Измерения и анализ флуктуаций температуры, скорости и давления в каналах нерегулярной формы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Измерения и анализ флуктуаций температуры, скорости и давления в каналах нерегулярной формы

Санкт- Петербург, 2007

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Настоящая работа посвящена исследованию конвективных процессов в каналах нерегулярной формы, плохо поддающихся точному геометрическому описанию. Каналы нерегулярной формы обладают многочисленными выступами, неровностями и другими нерегулярностями по своему внутреннему сечению. К ним можно отнести многие природные объекты, такие как, например, гидросистемы, литосистемы, геосистемы. К каналам нерегулярной формы, в частности, можно отнести дыхательную систему человека, в которой происходит конвективное движение воздуха.

При исследовании гидро- и аэродинамических потоков в нерегулярных каналах, как правило, используют стандартные методы, не учитывающие в полной мере сложное геометрическое строение изучаемых объектов. Вместе с тем с движением водных потоков в руслах рек под неровною коркою льда связаны ледотермические и гидравлические задачи, определяющие проходимость рек в зимнее время. Строение лито- и геосистем определяют их конвективные и термодинамические особенности, а следовательно, проявление процессов физического выветривания и разрушения.

Актуальным является изучение движения конвективных воздушных потоков внутри сложной нерегулярной структуры носа человека. Необходимость их экспериментального исследования вызвана как распространенностью дефектов и заболеваний дыхательной системы человека, так и практическим отсутствием полноценных физических моделей этой системы, адекватно отражающих динамические процессы дыхания.

Нарушения процессов движения воздуха в дыхательной системе человека проявляется в заболеваниях дыхательной системы, по характеру такого движения можно диагностировать наличие, отсутствие и характер заболеваний.

При исследовании конвективных потоков внутри каналов нерегулярной формы, рассмотренных нами на примере полостей носа человека, используют диагностические приборы, основанные на измерении гидродинамических характеристик: расхода, скорости воздушного потока, давления и коэффициента носового сопротивления. Коэффициент носового сопротивления является аналогом гидродинамического сопротивления и определяется как отношение давления (или его перепада на входе и выходе из полостей носа) к скорости воздуха измеренной в том же отделе носа. При этом в диагностике практически не рассматривается тепловая составляющая конвективного потока. Тот факт, что человек всегда выделяет тепло, вдыхая холодный воздух, выделяет нагретый до температуры своего тела, в настоящее время в медицине не используется.

Нами было сделано предположение, что конвективные тепло и массообменные характеристики дыхания также могут характеризовать состояние органов дыхания человека, как и гидродинамические, и возможно даже улучшат современные возможности диагностирования.

Другой недостаток применяемых в клинической практике диагностических приборов заключается в использовании гладких дополнительных трубок, подводимых к органам дыхания, в которых и располагаются датчики. Результат измерения в таких трубках оказывается значительно сглаженным, отражающим усредненные измеряемые характеристики. Такими приборами можно определить уже развитую патологию полости носа, исключая возможность раннего диагностирования.

В связи с перечисленными причинами возникла необходимость в разработке нового метода для получения достоверной информации о конвективных потоках внутри каналов нерегулярной формы, имеющих многочисленные выступы, неровности, ответвления, при полном сохранении формы таковых.

Объектом исследований в данной работе являются конвективные процессы, протекающие внутри каналов нерегулярной формы, рассмотренных на примере полостей носа человека.

Цель работы заключается в изучении характера движения воздуха внутри нерегулярных каналов, и в создании на базе полученных результатов исследования метода ранней диагностики и уточнения диагноза.

В рамках поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведена диагностика основных составляющих конвективного потока - температуры, скорости и давления внутри каналов нерегулярной формы.

2. Измерены пульсации температуры на выходе из дыхательной системы и выявлены характерные особенности этих пульсаций. Оценен коэффициент гидравлического сопротивления внутри нерегулярных каналов.

3. Создан метод диагностирования по вычисленным оценкам спектральной плотности мощности измеренных величин (температуры, скорости и давления) и их хаотических инвариант.

4. Показано, что для целей диагностики достаточно проводить измерения только пульсаций температуры.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе измерений пульсаций температуры, а также скорости и давления воздушного потока, в отдельных частях нерегулярных каналов, предложен метод диагностики состояния здоровья человека по спектральной плотности мощности измеряемого сигнала и хаотическим инвариантам.

2. Установлен факт перераспределения энергии колебаний температуры, скорости и давления по спектру в зависимости от формы и строения нерегулярных каналов.

3. Выявлены изменения в величине корреляционной размерности при изменениях в строении нерегулярного канала. Установлено, что величина корреляционной размерности возрастает при усложнении строения нерегулярного канала.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценивания пространственно-временной структуры колебаний воздушного потока при движении его через каналы, имеющие сложную, нерегулярную форму, на основе измерений температуры, скорости, и давления воздушного потока.

2. Экспериментальные данные, по которым установлен факт перераспределения энергии колебаний по спектру, а также изменения в величине корреляционных размерности и энтропии в зависимости от формы и строения нерегулярных каналов.

3. Оценка коэффициента носового сопротивления, являющегося аналогом коэффициента гидравлического сопротивления, проведенная на примере полостей носа человека и полостей искусственной модели носа.

Практическая ценность работы:

Предложен метод оценивания пространственно-временной структуры воздушного потока при движении его через каналы, имеющие сложную, нерегулярную форму. Метод апробирован для внедрения в оториноларингологии для распознания и уточнения заболеваний верхних дыхательных путей.

Метод может быть использован:

· при расчете и проектировании современных расходомеров-счетчиков газа.

Основные результаты работы:

На примере дыхательной системы человека получены новые данные для пульсаций температуры, скорости и давления воздушного потока в каналах нерегулярной формы.

Полученные результаты показали, что дыхание представляет собой диссипативный хаотический процесс, и легли в основу впервые предложенного метода, предназначенного для определения сложного характера конвективных потоков в каналах нерегулярной формы. Предложенный метод заключается в:

• измерении пульсаций температуры на входе в нос;

• вычислении спектральной плотности мощности для измеренной температуры;

• реконструкции методом задержек аттрактора измеренной величины;

• нахождении для реконструированного аттрактора корреляционной размерности и энтропии;

• диагностировании по полученным данным состояния человека.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором под руководством его научного руководителя. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и разработанный метод диагностирования конвективных потоков дыхания.

Реализация результатов работы отражена актами внедрения от МАПО, СПбГУ ИТМО, ЗАО «ВЗЛЕТ».

В гранте конкурсного центра фундаментального естествознания, № М05-4.0К-7 «Натурная модель для исследования дыхательной функции носа», предоставленном правительством Санкт-Петербурга для поддержки студентов и аспирантов.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на:

· VII всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения», Таганрог, 2004;

· I конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2004;

· XX конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2005;

· II межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2005;

· международной конференции «International Conference Physics and Control Proceedings», PhysCon 2005, С-Пб, 2005;

· XXI конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО, 2006;

· III межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, СПб, 2006.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основные цели работы, показаны ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, указаны объекты исследования, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор основных источников цитируемой литературы в соответствии с рассматриваемыми главами диссертации. В обзоре отражено современное состояние исследования конвективных процессов в каналах нерегулярной формы.

Во второй главе показано, что изучение процессов дыхания необходимо для точного диагностирования заболеваний дыхательной системы человека и найдет безусловное применение в клинической практике специалистов оториноларингологов. Предложены следующие необходимые условия в исследовании конвективных потоков в каналах нерегулярной формы:

1. Анализ возможного пути распространения воздушного потока в канале.

2. Наблюдение за основными характеристиками потока на всем пути его продвижения.

3. Нахождение корреляционной связи между наблюдаемыми характеристиками потока и их анализ.

В главе рассмотрено анатомическое строение полостей носа человека и показана его связь с процессами дыхания. Представлены научные подходы к исследованию процессов дыхания и существующие физические модели дыхательной системы.

Полости носа являются каналами сложной нерегулярной формы с многочисленными выступами и неровностями. Имеющиеся внутри полостей носа носовые раковины делят вдыхаемый и выдыхаемый воздушный поток между общим, средним, нижним и верхним носовыми ходами, причем известно, что распределение воздуха по носовым ходам является неравномерным. Открывающиеся в полости носа носовые пазухи представляют собой воздушные емкости, которые вносят определенный вклад в процессы конвективного тепло- и массообмена дыхания. Условно разделение воздуха по носовым ходам и открывающиеся в них носовые пазухи представлены на рис.1.

Сложное анатомическое строение полостей носа влияет на характер конвективных тепло- и массообменных процессов, которые могут быть исследованы:

· непосредственно внутри полостей носа человека,

· в органах дыхания некоторых видов животных, а также на трупах животных и людей,

· внутри искусственных моделей носа и дыхательной системы человека.

Отмечены достоинства и недостатки каждого метода, анализ которых обусловил выбор направления исследований в пользу полостей носа человека и созданной соискателем искусственной модели носа.

Рассмотрены современные диагностические приборы, основанные на измерении расхода, скорости, давления или коэффициента носового сопротивления в органах дыхания человека. Общий недостаток приборов заключается в создании искусственных условий для дыхания человека. Так больному предлагается дышать через рот, либо через нос, часто при одной закрытой ноздре. При этом показания снимаются в маске или в трубке, а не в самой полости носа. Поэтому конечный результат диагностирования оказывается сглаженным и искаженным. Рассмотренными приборами можно определить уже развитую патологию полости носа, исключая возможность раннего диагностирования.

Чтобы лучше понять процесс дыхания, а, следовательно, и улучшить методы диагностирования необходимо обеспечить измерение этих характеристик непосредственно внутри полостей носа без использования вспомогательных диагностических трубок. Диагностирование дыхания должно осуществляться на основе наблюдения за вдыхаемым воздушным потоком. В качестве чувствительных элементов должны быть использованы миниатюрные, малоинерционные датчики. Для измерения скорости воздушного потока выбраны миниатюрные полупроводниковые терморезисторы с сопротивлением при температуре равным кОм и диаметром 0,5 мм. Терморезисторы были отградуированы как термоанемометры, с использованием для их нагрева стабилизированного тока величиной 10 мА. Для измерения температуры выбраны миниатюрные терморезисторы (диаметр 0,5 мм), отградуированные в диапазоне от до . Для измерения давления - датчики давления фирмы Honeywell.

На кафедре КТФ и ЭМ СПбГУ ИТМО с участием соискателя разработан многоканальный ринологический прибор, позволяющий снимать показания необходимых параметров дыхания (давления, скорости и температуры) непосредственно в полости носа, в обеих его половинках, не искажая естественное дыхание человека. Прибор реализован на основе методов полупроводниковой термометрии и термоанемометрии с применением выбранных датчиков.

Чтобы измерить основные динамические характеристики потока, можно расположить датчики на выходе из дыхательной системы, в зоне преддверия носа, где движение струек воздуха параллельны. В этом случае измеряемый сигнал будет содержать объективную информацию об особенностях дыхания вне зависимости от конкретного места расположения датчиков в этой области.

Диагностический элемент прибора - клипса миниатюрных размеров, располагается на перегородке носа, внутри его полостей (рис. 2, 3). На внешней поверхности правой и левой половинок клипсы находятся датчики, регистрирующие скорость воздушного потока - терморезисторы 2 и 4, давление и температуру на входе (выходе) в нос - терморезисторы 1 и 3.

Пример работы ринологического прибора показан на рис. 4. Как видно из рис. 4, динамические процессы внутри дыхательной системы, как правило, являются турбулентными. Турбулизация процессов дыхания обусловлена одной из основных функций носа - функцией прогрева воздуха до температуры тела человека.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию внутриносовых конвективных процессов дыхания на разработанной автором искусственной модели носа. Т. к. человеческий нос обладает не только сложным, разветвленным строением, но и миниатюрными размерами, то при исследовании конвективных процессов дыхания, разместить датчики внутри его каналов практически невозможно.

Моделирование - один из важнейших методов исследования дыхательной функции носа (ДФН). Оно получило широкое распространение в исследовательской практике, т. к. позволяет наблюдать массообменные процессы в таких частях носа человека, проникнуть в которые в любом другом из перечисленных методов весьма затруднительно. Моделирование позволяет наблюдать изменения в движении воздушных масс в любой области модели а, следовательно, судить о распределении воздушных потоков внутри полости носа. Такой подход не возможен при определении ДФН у людей, даже при обеспечении проведения необходимых измерений непосредственно в полостях носа.

При создании искусственной модели носа были рассмотрены другие модели. Основными недостатками ранее созданных моделей является добавление красящих веществ в исследуемую среду, а также использование газообразных, и жидких сред. Модели создавались для визуального фото- и видео- наблюдения за процессами массообмена в полости носа, поэтому воздух в них заменялся другою, видимою глазом средой. Замена воздуха другими средами приводит к нарушению действительных процессов, протекающих при дыхании в полостях носа. Характер движения исследуемой среды внутри модели зависит не только от формы модели, но и от вязких свойств самой среды. Поэтому при моделировании огромную роль играет соблюдение условий соответствия формы модели и физических свойств рабочей среды.

Модель состоит из двух основных, выполненных из пластика форм, имитирующих левую и правую половины носа. Между половинами модели носа имеется пластмассовая перегородка. На латеральной поверхности форм, в соответствии с анатомией носа были воссозданы раковины, разделяющие полость носа на четыре носовых хода. Восемь дополнительных пластиковых форм, соединенных посредством трубок с формами половинок носа, представляют парные гайморовы, лобные, клиновидные и решетчатые пазухи. Для создания миниатюрных ячеек решетчатого лабиринта (решетчатых пазух) использовалась гибкая пластиковая лента. Большие формы полости носа через тройник соединены с гофрированной трубкой, заменяющей трахею. Поток вдыхаемого и выдыхаемого воздуха формируется легкими человека, дышащего через гофрированную трубку ("трахею"). воздушный поток дыхательный давление

Парность форм, соответствие их натуральным размерам, наличие раковин и носовых пазух выгодно отличают модель от других. При необходимости модель можно легко разобрать и восстановить.

Другая отличительная особенность экспериментальной установки заключается в наличие сверхминиатюрных датчиков, позволяющих определять скорость воздушного потока в различных частях модели, не препятствуя движению воздушных струй. Для модели носа были выбраны те же датчики марки СТ1-18, что и для ринологического прибора, разработанного на кафедре теплофизики, что позволило провести тестирование модели, найти причинно-следственные связи между характером движения воздуха внутри полости носа в области его преддверия и заболеванием человека. Расположение датчиков внутри модели носа показано на схеме рис. 7.

Датчики снабжены выводами, соединенными с аналоговой схемой, которая в свою очередь подключена к АЦП (плата L154) и компьютеру. Программа, написанная на языке С, позволяет синхронно отображать показания датчиков на экране монитора в режиме реального времени. Одновременно производится запись результатов в файл.

Основное назначение модели - исследование процессов массообмена в полости носа. С этой целью были проведены две серии опытов, которые включали:

- моделирование дыхания здорового человека,

- моделирование учащенного дыхания, соответствующего заболеваниям легких,

- моделирование дыхания через одну ноздрю, возникающего в случае отека одной из половин носа.

На рис. 8. представлены показания датчиков в процессе экспериментальных исследований.

Рис. 7. Схема расположения датчиков внутри модели носа: 1 - в области преддверия носа, 2 - в области среднего носового хода, 3 - в области общего носового хода, 4 - в хоанах	Рис. 8. Показания термоанемометров внутри модели носа при моделировании дыхания здорового человека: 1 -в области преддверия модели носа; 2- в области хоан; 3, 4 - областях общего и среднего носового ходов

Было осуществлено частичное сравнение (рис. 9) этих данных с теми результатами, которые были получены при диагностике пациентов ринологическим прибором, разработанным на кафедре компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга. Установлено соответствие во внешнем характере, амплитуде и периоде измеренных сигналов, что позволило сделать вывод о соответствии модели носа полостям человеческого носа.

а	б

Рис. 9. Показания датчиков скорости в области преддверия носа:

а - внутри модели носа, б - внутри полости носа

Один из основных диагностических параметров, оценивающих состояние дыхания больного, является коэффициент носового сопротивления. В медицине коэффициент носового сопротивления является аналогом коэффициента гидравлического сопротивления в механике жидкостей и газов и определяется как отношение давления в полости носа или его перепада на входе и выходе из полости к объемной скорости воздушного потока.

В МАПО разработанным на кафедре КТФ и ЭМ ринологическим прибором соискателем проведены исследования конвективных процессов дыхания на 250-ти пациентах, как здоровых, так и с заболеваниями носа. Исследованы основные закономерности тепло- и массообмена, сопутствующие различным заболеваниям дыхания. При диагностике пациентов коэффициент носового сопротивления определялся как отношение величины давления к величине скорости воздушного потока в области преддверия носа. Полученные значения коэффициента достигали 200 для затрудненного дыхания, но в норме не превышали 50 .

Также был оценен коэффициент носового сопротивления внутри искусственной модели носа. Оказалось, что коэффициент носового сопротивления в области преддверия модели носа, при выбранном давлении 20 Па соответствует его величине для области преддверия носа человека. Его величина минимальна для нижнего и верхнего носовых ходов и максимальна в общем носовом ходе, где наблюдается турбулентное течение воздуха. Среднее значение коэффициента носового сопротивления для модели носа не превышает 45.

Основная задача любого научного исследования заключается в выявлении основных закономерностей изучаемых явлений с целью их описания и предсказания дальнейшего развития во времени. Эта задача решена в четвертой главе диссертации.

Реальные процессы часто носят хаотический, не упорядоченный характер. Детерминированный хаотический характер флуктуаций скорости внутри полостей носа человека и внутри модели носа может быть идентифицирован методами нелинейной динамики и спектрального анализа.

Метод заключается в реконструкции фазовой траектории наблюдаемых флуктуаций скорости воздушного потока в трехмерном фазовом пространстве, вычислении корреляционной размерности и энтропии и построении спектральной плотности мощности рассмотренных флуктуаций скорости.

При дыхании здорового человека четко наблюдаются верхняя и нижняя полочки колебаний, соответствующие вдоху и выдоху. На графике фазовой траектории здорового человека (или естественного дыхания для модели носа) эти области обозначены как 1 - для времени вдоха, и 2 - для времени выдоха. При наличии патологий дыхания, колебания верхней и нижней полочек сильно возрастают, так, что время вдоха и выдоха на рисунке становятся не различимы. На фазовой траектории в этом случае исчезают колебания в области, соответствующей времени вдоха, зато значительно возрастает их доля при выдохе и в переходной области (области 2 и 3). Также свидетельствует о затрудненности дыхания слишком большая величина верхней полочки области 1.

Закономерности поведения аттракторов обычно оценивают с помощью размерности и энтропии. Размерность определяет количество информации, необходимое для задания координат точки, принадлежащей аттрактору.

Корреляционную размерность [1] используют для определения размерности объектов, трудно поддающихся, или не поддающихся аналитическому описанию. Для аттракторов, построенных методом задержек по временным рядам, полученным в результате наблюдений, корреляционную размерность определяют через корреляционный интеграл. Корреляционный интеграл - есть вероятность того, что две точки на аттракторе лежат внутри ячейки размера или, другими словами, разделены дистанцией меньше, чем . , - число различных пар точек, разделенных дистанцией меньшей, чем , - полное число различных пар.

На практике корреляционный интеграл определяют:

, (1)

- радиус сферы, для которого определяется число точек , оказавшихся внутри сферы, - функция Хевисайда,

, (2)

- векторы из начала координат к точкам траектории с номерами , - число точек траектории. Тогда корреляционная размерность определяется выражением

. (3)

Энтропия Колмогорова - важнейшая характеристика хаотического движения в фазовом пространстве произвольной размерности. Она пропорциональна скорости потери информации диссипативной системой с течением времени. Ее оценкой является так называемая корреляционная энтропия [1]:

, (4)

которая выражается через корреляционный интеграл (1) для определенной размерности вложения n.

Произвольный процесс может быть описан либо в виде зависимости от времени , либо в зависимости от частоты , где , - частота, Гц. Эти два представления сигнала связаны друг с другом преобразованием Фурье, которое может быть определено, как:

. (5)

Частотную зависимость процесса оценивают с помощью спектральной плотности мощности (СПМ), которую определяют следующим образом:

. (6)

СПМ позволяет выявить основные частоты наблюдаемых в процессе колебаний.

Корреляционные размерность и энтропия были оценены для контрольной группы, состоящей из 30-ти больных, прошедших курс остеопатического лечения в МАПО, и для модели носа. В каждом случае проводился анализ спектральной составляющей процесса.

Методы нелинейной динамики и спектрального анализа позволили выявить следующие закономерности:

1. Была выявлена дробная величина корреляционной размерности, которая достаточно велика (превышает размерность 3) для различных случаев затрудненного дыхания.

2. Согласно данным, полученным для модели носа, корреляционная размерность здорового человека лежит в пределах .

3. Анализ корреляционной энтропии рис. 12 также выявил тенденцию к уменьшению энтропии в процессе проводимого лечения. Величина средней корреляционной энтропии лежит в пределах .

4. Анализ больных, прошедших курс остеопатического лечения выявил уменьшение в величине корреляционной размерности и уменьшение количества пиков на графике СПМ. Большое количество пиков на графике СПМ свидетельствует о значительной степени затрудненного дыхания.

5. На графике СПМ здорового человека и модели носа при моделировании естественного дыхания наблюдаются два основных пика. Пик, лежащий на низкой частоте, характеризует основной характер движения воздуха по дыхательной системе. Второй пик, лежащий на более высокой частоте, характеризует колебания воздуха при переходе от вдоха к выдоху и наоборот.

По графику спектральной плотности мощности напряжения измеренного сигнала температуры, скорости или давления можно выявить период респираторной функции, . Как правило, у здоровых людей он больше, у больных же он не только меньше, но и из-за сильной хаотизации процессов дыхания на графике флуктуации скорости может быть незаметен.

Графики взаимной спектральной плотности мощности и фазового сдвига для сигналов преддверие - общий ход, преддверие - средний ход, преддверие - хоаны позволили оценить среднюю скорость движения воздуха по каналам модели носа и время его движения. Полученные результаты представлены на схеме рис. 14. Из рис. 14 видно, что скорость воздушного потока внутри носовых ходов выше, чем его величина в хоанах. Время движения воздуха в среднем носовом ходе больше времени его движения в общем носовом ходе.

Рис. 14. Скорость движения воздуха и время его движения внутри носовых ходов

Заключение

Для изучения особенностей конвективных потоков внутри дыхательной системы человека проведены исследования флуктуаций скорости, давления и температуры воздушного потока в органах дыхания человека.

На основании этих исследований на кафедре КТФ и ЭМ СПбГУ ИТМО создан метод и, на его основе, макет прибора, позволяющий измерить температуру, скорость воздушного потока и давление внутри полостей носа без внесения серьезных искажений в воздушный поток. Практическое отсутствие искажений отличает его от существующих приборов и позволяет измерять динамические характеристики потока практически без искажений.

Прибор прошел пробную эксплуатацию в МАПО для ранней диагностики и уточнений характера заболеваний дыхательной системы.

Апробация разработанного соискателем метода и прибора была осуществлена более чем на 500 пациентах. Апробация выявила надежность и высокую эффективность прибора.

Для изучения характеристик воздушного течения в верхних дыхательных путях, автор разработал и построил действующую натурную модель полостей носа, полностью повторяющая их внутреннее анатомическое строение. Внутри различных частей модели методом термоанемометрии были измерены скорости воздушного потока. Полученные данные практически полностью совпали с теми значениями скорости воздушного потока, которые были получены ринологическим прибором при экспериментах на человеческом дыхании.

Были получены данные пульсаций температуры, скоростей воздушного потока и давления в дыхательных путях. Был оценен коэффициент носового сопротивления, который является аналогом коэффициента гидродинамического сопротивления, для модели носа и для больных прошедших курс лечения по поводу заболеваний носа.

Полученная информация по температуре, скорости воздушного потока и давлению позволила посмотреть на процесс дыхания как на диссипативный процесс, для которого были реконструированы аттракторы, найдены корреляционная размерность и энтропия, изучены спектральные составляющие временных зависимостей. Найденные величины легли в основу впервые предложенного метода, предназначенного для диагностирования дыхания и уточнения заболеваний носа.

Предложенный метод заключается:

• В измерении основных составляющих конвективного потока непосредственно в полостях носа человека.

• В реконструкции по измеренным переменным аттрактора методом временных задержек.

• В нахождении для реконструированных аттракторов корреляционной размерности и энтропии.

• В построении графика спектральной плотности мощности для исследуемой переменной, и его оценке.

• В построении сечения Пуанкаре и анализе его внешнего вида.

Восстановленный аттрактор здорового человека подобен клубку, намотанному на некоторую цилиндрическую поверхность, где в верхней и нижней его частях (соответствующих верхним пикам вдоха и выдоха) присутствуют высокочастотные колебания. Распространение колебаний на боковые поверхности аттрактора свидетельствует об усложнении конвективных процессов и, следовательно, о затруднении дыхания.

Корреляционная размерность здорового человека дробная и лежит в интервале 2<D2<3, для больного человека величина корреляционной размерности также дробная и превышает величину D2>3. Корреляционная энтропия положительна, меньше единицы, и лежит в пределах .

Значительная наглядность конвективных процессов достигается при применении методов Фурье-анализа и спектрального оценивания величин. Так дыханию здорового человека соответствуют два основных пика графика СПМ; при дыхании больного количество пиков возрастает, что свидетельствует о хаотизации процесса дыхания.

Хаотизацию дыхания можно также заметить при анализе сечения Пуанкаре, которое для здорового человека оказывается подобным сечению тора, а для больного принимает хаотичный вид.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение для совершенствования метода оценивания режимов потоков в нерегулярных каналах. В работе проведены измерения и анализ колебаний температуры, скорости и давления воздуха в нерегулярных каналах. Важным выводом проведенного исследования являются установленные зависимости, позволяющей судить о проходимости каналов по характеру колебания воздушного потока в нерегулярном канале.

Список используемой литературы

1. Г. Н. Лукьянов, А. А. Рассадина, О. А. Дранишникова, Е. В. Скирмандт, В. И. Усачев. Исследование тепло- и массообменных характеристик человеческого дыхания // Приборостроение, № 5, 2005. -С. 68-73.

2. Рассадина А. А. Оригинальная модель для исследования движения воздушных потоков внутри полости носа // Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов / Под ред. В. Л. Ткалич. Том 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004., С. 265-270.

3. Рассадина А. А., Лукьянов Г. Н., Усачев В. И. Натурная модель дыхательной системы человека // Вестник седьмой всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» / Под ред. Колтуновой Л. В. Таганрог: ТРТУ, 2004, С. 154-156.

4. Рассадина А. А. Оценка степени резистентности внутренней полости носа человека на натурной модели // Вестник II конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов / Под ред. В. Л. Ткалич. Том 2. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005., С. 175-178.

5. Comparison and the analysis of the processes of the movement of air through the human breathing system and its natural model / G. Lukyanov, A. Rassadina, V. Usachev // 2005 International Conference Physics and control Proceedings “PhysCon 2005”, IEEE Catalog Number : 05EX1099C, August 24-26, 2005, St. Petersburg, Russia, p. 872-875.

6. Лукьянов Г. Н., Рассадина А. А. Применение миниатюрных термисторов в качестве термоанемометров // Научно-технический вестник «Исследования в области физики и оптики», Вып. 18, СПб: СПбГУ ИТМО, 2005., С. 68-72.

7. Лукьянов Г. Н., Рассадина А. А., Усачев В. И. Определение состояния человека по характеристикам его дыхания // Научно-технический вестник «Исследования в области физики и оптики», Вып. 18, СПб: СПбГУ ИТМО, 2005., С. 73-77.

8. Рассадина А. А. Натурная модель для исследования дыхательной функции носа // Десятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых специалистов. Аннотации работ по грантам конкурса 2005 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2005., С. 56.

9. Рассадина А. А. Экспериментальные исследования хаотических процессов при движении воздуха в дыхательной системе // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 26. Исследования в области приборостроения. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 18-24.

10. Лукьянов Г. Н., Рассадина А. А. Выявление основных закономерностей хаотических процессов при дыхании // Подготовлено к публикации в сборнике «Вестник конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов»

Размещено на Allbest.ru