вимірювальних системах при одержанні параметрів ЧХ за багатопараметричним критерієм максимального кореляційного зв'язку вихідного і вхідного сигналів ДО. Розвинено теорію фазового детектування сигналів та запропоновано нові швидкодіючі спосіб і засіб вимірювання різниці фаз для визначення фазової структури радіоімпульсних сигналів.

9. Розвинено теорію та методологію визначення стану судинної системи за параметрами частотних характеристик її ділянок. Запропоновано уточнену електричну модель ділянки ненавантаженої судинної системи, яка одночасно враховує залежність проходження ПХ від інерційних та в'язкісних властивостей крові введенням активного і реактивного опорів артеріальної і активного опору периферичної ділянок судинної системи. З використанням моделі виконані дослідження і одержані наступні результати:

аналітичні вирази для АЧХ і ФЧХ ділянки ненавантаженої судинної системи, встановлено взаємозв'язок між станом судинної системи та характером змін АЧХ і ФЧХ, визначено нові ефекти та якісні й кількісні діагностичні параметри, що характеризують цей стан, а саме: а) ефект наявності або відсутності підйому (максимуму) АЧХ, рівень підйому; б) ефект змінюваності характеру нелінійності ФЧХ і наявності або відсутності точки перегину; в) крутизна ФЧХ; г) значення характеристичної частоти щ_р, і частоти максимуму АЧХ щ_м та межі змін цих частот;

вперше встановлено ефект залежності форми ПХ не лише від параметрів судинної системи, а й від частоти серцевих скорочень; сформульовано нове правило і визначено наслідки із правила, що характеризують цю залежність та її вплив на спектри і форму пульсових сигналів;

досліджено вплив частотних спотворень пульсового сигналу в судинній системі на похибки визначення часу і швидкості поширення ПХ класичним методом за часом запізнювання характерних точок пульсового сигналу, надані рекомендації щодо підвищення точності визначення цих параметрів;

досліджено взаємозв'язок хвилі пульсового тиску в різних перетинах судинного русла, встановлено обмеження і додаткові діагностичні можливості визначення параметрів тиску в різних точках судинного русла, зокрема, щодо оцінки тонусу судин і значення периферичного опору.

10.  Розроблено і верифіковано методологію пульсової спектрометрії на основі використання ортогональних перетворень пульсових сигналів з комплексним і дійсним ядрами, зокрема:

запропоновано, досліджено і верифіковано методологію пульсової фазової спектрометрії при оцінюванні стану ССС і ВНС за визначенням часових і частотних (спектральних) параметрів ПХ; при цьому: а) розроблено підходи щодо одержання ФС квазістаціонарного пульсового сигналу, досліджено похибки одержання ФС та встановлено, що потенційна точність пульсової фазової спектрометрії становить одиниці градусів при використанні перших п'яти-семи гармонік сигналу периферичного пульсу; б) для зниження впливу ЧСС при оцінюванні стану ССС і ВНС запропоновано використовувати нові часові параметри ф_r ФС, еквівалентні приведеному груповому і фазовому часу запізнювання пульсового сигналу; в) надано інтерпретацію характеру залежності і динамічних змін часових параметрів ФС при різних тестових впливах, індивідуальних особливостях людей, визначеності стану стресу; г) показана можливість досягнення підвищеної точності і достовірності діагностики при багатоканальній фазовій спектрометрії і на цій основі - диференційної діагностики стану однойменних органів та відокремлення серцевого і судинного компонентів; д) доведено підвищену чутливість фазоспектральних критеріїв діагностики стану ССС відносно існуючих традиційних критеріїв контурного аналізу ПХ; е) показано, що інформація про форму нелінійної складової ФС периферичної хвилі дозволяє оцінювати динаміку характеристичної частоти щ_р судинного русла, що складно виконати (або неможливо) традиційними методами контурного аналізу при спотворених пульсових кривих;

розширено сферу використання АС для швидкого оцінювання стану вегетативного гомеостазу за часовою динамікою спектральних параметрів коротких реалізацій периферичної ПХ;

розроблено основи аналізу пульсограм в ортогональних базисах із дійсним ядром з використанням функцій Уолша, та нещодавно запропонованих функцій REX і CoREX, а саме: розроблено процедуру нормалізації досліджуваного сигналу, встановлено можливості нормалізованого ортогонального оператора для діагностики; введено новий кількісний критерій - коефіцієнт трансформант, який забезпечує визначення відмінностей досліджуваного сигналу від сигналу, обраного за сигнал порівняння; доведено можливість оцінювання стану і динаміки його змін диференційно (за окремими амплітудами трансформант) та інтегрально (за коефіцієнтами трансформант);

доведено, що контрольно-діагностичні методики на основі спектрального аналізу ПХ є інформативними для виявлення індивідуальних особливостей системи гемодинаміки людей та людей з явно визначеними патологіями ССС і ВНС; вони також дозволяють досліджувати стан і динаміку ССС і ВНС на перших стадіях змін у практично здорових людей та визначати стани "здоров'я" і "передхвороби" у випадках, коли інші методики, засновані на традиційних візуальному або контурному аналізі форми ПХ, є менш інформативними.

11. З використанням засад просторово рознесеної пульсової спектрометрії запропоновано новий метод просторової кореляційно-спектральної осцилометрії, розроблено і верифіковано часові і частотні критеріальні основи завадостійкого визначення параметрів кров'яного тиску. При цьому: а) введенням параметрично змінюваних активного і реактивного опорів уточнено електричну модель навантаженої ділянки судинної системи під компресійною манжетою, що дозволило розробити нову методологію визначення параметрів АТ; вона базується на принципово новому підході до одержання завадостійких часових і частотних критеріїв визначення АТ, що ґрунтується на використанні сигналу додаткового опорного пульсового каналу; запропоновані критерії є більш достовірними порівняно з існуючими емпіричними критеріями, оскільки ґрунтуються на чітко визначених процесах у системі гемодинаміки при оклюзії (для вимірювального сигналу) і без неї (для опорного сигналу); б) доведено переваги запропонованого методу відносно існуючих методів при визначенні параметрів тиску в умовах завад і артефактів підвищеного рівня, зокрема під час фізичного навантаження потужністю у сотні Вт, рівень якого не дозволяє здійснювати таке визначення жодним іншим існуючим непрямим методом і засобом; в) для усунення недоліків оклюзійних методів визначення АТ (довготривалість і обтяжливість процедури внаслідок оклюзії органу) запропоновано методологію осцилометрії, в основу якої покладено ідею кореляційно-спектрального порівняння вимірювального сигналу з опорним, але попередньо переведеним у розмірність АТ та обмеженим відповідно до рівня оклюзійного тиску.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

За темою дисертації опубліковано 70 наукових праць, основними з яких є:

1. Шарпан О. Б. Нестабильность времени подготовки к запуску релаксационной ступени на лавинном транзисторе // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. - 1981. - № 18, - С.70-74.

2. Шарпан О. Б., Маглеванная Н. И. Фазирование многочастотных сигналов пространственно разнесенных генераторов гармоник // Радиоэлектроника (Изв. высш. учеб. заведений). - 1983. - Т. 26, № 9. - С. 62-64.

3. Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Разборский В. А., Шарпан О. Б. Система фазирования многочастотных сигналов // Техника средств связи. Сер. РТ. - М.: -1984. - Вып. 1. -С. 58-61.

4. Дворский В. Я., Кусов Г. А., Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Очков Д. С., Рукунов В. Н., Шарпан О. Б. Радиоимпульсный фазометр // Приборы и техника эксперимента. - 1987. - № 1. - С. 232.

5. Шарпан О.Б. Оценка точности распределенного фазирования, основанного на суммировании сигналов // Радиоэлектроника. (Изв. высш. учеб. заведений). - 1988. - Т. 31, № 5. - C. 57-59.

6. Кравченко С. Ф., Маглеванная Н. И., Шарпан О. Б. Влияние гармоник сигналов фазовых детекторов на точность измерения разности фаз // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники, 25, 1988. - С. 50-52.

7. Дворский В. Я., Кусов Г. А., Левина А. Ф., Маглеванная Н. И., Очков Д. С., Рукунов В. Н. Шарпан О. Б. Многоканальный радиоимпульсный фазометр // Приборы и техника эксперимента. - 1988. - № 2. - С. 213.

8. Маглеванная Н.И., Шарпан О.Б. Повышение точности суммарно-векторных систем взаимного фазирования // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. - 1989. - № 26. - С. 79-82.

9. Синанов В. Э., Шарпан О. Б. Система пространственного фазирования с невзаимными фазостабильными линиями связи // Вестник КПИ. Сер. Радиотехники. - 1990. - № 27. - С. 65-67.

10. Дворский В. Я, Синанов В. Э., Шарпан О. Б., Ярошенко В. Т. Измеритель параметров электрического импеданса биологических тканей и органов // Радиоэлектроника (Изв. высш. уч. завед.). - 1998. Т. 41- № 7. - С. 75-77.

11. Зудов О. Н., Шарпан О. Б. Телеметрическая система фотоплетизмографии // Український журнал медичної техніки та технологій. - 1998. - № 3-4. - С. 115-116.

12. Зудов О.Н., Шарпан О.Б. Застосування електричної моделі гемодинамічної системи для оцінки співвідношення тиску крові в пальцевій та плечевій артеріях // Электроника и связь. - 2000. - №.8. - Т.1. - С. 78-79.

13. Зудов О. Н., Шарпан О. Б. Перешкодостійкий кореляційний спосіб вимірювання тиску крові // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2000. - № 5. - С. 5

14. Зудов О. М., Шарпан О. Б. Діагностичні можливості спектрального аналізу сигналів пульсової хвилі //Вісник ЖІТІ - 2001.- № 16/Технічні науки. - С. 82-85.

15. Шарпан О. Б., Ященко А. Г., Зудов О. М., Магльована Н. І., Самуйленко  В. Є. Завадостійке неінвазивне вимірювання артеріального тиску під час ергометричної проби // Электроника и связь. - 2001. - №10. - С.15-16.

16. Шарпан О. Б. Влияние частотных характеристик сосудистой системы на амплитудный и фазовый спектры пульсовых сигналов // Электроника и связь. - 2002. - № 14. - С. 83-87.

17. Шарпан О Б. Диагностическая чувствительность фазового спектра пульсового сигнала // Электроника и связь.- 2003.- № 18. - С. 91-95.

18. Ткаченко В. Л., Шарпан О. Б., Мітров О. П. Неінвазивне визначення частоти дихання і виділення дихального патерну за допомогою комплексного спектрально-часового аналізу грудної реограми // Электроника и связь.- 2003. -№ 19. - С. 33-35.

19. Шарпан О. Б. Дослідження залежності амплітудного спектра пульсового сигналу від стану системи гемодинаміки // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2004. - № 1. - С. 110-117.

20. Шарпан О. Б. Оценка точности измерения времени и скорости распространения пульсовой волны по смещению анакрот центрального и периферического пульсов // Электроника и связь.- 2004. -Т. 9, № 22. - С. 36-39.

21.  Рыбин А. И., Шарпан О. Б. Диагностика пульсограмм на базе ортогональных преобразований с действительным ядром // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2004. - № 1. - С. 136-141.

22. Рибін О. І., Шарпан О. Б. Алгоритми формування матричних операторів дискретних ортогональних перетворень REX та CоREX // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. - 2004. - № 4 (31). - Том 2. - С. 53-57.

23. Рибін О. І., Шарпан О. Б. Діагностичні можливості процедури нормалізації ортогональних функцій при аналізі пульсограм // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. - 2004. - № 4 (31). - Том 1. - С. 144-149.

24. Шарпан О. Б., Гусєва О. В., Жиляков А. О., Магльована Н. І. Система для дослідження гемодинаміки за амплітудним спектром пульсової хвилі // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ. -2004. -Вип..27. - С. 158-162.

25. Шарпан О. Б. Погрешности измерения параметров комплексного электри-ческого импеданса, вносимые входной частью измерителя // Электроника и связь.- 2005.- № 25. - С. 38-41.

26. Шарпан О. Б. Дослідження частотних і часових характеристик протяжних невзаємних об'єктів модифікованим методом спектрометрії // Вісник ЖДТУ / Технічні науки. - 2005. - № 2 (31). - Том 1. - С. 144-149.

27. Шарпан О. Б., Безякіна Д. В. Оцінка впливу неоднорідності біотканини на чутливість частотного розподілу комплексного електричного імпедансу // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2005. - № 6. - С. 14-18.

28. Рибін О. І., Сакалош Т. В., Шарпан О. Б. Аналіз пульсограм на базі процедури нормалізації ортогональних перетворень REX // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. - 2005. - № 4. - С. 29-33.

29. Рыбин А. И., Шарпан О. Б., Григоренко Е. Г., Сакалош Т. В. Коэффициенты трансформант нормализованных ортогональных преобразований и диагностика пульсограмм // Вісник НТУУ ”КПІ”. Сер. Приладобудуваня. - 2005. - Вип. 30. - С. 148-156.

30. Гусєва О. В., Найденко В. І., Шарпан О. Б. Оцінка чутливості вимірювань потенціалів при багатоканальній імпедансній томографії // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. - 2006. - № 1. - С.12-18.

31. Шарпан О.Б., Мітров О.П. Аналіз характеру залежності між пульсовим тиском в артерії та амплітудою неінвазивно зареєстрованого пульсового сигналу // Вісник НТУУ „КПІ”. Сер. радіотехніки і радіоапаратобудування. - 2006. - №  33. - С. 136-141.

32. Измеритель параметров амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников: А.с. 678686 СССР, МКИ Н 04 В 3/46. / В. А. Гойжевский, В. Г. Трилис, О. Б. Шарпан (СССР). - № 2560095/18-09; Заявлено 26.12.77; Опубл. 05.08.79, Бюл. 29. - 2 с.

33. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 960666 СССР, МКИ G 01 R 29/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). -№ 2759980/18-21; Заявлено 03.05.79; Опубл. 23.09.82, Бюл.35. - 3 с.

34. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1002983 СССР, МКИ G 01 R 27/28. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3339789/18-21; Заявлено 28.09.81; Опубл. 07.03.83, Бюл. № 9. - 3 с.

35. Устройство выравнивания электрических длин линий передачи сигналов: А.с. 1109922 СССР, МКИ Н 04 В 7/15. / О. Б. Шарпан (СССР). - № 3575343/18-09; Заявлено 06.04.83; Опубл. 23.08.84, Бюл. 31. - 2 с.

36. Устройство для взаимного фазирования: А.с. 1172051 СССР, МКИ Н 04 L 7/08. / О. Б. Шарпан (СССР). - № 3494292/18-09; Заявлено 29.09.82; Опубл. 07.08.85, Бюл. 29. - 3 с.

37. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1190306 СССР, МКИ G 01 R 27/28. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3629536/24-21; Заявлено 27.07.83; Опубл. 07.01.85, Бюл. 41.- 4 с.

38. Измеритель разности фаз: А.с. 1200197 СССР, МКИ G 01 R 25/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3782096/24-21; Заявл. 16.04.84; Опубл. 23.12.85, Бюл. № 47. - 4 с.

39. Измеритель параметров фазочастотной характеристики четырехполюсника: А.с. 1241157 СССР, МКИ G 01 R 27/28 . / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3717618/24-21; Заявлено 02.04.84; Опубл. 30.06.86, Бюл. 24. -4 с.

40. Способ измерения разности фаз: А.с. 1273833 СССР, МКИ G 01 R 25/00. / В. Я. Дворский, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3781952/24-21; Заявлено 16.08.84; Опубл. 30.11.86, Бюл. № 44. - 3 с.

41. Устройство взаимного фазирования: А.с. 1288908 СССР, МКИ Н 03 L 7/00. / А. Ф. Левина, Н. И. Маглеванная, О. Б. Шарпан (СССР). - № 3900525/24-09; Заявлено 23.05.85; Опубл. 07.02.87, Бюл. 5. - 3 с.