автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести

На правах рукописи

ооьиэи—

АКУЛОВ Владислав Алексеевич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМОЙ ИСКУССТВЕННОЙ СИЛОЙ ТЯЖЕСТИ

Специальность: 05. 11. 17 -Приборы, системы и изделия медицинского назначения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 я МАЙ 2013

Самара-2013

005058327

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Информационные технологии»

Научный консультант: Аншаков Геннадий Петрович

доктор технических наук, профессор, ФГУП «ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, заместитель генерального конструктора, Член-корреспондент РАН

Официальные оппоненты: Лебедев Валентин Витальевич

доктор технических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Научный геоинформационный центр РАН (НГИЦ РАН), г. Москва, директор, Член-корреспондент РАН

Истомина Татьяна Викторовна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия», г. Пенза, заведующая кафедрой «Информационные технологии и менеджмент в медицинских и биотехнических системах»

Прохоров Сергей Антонович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет», г. Самара, заведующий кафедрой информационных систем и технологий

Ведущая организация: ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия»

имени С.П. Королёва», г. Королёв, Московская область

Защита состоится « 30» мая 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 186.02 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Автореферат разослан «27» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальность диссертационной работы определяется возрастающей потребностью космической и восстановительной медицины в системах с управляемой искусственной силой тяжести (ИСТ), создаваемой центробежными машинами (центрифугами). В медицинских приложениях ИСТ формируется сложная система класса «человек — вращающаяся платформа», не имеющая аналогов в промышленности, обладающая специфическими внутренними связями и закономерностями функционирования. Космическая медицина имеет дело со здоровыми людьми. Её задачами являются обеспечение здоровья и работоспособности людей в условиях Космоса и послеполётная реабилитация. Восстановительная медицина (гравитационная терапия1) занимается проблемами здоровья качественно иной категории людей, которую образуют больные с различными патологиями (травмы, облитерации, возрастные изменения сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата). Несмотря на указанные различия, имеются веские аргументы к построению единого подхода к решению проблем, связанных с созданием, эксплуатацией и модернизацией медицинских систем с ИСТ наземного и космического применения. Основу таких аргументов составляют следующие факторы: а) в качестве генераторов ИСТ применяются центрифуги короткого радиуса действия (ЦКР); б) объектом воздействия является человек, и, следовательно, диапазон перегрузок строго ограничен; в) периодичность сеансов вращения, и, следовательно, решение задач по оптимизации процедур воздействия; г) многочисленность существующих и перспективных пользователей систем с ИСТ: лечебно-профилактические учреждения, поликлиники, реабилитационные отделения, специализированные реабилитационные центры, профильные санатории, военно-медицинские госпитали, центры подготовки космонавтов, экипажи перспективных космических аппаратов; д) необходимость в накоплении и обобщении знаний о состоянии человека в среде с ИСТ различной интенсивности; е) множественность целей в сочетании с малочисленностью средств управления: конструктор и врач располагают лишь двумя основными средствами воздействия — частотой и радиусом вращения, причём диапазон их изменения строго ограничен, особенно в космических приложениях; ж) резервы повышения эффективности сеансов воздействия следует искать в совершенствовании системы управления (принципы построения, схемы, алгоритмы); разработке информационных технологий (компьютерное моделирование, программные средства обработки информации); установлении скрытых механизмов функционирования жизненно важных систем человека в условиях ИСТ; целенаправленном использовании позитивных и минимизации влияния негативных механизмов; нахождении новых проектных решений самой центрифуги; з) обеспечение преемственности космических и наземных ЦКР.

Особой значимостью обладает общая для космической и восстановительной медицины задача создания информационного пространства состояний систем «человек - ЦКР» и его оснащение путеводителем (навигатором). Речь идёт о компьютерной модели, ориентированной на научно обоснованный поиск эффективных режимов вращения, обеспечивающих достижение многообразия целей, и нахождение границ, выход за пределы которых приводит либо к повреждающему воздействию со стороны ИСТ, либо к потере эффективности вследствие недостаточной

1 Под гравитационной терапией (ГТ) понимается физиотерапевтическое воздействие на организм человека управляемой центробежной силой, создаваемой короткорадиусной центрифугой, в направлении «голова - иоги».

интенсивности воздействия. Таким образом, ставится задача качественного перехода от методологии, базирующейся на экспериментах, к комплексной методологии, построенной на теоретико-экспериментальной основе с широким привлечением аналитических методов исследования и компьютерных технологий.

К числу актуальных проблем пилотируемой космонавтики относится физическое моделирование гравитации Земли, Марса и Луны в условиях околоземного орбитального полёта, например на Международной космической станции. Такое моделирование необходимо для отбора и тренировок экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, и создания нового поколения методик медицинского обеспечения сверхдлительных орбитальных полётов и межпланетных миссий. Однако эти проблемы не решены в связи с отсутствием прогностической и управляющей информации, необходимой для создания и эксплуатации бортовых ЦКР, которая, в свою очередь, обусловлена отсутствием методологии оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести (ЕСТ).

Другим источником ИСТ может служить закрутка космического аппарата (КА) вокруг центра масс (идея К. Э. Циолковского о «вращающемся жилище»), В связи с этим представляется целесообразным исследование кинематики и динамики систем «экипаж - КА с закруткой», причём с учётом опытных данных, накопленных пилотируемой космонавтикой в длительных полётах с выполнением выходов в открытый космос и погрузочно-разгрузочных работ.

В 2011 году был успешно завершён уникальный эксперимент «Марс-500», в котором моделировались условия межпланетной миссии. Однако воспроизвести один из основных факторов полёта, каковым является пониженная гравитация на поверхности планеты, не удалось. Основная причина - отсутствие соответствующего оборудования (наземных стендов), действующего на фоне земной гравитации, превосходящей по напряжённости марсианскую в 2,5 раза.

Таким образом, состояние проблемы характеризуется следующим. Отсутствует единая методология построения и эксплуатации медицинских систем с ИСТ наземного и космического применения, определяющая конструкцию, схемы управления и методы обработки информации. Отсутствует опыт проектирования и эксплуатации в космических полётах полноразмерных ЦКР. Между тем задачи целе-полагания должны решаться на самых ранних этапах выполнения наукоёмких проектов. При разработке методик космической и восстановительной медицины преобладает эмпирический подход. Компьютерное моделирование систем «человек -ЦКР», построенное на основе аналитических методов, означающее переход к теоретико-экспериментальному подходу, применяется в недостаточной степени. Это придаёт особую актуальность проблеме разработки методологии анализа и синтеза генераторов ИСТ на основе системного подхода, применения методов моделирования в задачах прогноза и поиска решений, направленных на повышение их эффективности

Объекты исследований:

- сложные мехатронные системы медицинского назначения класса «Протяжённые объекты воздействия — центрифуги короткого радиуса» (ЦКР);

- сложная система «Экипаж - космический аппарат с постоянной закруткой».

Цель исследований: разработка на основе новых медицинских технологий методологии анализа и синтеза высокоэффективных медицинских систем с искусственной силой тяжести космического и наземного базирования, предназначенных для профилактики и лечения заболеваний человека, обусловленных поражающим действием невесомости, травм и ишемий, для выполнения биомедицинских экспериментов, прогноза состояний, обеспечения параметрической безопасности человека во вращающейся среде на ранних этапах проектирования за счёт конструкции, информационных технологий и схем управления. Основные задачи и направления исследовании

1. Анализ и систематизация закономерностей функционирования и внутренних связей сложных технических систем класса «Вращающиеся платформы естественного и искусственного происхождения - протяжённые объекты». Построение их формализованных описаний.

2. Разработка методологии оценки адекватности искусственной и естественной силы тяжести применительно к протяжённым объектам воздействия.

3. Разработка принципов построения многоуровневых, многоканальных систем управления и поддержки принятия решений.

4. Компьютерное моделирование сложных систем класса «Человек - вращающиеся платформы» для повышения эффективности космической и восстановительной медицины.

4.1 .Адаптация моделей и критериев адекватности к специфике систем «Человек — вращающиеся платформы».

4.2.Разработка проблемно-ориентированного программного комплекса на основе адаптированных моделей с построением пространства состояний систем.

4.3.Прикладные исследования биомедицинских систем на режимах физического моделирования гравитации планет и их спутников.

4.4.Прикладные исследования скрытых механизмов функционирования биомедицинских объектов в условиях вращения.

4.5.Моделирование сеансов гравитационной терапии.

4.6.Разработка алгоритмов обработки нестационарных сигналов на основе ап-проксимационных моделей и методов многомерного анализа.

4.7.Моделирование кинематики и динамики систем «Экипаж — космический аппарат с постоянной закруткой» с учётом реальных данных пилотируемой космонавтики и медицины.

5. Разработка научно-методологических основ проектирования и эксплуатации специализированных стендов, предназначенных для биомедицинских экспериментов с длительным моделированием гравитации Марса и Луны в наземных условиях.

6. Выработка научно обоснованных рекомендаций по обеспечению высокой эффективности и параметрической безопасности биомедицинских объектов в системах с искусственной силой тяжести наземного и космического применения за счёт конструкции системы и информационных технологий управления.

Методы исследований. В работе применены методы системного анализа; теории автоматического управления; аналитической механики; дифференциального и интегрального исчисления; одно- и многомерного анализа; математического и ком-

пьютерного моделирования с функциями описания, объяснения и прогноза; приёмы когнитивной графики; элементы теории множеств, непараметрического и регрессионного анализа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методология оценки адекватности воздействий искусственной и естественной сил тяжести в интегральной и локальной постановках.

2. Концепция, структура и алгоритмические основы системы управления и поддержки принятия решений, ориентированной на применение в перспективных медицинских системах с искусственной силой тяжести в условиях Земли и Космоса.

3. Научно-методологические основы проектирования и эксплуатации специализированных стендов, предназначенных для биомедицинских экспериментов по моделированию в наземных условиях пониженных уровней гравитации с применением качающихся и неподвижных наклонных плоскостей.

4. Концепция мультигравитационного моделирования в системах «Экипаж - космический аппарат с закруткой».

5. Методология обработки и сравнительного анализа нестационарных процессов в системе кровообращения на основе аппроксимации, непараметрических и многомерных методов анализа и распознавания образов.

6. Поливариантность отклика периферической системы кровообращения человека по отношению к направлению вращения вследствие эффекта асимметричных осцилляции сосудов, обусловленных действием нестационарного кориолисова ускорения.

Научная новизна

1. Методология оценки адекватности искусственной и естественной силы тяжести, отличающаяся переходом от баланса перегрузок к системным связям в форме закономерностей распределения жидких сред и силового взаимодействия на поверхности контакта с платформой. Это позволяет создавать новое поколение систем с искусственной силой тяжести, обладающее заранее заданными свойствами, определяемыми задачами космической и восстановительной медицины, осуществлять синтез систем управления и разрабатывать модели объектов.

2. Критерии адекватности реакций, обусловленных действием искусственной и естественной сил тяжести, основанные на сопоставлении приращений потенциальной энергии жидкости, заключённой в протяжённом объекте воздействий. Это позволяет решить задачи математического и физического моделирования гравитации планет и их спутников, синтеза системы управления, направленного поиска оптимизированных циклограмм лечебно-профилактических процедур, разработки методов активного устранения фактора невесомости и нового поколения методик подготовки экипажей к сверхдлительным полётам и межпланетным миссиям.

3. Методология синтеза системы управления и поддержки принятия решений, отличающаяся применением обобщённых алгоритмов управления, встроенных аналитических решений в форме моделей системных связей и двухканалыюй

схемы управления. В предлагаемой схеме осуществляется автономное воздействие на процессы распределения жидких сред в объекте посредством изменения частоты вращения и на значение искусственной силы тяжести за счёт балластов и механических устройств, создающих управляемое усилие (натяжите-лей). Это позволяет повысить эффективность и безопасность короткорадиус-ных центрифуг как многофункциональных технических средств врача космической и восстановительной медицины.

4. Механизм функционирования систем класса «Человек - короткорадиусные центрифуги», названный автором «асимметричными осцилляциями сосудов», обусловленный суперпозицией двух ускорений: центробежного и нестационарного кориолисова, возникающего в системе кровообращения при вращении. Это позволяет повысить эффективность ЦКР как инструмента врача космической и восстановительной медицины.

5. Математические модели стендов, обеспечивающих длительное, многосуточное моделирование гипогравитации в наземных условиях, отличающиеся применением эффекта разложения сил, осуществляемого неподвижной или качающейся наклонной плоскостью (наклонные стенды). Установлены проектные параметры, позволяющие реализовать наиболее простой по конструкции и технологии испытаний вариант, исключающий режим качания. Это позволяет создавать и применять наклонные стенды в медицинских экспериментах типа «Марс-500» и при подготовке космонавтов к осуществлению межпланетных миссий (Луна, Марс).

6. Способ одновременного моделирования гравитации планет, их спутников и невесомости на борту космических аппаратов с постоянной закруткой, названный мультигравитационным моделированием и отличающийся использованием неоднородности поля центростремительных сил. Это позволяет проектировать аппараты указанного класса и даёт возможность их применения в качестве уникальных космических лабораторий, обеспечивающих отбор и тренировки экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, включая межпланетные экспедиции.

7. Методология обработки результатов измерения параметров нестационарного кровотока, основанная на преобразовании сигналов в векторную модель малой размерности с последующим одно- и многомерным анализом параметров модели. Это позволяет применить упрощённые методы автоматизированного распознавания образов к оценке различий динамических процессов, обусловленных воздействием гравитационных полей различной интенсивности; выполнить более детальную классификацию систем «Человек — платформы»; увеличить объём информации, необходимой для выявления скрытых механизмов функционирования системы кровообращения и построения нового поколения её моделей. Практическая значимость

1. Применение методологии анализа и синтеза систем с ИСТ позволяет:

• сократить сроки и стоимость работ их создания и ввода в эксплуатацию;

• обеспечить заранее заданные свойства, определяемые проблемами космической и восстановительной медицины; • придать новое качество методологии подготовки и проведения лечебно-профилактических процедур и экспериментов

за счёт аналитических методов, когнитивной графики и алгоритмов управления, преобразуя методологию из категории экспериментально-клинической в теоретико-экспериментально-клиническую; • выявлять скрытые механизмы функционирования систем «человек — вращающаяся платформа»; • группировать факторы воздействия на позитивные и негативные; • повышать эффективность восстановительной медицины за счёт целенаправленного использования позитивных факторов и управления эквивалентными точками, в которых за счёт ИСТ восстанавливается артериальное давление до уровня, соответствующего норме; • снижать последствия негативных факторов; • формулировать направления дальнейших медико-технических исследований; • повышать качество обучения студентов медицинских и технических ВУЗов.

2. Применение методологии оценки адекватности ИСТ и ЕСТ позволяет выработать прогностическую и управляющую информацию, необходимую для подготовки и осуществления экспериментов по имитации гравитации Луны и Марса в условиях орбитального полёта. Эксперименты не имеют ближайших аналогов, предназначены для построения нового поколения систем медицинского обеспечения пилотируемой космонавтики, отбора и тренировок экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, повышения статуса РФ как космической державы.

3. Применение математических моделей наклонных стендов позволяет создать биомедицинское оборудование, обеспечивающее длительную имитацию гравитации планет при проведении наземных экспериментов типа «Марс-500», необходимых для отбора и тренировок членов экипажей межпланетных миссий.

4. Применение способа мультигравитационного моделирования позволяет осуществить одновременную и длительную имитацию гравитации Земли, Луны, Марса и невесомости, что превращает космический аппарат с постоянной закруткой в не имеющую аналогов уникальную лабораторию.

5. Применение разработанных методов моделирования позволяет обеспечить повышение эффективности медицинских систем с ИСТ за счёт оригинальных алгоритмов управления, информационных технологий и конструктивных решений. Реализация результатов работы. Результаты работы применены в учреждениях

практической, экспериментальной медицины и учебном процессе медицинских и технических ВУЗов: ФГУ Управления делами Президента РФ санаторий «Волжский утёс»; НУЗ «Дорожная клиническая больница на ст. Самара»; отделение гравитационной терапии клиник Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ); кафедра хирургических болезней № 1 СамГМУ; Самарский государственный технический университет; Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, указанных в списке публикаций.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано 46 статьях и докладах, включая монографию (издательство «Машиностроение» г. Москва, 2011 г.), 17 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций. Без соавторов написана 41 статья.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (242 наименования), изложенных на 307 страницах, имеет 58 рисунков, 62 таблицы и 21 приложение.

Краткое содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные направления исследований, выбраны объекты и предмет исследований, охарактеризована научная новизна и практическая значимость результатов, выделены основные положения, выносимые на защиту, приведён краткий обзор структуры и содержания диссертации, сведения об апробации.

ГЛАВА 1 содержит структурно-функциональный анализ и систематизацию центробежных машин (ЦбМ), созданных за последние десятилетия. Выполнена их группировка по функциональному признаку, определяющему конструкцию, схемы управления и режимы эксплуатации. Наиболее представительную группу образуют промышленные ЦбМ, которые применяются для разделения компонентов методами центрифугирования (фильтрация и осаждение). Значительный вклад в развитие теоретических основ центрифугирования внесли В.И. Соколов, М.А. Горц, Е.М. Гольдин, B.C. Каменсков, Д.Е. Шкоропад, В.А. Карамзин, Г.А. Кук, H.H. Цюрупа, Г.М. Чергентов, С.М. Ambler, Н.Р. Greenspan, Н.С. Zurrer и др.

Особую группу образуют ротационные стенды, основное назначение которых состоит «в испытаниях и градуировках изделий в поле нормированных скоростей и ускорений». Выдающийся вклад в развитие этого направления внесли специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета и Всесоюзного научно-исследовательского института машиностроения им. Д.И. Менделеева: Г.А. Смирнов, А.Н.Евграфов, А.Н.Попов, В.И. Каразии, И.О. Хлебосолов, Г.П.Голованов, С.П. Кафанов и др. Работы указанных авторов отличаются эффективным применением функциональной схемы «ИСТ - ИСТ». В общей сложности создано более 50-ти стендов, но, как и в случае промышленных ЦбМ, сеансы вращения человека и моделирование естественной силы тяжести на них не предусматривались.

В Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина применяется центрифуга среднего радиуса (18 м). Она предназначена для научных исследований, отбора и тренировок космонавтов. Аналогичная по назначению, но менее мощная ЦбМ установлена в Научно-исследовательском испытательном институте военной медицины министерства обороны. Отметим, что подобного класса машины являются наземными стендами для решения задач пилотируемой космонавтики, в основном по проблемам гипергравитации. Что касается опыта разработки и применения ЦбМ в космических полётах, то он ограничен исследованиями, выполненными в 70-е годы XX века на спутниках «Космос - 782», «Космос - 936». Спутники были оснащены сверпортативными центрифугами радиуса 0,4 м, внутри которых помещались мелкие млекопитающие. «Полученные данные впервые дали экспериментальные основания рассматривать ИСТ в качестве эффективного средства, заменяющего земную тяжесть» (А.Р. Котовская и др.).

Ближайшим аналогом полноразмерных ЦбМ космического применения является ЦКР, созданная в Институте медико-биологических проблем (ИМБП РАН) в 70-е годы XX века (Е.Б. Шульженко, Д.К. Ширяев, Б.А. Адамович и др.). Благодаря высокой квалификации специалистов института (А.Р. Котовская, A.A. Шипов,

Е.А. Ильин, А.И. Григорьев и др.) удалось эмпирическим путем подобрать режимы вращения, моделирующие гравитацию Земли. Однако такой подход оказывается недостаточным при моделировании гравитации Луны и Марса. В настоящее время исследования с использованием ЦКР выполняются в России, США, Японии, Китае, странах, входящих в ESA. Несмотря на значительный объём выполненных исследований, «все проведенные работы следует рассматривать как предварительные» (А.Р. Котовская, ИМБП РАН).

Другим приложением ИСТ, которое успешно развивается в Самарском государственном медицинском университете под руководством академика РАМН Г.П. Котельникова, является гравитационная терапия (ГТ). В отличие от космической медицины, восстанавливающее действие ИСТ используется для лечения больных с различными формами ишемий. В силу ряда причин оба приложения ИСТ развиваются независимо друг от друга. Между тем имеются веские основания к разработке единого подхода к проектированию систем с заранее заданными свойствами, совершенствованию управляющих систем, информационному обеспечению сеансов вращения, подготовке и осуществлению медицинских экспериментов, научно обоснованному поиску рациональных режимов вращения, взаимному обогащению опыта применения ИСТ.

ГЛАВА II посвящена построению моделей сложных систем в условиях естественной и искусственной сил тяжести. Выполнен их структурно-функциональный анализ. Под естественной силой тяжести (ЕСТ), которая является объектом моделирования, понимаются векторы силы/; =mg,, приложенные к телу массой т, находящемуся на поверхности Земли, Луны и Марса. Пренебрегая малыми изменениями напряжённостей гравитационного поля (g: ) по широте и высоте над поверхностью (h), приходим к схеме однородных векторных полей, структура которых в плоскости безразмерных параметров (z/h;+Gz) изображается семейством горизонталей (рис. 2.1).

Здесь+GZ- перегрузка вдоль продольной оси oz с началом в точке h и направленной вертикально вниз.

Изображением невесомости служит отрезок [0, 1] оси абсцисс, а перегрузок, создаваемых ЦКР (ИСТ), - пучок наклонных, проходящих через начало координат, которые определяются выражением

+ G2=(a2z/g. (2.1)

Здесь со — угловая скорость вращения, z - текущий радиус ЦКР.

Оценивая поля ЕСТ и ИСТ с позиций адекватности, приходим к следующим заключениям. 1. Баланс перегрузок достигается только в точках пересечения горизонталей и наклонных, вследствие чего адекватность является весьма условной (точечной). 2. В случае протяженных объектов (ПО), размеры которых (И) соизме-

- 10-

римы с радиусом ЦКР, а к ним относится человек, возникают неопределённости с местом приложения перегрузок (=/И) и с их значением ( + С?2). 3. Существующий подход к оценке адекватности по балансу перегрузок в случае ПО становится недостаточным. В качестве выхода из создавшегося затруднения предлагается оценка адекватности по состоянию объектов воздействия, а не по балансу перегрузок. Решение задачи состоит в системном анализе объектов «ПО — вращающиеся платформы».

Оценка состояний протяжённых объектов воздействия. Основными факторами, определяющими состояние ПО, являются внутриобъектовое распределение жидких сред и значение центробежной силы (акад. А.И. Григорьев, проф. А.Р. Котовская и др.). Для количественной оценки первого фактора применены законы распределения гидростатического (2.2) и инерционного (2.3) давления, возникающего во внутриобъектовых трактах при вращении на ЦКР:

Лр = рРа(г-7?Д (2.2)

Др = р го2(г2 - Л(2) /2. (2.3)

Здесь р - плотность жидкости; |3 - перегрузка на поверхности планет

— ускорение свободного падения у поверхности /-той планеты; Я, - координата начального сечения гидравлического тракта, Д, <г<А.

Отметим, что соотношения (2.2) и (2.3) отличаются простотой и наглядностью, являясь индикаторами состояний, которые учитывают значительное число факторов, относящихся как к объектам воздействия, так и к вращающимся платформам.

Применим к (2.2) и (2.3) процедуры свёртки в форме площадей фигур, образованных распределениями Др (рис. 2.2). Для распределения (2.2) свёртка представляет собой площадь треугольника

^рр^й-^)2, (2.4) размерность которой [8}=[КПам].

Как следует из (2.4), 5"] представляет собой потенциальную энергию столба жидкости единичного поперечного сечения и высотой (А-Л,), обусловленную действием ЕСТ (Земля, Луна, Марс). Это обстоятельство позволяет принять 5") в качестве метрики.

Свёртка распределения инерционного давления (площадь под кривой (2.3), заливка на рис. 2.2) имеет вид: ^рю2 2 2 Р®2 -3 2 ! или

52-Щ ¥г=—(—-¡к -)(

ю * 1 * щ

52=ро52(/г3 -Л,2(3/1-2Я|))/6. (2.5)

АР. КПя

Рисунок 2.2 - Типовые распределения гидростатического (♦ ) и инерционного (К) давлений

Что касается центробежной силы как второго фактора, определяющего состояние объекта воздействия (ПО), то она имеет вид:

<2.6)

g- Jy(r)co2zdz.

г\

Здесь zl, z2 - координата начального и конечного сечения ПО (радиусы), у(-)- линейная плотность массы: у(г)= lim (Дт/Лг)

Az—>0

Отметим следующие закономерности состояний систем с ИСТ: • качественные отличия распределений АР в условиях ЕСТ и ИСТ неизбежны; • S2 - энергетическая характеристика потока от ЦКР к ПО; • обладают высокой чувствительностью S2 к вариациям h и ю: S2 ~ А3, S2 ~ о)2; • состояния систем «1ДКР - ПО» управляемы, что позволяет целенаправленно изменять степень соответствия / рассогласований между ИСТ и ЕСТ; • для оценки степени соответствия / рассогласований ИСТ и ЕСТ необходимы критерии адекватности, поскольку точечный подход недостаточен.

Критерии адекватности ИСТ и ЕСТ построены на принципе баланса / рассогласования двух потоков энергии, направленных к ПО, соответственно, от ЕСТ и от ИСТ (ЦКР):

Моо%.

^--А.100%. (2-7)

Критерий (2.7) определяет три качественно различные состояния систем с ИСТ.

1) Если 5 = 0, то имеет место энергетический баланс между ИСТ и ЕСТ, а, следовательно, отличия минимальны (адекватность); 2) Если 5 > 0, то ЦКР сообщает ПО энергии больше, чем ЕСТ (гипергравитация); 3) Если 5 < 0, то преобладает энергия от ЕСТ (гипогравитация).

Интегральная форма критерия (2.7) следует из подстановки (2.4) и (2.5) в (2.7):

5 (2.8) 'зрг; (А-Л,)2

Полагая в (2.8) = 0, р - 1, получим:

5 = /3—1)100% (2.9)

Следовательно, традиционная (точечная) оценка по + Ог (2.1) является частным случаем 6.

Локальная форма критерия. Запишем (2.7) применительно к фрагменту тракта, расположенному на отрезке [-,,г2], где Л, <-1 <г2 < Ь:

(2.10)

Критерии (2.8), (2.10) выполняют следующие функции: • осуществляют состояние системы «ЦКР - ПО»; • служат оценкой адекватности ИСТ и ЕСТ с системных позиций; • устраняют неопределенности, обусловленные неоднородностью поля ЦКР; • распространяются на разнообразие форм ЕСТ: Земля, Луна, Марс, Фобос и определяют перегрузки; • не зависят от рода внутриобъектовой жидкости; • обобщают традиционную оценку по перегрузке; • осуществляют однозначное разграничение режимов гипо- и гипергравитации.

Методология и результаты верификации 5-критерия. Задача заключается в доказательствах того, что распределение инерционного давления (АР(5)) по радиусу г, полученное при 5 = 0, является наилучшим из числа возможных приближением к распределению гидростатического давления по продольной координате (эталон), обусловленного ЕСТ (А/'г.стат.Земля). Методологически верификация построена в виде серии доказательств, сочетающих в себе теоретико-множественный подход и целенаправленные эксперименты. Исследования включали в себя пять этапов. 1. Анализ мер по обеспечению достоверности 5-критерия при его разработке. 2. Непараметрический анализ распределений гидростатического и инерционного давления. 3. Регрессионный анализ распределений давления. 4. Компьютерное моделирование типовых для космической и восстановительной медицины сеансов вращения человека на ЦКР. 5. Разработка и выполнение медико-технических экспериментов на ЦКР по проверке расчётных данных и эффекта локомоции, выявленного при компьютерном моделировании.

Этап 1. Для обеспечения достоверности были предприняты следующие меры:

• корректная постановка задачи; • обоснованный выбор параметров состояний протяжённых объектов; • в основу критерия положены фундаментальные положения аналитической механики и интегрального исчисления; • установлены источники различий ИСТ и ЕСТ, главный из которых - неоднородность поля ИСТ;

* получены соотношения, позволяющие оценить степень различий ИСТ и ЕСТ, управлять этими различиями, и, что особенно важно, обеспечить их минимизацию.

Этап 2. Непараметрический анализ распределений давления предусматривал исследования в следующем объёме: • два критерия согласия: х2 и знаков; • два поддиапазона управления по параметру 5, соответствующих гипогравитации и умеренной гипергравитации, расположенных симметрично относительно номинального режима (6 = 0); • два шага дискретизации по координате г (радиусу ротора ЦКР) существенно (в два раза) отличающихся по значению; • две моделируемые планеты (Земля, Марс). В результате адаптации критерия у_2 к специфике решаемых задач получены шесть процедур, которые сводятся к нахождению минимума функции (2.11), который, в свою очередь, определяет распределение, обладающего минимальными отличиями от эталонного из числа анализируемых.

(АР'г-статЗемля-ЬР^Ъ))2 (2-11)

,,[ АР^.статЗемля

Исследованы восемнадцать режимов моделирования земной гравитации, отличающихся значениями 5, расположенных в диапазоне [-25 %, + 25 %], и шагом дискретизации по координате г (рис. 2.3, табл. 2.1), и девяти разновидностей моделей марсианской гравитации. Наиболее важные результаты исследований состоят в следующем: а) подтверждено, что при 5 = 0 различия ИСТ и ЕСТ (Земля) минимальны; б) подтверждение носит как качественный, так и количественный характер; в) подтверждение носит независимый характер, поскольку критерии х2 и 5 построены на различных принципах; г) установлена невысокая чувствительность значений х2 к вариациям п в окрестности режима 5 = 0, что важно с точки зрения управления ЦКР; д) предлагаемый критерий осуществляет однозначное

«к 7. }

N

// //

| 1

-25 -70 -13 -1Э -5 0 5 Ю 13 20 _ 25

О, VQ

—*—j-nssflpj-r tüz=O.OSM) —в— л-ксадрот м) —п/пнок

Рисунок 2.3 - Зависимость относительных значений X и й от 5. Объект моделирования: ЕСТ Земли

разграничение режимов гипо- и гипергравитации; е) трактовка результатов не-иараметрического анализа понятна медицинскому персоналу.

Аналогичные результаты получены при анализе моделей гравитации Марса. Их значимость определяется тем, что напряжённости гравитационных полей Земли и Марса отличаются в 2,5 раза, что, во-первых, весьма существенно, а во-вторых, свидетельствует о широте диапазона доказательной базы.

Таблица 2.1 - Типовые зависимости относительных значений х ■ и от 3. Объект моделирования: ЕСТ Земли

М»

7

8

S, %

-25

-15

-10

О

10

15

25

X (AZ=0,1M)

2,55

1,54

1,24

1,07

1 Kl

1,06

1,25

1.56

2.52

(Az=0,05M)

2,71

1,69

1,34

1,10

1.0(1

1.01

1,15

1,42

2,36

0,87 0,92 0,95 0:

1,00

1,03 1,05 1,07 1,12

Уровень воздействия

Гипогравитация

.Мишдаул; отличий

Гипергравитация

Примечание. За единицу приняты значения, соответствующие min {% }. Соответствующий столбец выделен заливкой, п - частота вращения [об/мин].

Что касается верификации критерия на основе критерия знаков, то в области гипогравитации и на номинальных режимах (5 = 0) получено подтверждение достоверности предлагаемого критерия. Однако в области умеренной гипергравитации критерий проявил свои недостатки (не учитываются значения отклонений) и утратил эффективность.

Этап 3. Регрессионный анализ распределений выявил следующие закономерности. 1. В относительно широком диапазоне управления (5 е [-15 %; +15 %]) вариации углов наклона линий регрессий (а) не превышают по значению 1,5°, что в пересчёте в относительные единицы составляет менее 2 % (для Земли а = 84° 11').

2. Указанная стабильность свидетельствует о существовании тесной связи между

всеми парами распределений, обусловленными как ЕСТ, так и ИСТ. 3. На ЦКР в среднем моделируется скорость приращения давления, обусловленная земной гравитацией, что в определённой степени объясняет положительный эффект ИСТ.

4. Наилучшее приближение к норме по приращению давления обеспечивает режим гипогравитации 8 = - 15 % (а = 84°16').

Таким образом, положительные результаты, полученные при использовании теоретико-множественного подхода; значительный объём проведённых исследований, выполненных с вариациями исходных данных в широких пределах; разнообразие методов и объектов моделирования служат убедительным доказательством достоверности 8-критерия при решении задач сходства / различий ИСТ и ЕСТ. Что касается этапов 4,5, то они представлены в главе IV.

ГЛАВА Ш посвящена синтезу системы управления и поддержки принятия решений для ЦКР медицинского назначения. Необходимость в подобном синтезе определяется спецификой перехода от точечных объектов воздействия к ПО, который сопровождается образованием систем «ПО - ЦКР». Существенно усложняются процессы управления, что обусловлено многообразием задач целеполагания, необходимостью выработки управляющей информации и последующей настройки СУ под параметры конкретного ПО. Эти факторы свидетельствуют о целесообразности решения двух задач. Первая из них состоит в построении информационно-аналитической системы (ИАС), осуществляющей прогнозирование состояний объектов, расчет индивидуализированных режимов испытаний, обеспечивающих достижение целей и предотвращение опасных состояний объектов (параметрическая безопасность). Вторая задача заключается в объединении ИАС и СУ в единую систему управления и поддержки принятия решений (СУППР).

Принципы построения СУППР. • Обеспечение многофункциональности для множества ПО в условиях множества состояний (кортеж (6,2)) с малочисленными элементами управления (со). • Разработка и применение специализированных сценариев управляемого воздействия на множество ПО (кортеж (5,0)). • Разрешение противоречий в двухпараметрических задачах: устранение ¿-неуправляемости.

• Упрощение процедур управления за счёт обобщённых алгоритмов. • Обеспечение параметрической безопасности объектов воздействия.

Обобщённые алгоритмы прогноза и управления представляют собой некоторый их ограниченный перечень (табл. 3.1, 3.2), который в сочетании с традиционными алгоритмами обеспечивает решение задач целеполагания (многофункциональность).

Таблица 3.1 - Целевые функции прогноза состояний объектов воздействия

№ Целевая функция Математическая модель

1 Повышение давления жидкости, обусловленное ИСТ Ар = рш2(г2 - Л)2)/2. (23)

2 +С, - распределение перегрузок но радиусу 1ЦСР + Ог=м2г/£. (2-1)

3 8 - критерий в интегральной форме ог _ (2.8) (А-Я,)2

4 5 — критерий в локальной форме 5 (2-10) ЗгР 22+г,-2Я,

5 Центробежная сила, приложенная к неоднородному элементу 22 е=[у(2)ог2<й. (2.6) 21

Обратные задачи моделирования состояний протяжённых объектов необходимы для преобразования исходных данных в управляющую информацию. Они заключаются в определении индивидуализированных режимов вращений, обеспечивающих заданные значения следующих целевых функций: • 6 в интегральной и локальной формах (табл. 3.2, формулы (2.12), (2.13); • перегрузка Сг (2.14); • приращение инерционного давления Др, в произвольном сечении г, (2.15); • сила Q (2.16). Они являются обратными по отношению к задачам, представленным в табл. 3.1, что и определило их название.

Таблица 3.2 —Алгоритмы управления в обратных однопараметрических задачах

Наименование задач Целевые функции Частота вращения щ, с'1

Обр! интегральная Обр2 Jформа 5 = 0 8*0 -Я,2(ЗА-2Л,)

ОбрЗ локальная Обр4 J форма 5жж = 0 Злое* 0 о + ЗгР(г,+г1-2Я1Х0,018„ + 1) (2.13)

ОбрЗ о G=±jG2-g/r (¿-14)

Обрб ДPi

Обр7 Q = ßP а=± Jo/'/rMzA (2Л6) II 11

Обр8

В соответствии с концепцией СУППР был выполнен теоретико-множественный анализ сценариев управления. Проанализированы три сценария.

I. Ручное управление с привлечением сенсорных систем человека. II. Автоматическое управление на основе моделей искусственной силы тяжести протяжённых объектов. III. Косвенное управление вращением по результатам измерения центробежной силы Q. К реализации рекомендован сценарий III, как наиболее полно удовлетворяющий требованию многофункциональности.

Структурная схема СУППР. Система выполняется по двухуровневой схеме (рис. 3.1). СУППР объединяет в себе три функциональных компонента: физическое моделирование (уровень I); математическое моделирование, обеспечивающее уровень I исходными данными и информационную поддержку принятия решений (уровень II). Структура, обозначенная как уровень И, представляет собой информационно-аналитическую систему (ИАС), в которой расчёты, связанные с прогнозом состояний ПО (табл. 3.1), выполняются в блоке 3.1.

Преобразование исходных данных в управляющую информацию по алгоритмам, представленным в табл. 3.2, осуществляется в блоке 3.2. Итерационные режимы функционирования ИАС, необходимые для планирования экспериментов, прогноза состояний объектов воздействия и предотвращения опасных состояний (параметрическая безопасность), обеспечиваются обратными связями (ОС2 - ОСЗ).

Решение о проведении испытания или коррекции программы принимается системой поддержки принятия решений (блок 4). Канал обратной связи ОС1 служит для передачи управляющей информации от ИАС в СУ и объединения их в единую систему СУППР.

Рисунок 3.1 - Структурная схема СУППР. Уровень 11 (ИАС) является инновационным

Двупараметрические задачи. Проблема Z-yпpaвляeмocти. Традиционная одноканальная схема управления ЦКР, основанная на стабилизации заданного значения и, накладывает ограничения на пространство состояний объектов воздействия С=<5,0, что существенно снижает эффективность ЦКР как технического средства для научных исследований и устранения фактора невесомости. Пусть планируется эксперимент с целью получения состояний ПО в виде кортежа С = (5=Д, б=£?з)> где Л и С!3 ~ заданные исследователем значения. Решая задачу, получим различные значения со (табл. 3.2). Следовательно: Дпб,= 0 => ситуация 7-неупрапляемости. Для её устранения синтезирована двухканальная схема управления (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Структура двухканальной системы управления ЦКР. ИП — измерители-преобразователи

В отличие от традиционной схемы управления значением перегрузки на периферийном радиусе (+GZ) в предлагаемой схеме канал (<а)' воздействует на распределение внутриобъектовых жидких сред (алгоритмы (3.11), (3.12)). Второй канал управляет значением ЦБ силы Q, формируя корректирующее усилие ДQ. Предлагаются две схемы формирования ДQ с применением устройств механического воздействия (УМВ): • установка балластов (Am), изменяющих у(г) ((2.6) в табл. 3.1);

• применение натяжителей по сценарию III. Для удобства восприятия инновационные элементы выделены контурной линией (рис. 3.2).

В ГЛАВЕ IV демонстрируются возможности и применения разработанной ИАС для решения следующих задач: • моделирования гравитации Земли, Луны и Марса с применением элементов когнитивной графики; • объяснения экспериментально установленных фактов (явление петехий и эффект асимметричных осцил-ляций кровеносных сосудов); • использования в сеансах гравитационной терапии;

• измерения линейной скорости кровотока; • моделирования пониженной гравитации в земных условиях; • анализа модели системы «Экипаж — КА с постоянной закруткой» и систем мультигравитации.

Интегральная оценка адекватности ИСТ (ЦКР) и ЕСТ. Определены режимы вращения, обеспечивающие адекватность ИСТ и ЕСТ (Земля). В частности для человека среднего роста такой режим достигается при частоте вращения и3 ~ 34 об/мин. В целях наглядности, определённости и удобства восприятия информации это значение принято за базовое и используется при расчёте относительных значений вида и=и/и,. Особо отметим, что полученный результат совпадает с данными космической медицины, полученными экспериментальным путём. Этот факт является одним из доказательств достоверности предлагаемого критерия адекватности.

Моделирование гравитации Луны и Марса в орбитальном полёте, например, на Международной космической станции (МКС), необходимо для биомедицинских экспериментов, отбора и подготовки экипажей к соответствующим миссиям (идея члена-корреспондента РАН, космонавта В.В. Лебедева). Особо следует отметить, что в отличие от наземных испытаний типа «Марс-500», в полёте представляется возможность создать условия, максимально приближённые к реальным, включая параметры гравитационной среды. Задача состоит в определении режимов вращения человека на ЦКР. Её специфику составляют два момента: исключительная актуальность для пилотируемой космонавтики и отсутствие технических решений. Такие решения в диссертации найдены средствами ИАС.

Как следует из рис. 4.1, гравитация Луны моделируется в орбитальном полёте при частоте вращения п„ ~ 13,6 об/мин (поле «Режим вращения»), что составляет в относительных значениях я, к 0,4. С целью удобства и быстроты восприятия результатов моделирования оформление экранов ИАС выполнено с применением приёмов когнитивной графики. В их числе - анатомическая схема человека, которая служит смысловым фоном результатов решения задач и которая автоматически масштабируется в зависимости от исходных данных. Кроме того, состояние человека, которое оценивается по распределениям перегрузок, инерционного и гидростатического давлений (табл. 3.1), визуализируются в виде графиков, обозначен-

ных как «ИД» и «ГД» (рис. 4.1), совмещённых с анатомической схемой. Графики автоматически масштабируются в зависимости от диапазона их изменения.

■ . яа1,,.„г, „я . -_.,■■„■■■....___ Аналогичным образом

' •"' ••" -—- моделируются сеансы,

имитирующие гравитацию Марса Выбор моделируемых планет (Земля, Луна Марс) сводится к маркировке соответствующей кнопки (область «Выбор моделируемой планеты»).

V Тм1>|цц|||>й|Г|«..................я таты исследований могут

" " " ' быть применены при соз-

дании бортовой ЦКР и

Рисунок 4.1 - Результаты моделирования гравитации Луны выполнении физического (типовой экоан ИАС) моделирования гравита-

ции Марса и Луны в орбитальном полете, как, например, на МКС.

Моделирование механизма петехий. Установлен механизм местных кровоизлияний (петехий), который возникал у отдельных испытателей при вращении на ЦКР. На протяжении ряда лет эффект оставался без объяснений. Установилось представление о существовании патологии неизвестной природы. Как отмечалось (2.5), инерционное давление обладает повышенной чувствительностью к вариациям роста человека и угловой скорости вращения ротора ЦКР: 52 ~ А3, Б2 ~ со2. Как показало моделирование, в результате суммирования факторов ДА, Дю уровень периферического давления крови (табл. 3.1, формула (2.3)) с учётом насосной функции сердца достигал 300 мм. рт. ст., т. е. существенно превышал допустимые пределы. Аномально высокое давление и явилось причиной повреждения стенок сосудов. Поскольку после сеансов вращения механизм петехий исчезал, медицинские методы оказались не в состоянии выявить причину патологий.

Эффект асимметричных осцилляций кровеносных сосудов. Выявлен эффект сближения / разнесения сосудов с частотой сердечных сокращений, названный «асимметричными осцилляциями сосудов» (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 - Схема формирования асимметричных осцилляций сосудов на ЦКР

Направление вращения стола ЦКР (со)

Вена

Механизм этого эффекта обусловлен нестационарностью кориолисовых сил (У) при смене направления вращения ротора ЦКР (переносное движение) и вариациями линейной скорости кровотока под действием насосной функции сердца в относительном движении ( ).

Особое внимание следует обратить на следующие закономерности: • в системе «Человек - ЦКР» утрачивается свойство инвариантности по отношению к направлению вращения; • в сеансах вращения следует применять реверсирование; • вращение человека на ЦКР частично моделирует динамику лечебного бега, когда конечности человека совершают возвратно-поступательное движение.

Моделирование сеансов гравитационной терапии (ГТ) предназначалось для достижения четырёх целей: а) количественной и качественной оценки состояния и закономерностей функционирования систем «человек - ЦКР» в условиях ГТ; б) разработки путей совершенствования процедур ГТ за счёт конструкции, схем управления и информационных технологий; в) верификации 5-критерия; г) внедрения полученных результатов в клиническую практику.

Как показал анализ, в сеансах ГТ (травматология) применяется наиболее простая схема управления, известная как стабилизация без отрицательной обратной связи. Кроме того, не предусмотрена смена направления и частоты вращения ротора ЦКР (Аг = 36 об / мин), в то время, как рост пациентов, их масса и локализация патологических участков (травмы и переломы) изменяются в широких пределах.

Для количественной оценки состояния систем вычислялись три показателя:

а) 6-критерий в интегральной форме (табл. 3.1, модель (2.8)); б) п, - номинальная частота вращения, определённая из условия моделирования гравитации Земли (табл. 3.2, задача Обр1); в) относительная частота вращения, принятая в ГТ 77=лг/п,.

Наиболее важная задача, с точки зрения совершенствования систем, состояла в определении зависимости абсолютной (п) и относительной (п=п/п}) частот вращения от локализации патологических участков. Локализация задавалась безразмерными координатами границ интервала, вычисленными по формуле Л=-//г. Моделирование заключалось в выполнении типовой для НАС процедуры, обозначенной как «ОбрЗ» (табл. 3.2, 5,от=0).

В результате исследований установлено, что сеансы ГТ осуществляются при повышенной по сравнению с земной нагрузке, которая для человека среднего роста (табл. 4.1, столбцы 1-3) составляет по интегральному критерию адекватности А5 = +13 %, а по частоте вращения Дл = +6 % (ЛГ = 1,06).

Таблица 4.1- Результаты моделирования сеансов гравитационной терапии (типовой пример)

Рост А, м Смещение головы от оси, м Положение сердца, м Локализация И "(8^=0) об/мин п

I 2 3 4 б 7

1,74 0,12 0,45 Бедро 0,46-0,49 38,5 1,13

Голень 0,84-0,86 31,7 0,93

В обследованном диапазоне локализаций патологических участков конечностей (табл. 4.1, столбцы 4, 5) оптимизированная частота вращения (п) существенно отличалась от номинального значения (л, = 34 об/мин) и изменялась в диапазоне [31,7 — 38,5] об / мин (столбец 6), что составляет в относительных единицах п = [0,93 - 1,13] (столбец 7). Из количественного сравнения J/= 1,06 с диапазоном п следуют два важных факта: принадлежность вида Л^е[«ш,;й™], Ñ~ncp, где

flcp ~~ (Лоих + Птах ) / 2 .

Моделирование выявило следующие закономерности ГТ (травматология). А) При выбранном режиме вращения N в определённой степени воспроизводится гравитация Земли (5 = 113 %), а значит, восстанавливается давление крови в конечностях, утраченное в результате длительного пребывания в горизонтальной позе. Б) Постоянство значения частоты и направления вращения не означают постоянства условий экспериментов. Это свойство систем следует учитывать, прежде всего, в научных исследованиях (корректная интерпретация результатов), а также в практических приложениях. В) Как следствие нелинейности распределения инерционного давления (модель (2.3), рис. 2.2), существуют участки, как с пониженным, так и повышенным уровнем давления относительно нормы (Земля). Указанные отличия могут быть минимизированы средствами СУППР (задача ОбрЗ). Г) Выбранный режим вращения (N) не приемлем для людей повышенного роста (А > 200 см) в связи с высоким риском возникновения петехий. При этом Др > 150 мм рт. ст. при норме 105 мм рт. ст., а 5 > 130 %. Д) Сеансы ГТ обладают значительными резервами повышения эффективности профилактики и лечения заболеваний.

Рекомендации. Исследования позволяют сформулировать следующие две группы рекомендаций, первая из которых относится к модернизации технических систем ГТ (пункты 1 - 4), а вторая - к направлениям междисциплинарных исследований (пункты 5 - 7). 1. Замена простейшей системы управления на СУППР с диапазоном изменения частоты вращения, составляющим ~ 20 % от номинального значения (л.) и состоящим из двух несимметричных интервалов [и3-7 %] и [я3+13 %]. 2. Обеспечение погрешности стабилизации частоты вращения при научных исследованиях не более 1 - 2 % от номинального значения. 3. Реверсирование вращения при каждом сеансе. 4. Применение ложементов, позволяющих в ходе сеанса поворачивать пациента на угол ±90°, что частично имитирует лечебный бег. 5. Экспериментальные исследования по оценке влияния предлагаемых мер на снижение последствий от эффекта асимметричной репарации (заживления) костной ткани, обусловленной относительной стабильностью результирующего вектора напряженностей поля ИСТ при постоянстве N и направления вращения. 6. Подготовка и выполнение исследований отклика системы кровообращения конечностей на изменение гравитационной среды по схеме «клиностатика - ортостаз - сеансы вращения на ЦКР». 7. Моделирование сеансов ГТ для лечения больных облитери-рующими заболеваниями артерий нижних конечностей.

К числу важных параметров, отражающих динамик}' системы кровообращения, относится линейная скорость кровотока (ЛСК). Она представляет собой зависимость мгновенной скорости потока V от времени Г (рис. 4.3) и является двухфаз-

ным процессом. Фаза 1 характеризуется резким увеличением К до точки максимума (ПСС - пиковая систолическая скорость), а фаза 2 - запухающими колебаниями.

В точке ПРС (пиковая ретроградная скорость) V становится минимальной. Частота колебаний составляет около 3 Гц, т. е. несколько выше частоты сердечных сокращений. В практическом плане речь идёт о расширении границ ранней диагностики, обеспечении здоровья и работоспособности пациентов при применении ИСТ в «земной» медицине (травматология, облитерирующие формы, гинекология). Однако, для этого необходимы проблемно ориентированные информационные технологии, обеспечивающие более детальную обработку данных с определением параметров затухающих колебаний.

Предлагается двухфазная динамическая модель в виде аппроксимации:

Ул!и, 0<?<<!, (Фаза 1, прямая линия),

'1 Ш<ТС, (Фаза 2, «выбеэ>).

Рисунок 4.3 - Типовая допплерограмма ЛСК (по A.A. Гун. О.Б. Дынник и др.)

V=

(4.1)

Здесь (г,,К,)-координаты точки ПСС (рис. 4.3), Тс - период сердечных сокращений. Декремент затухания а и круговая частота колебаний о определяются из выражений:

а=(1пГ1-1пК2)/(<1-(2), ®=и/(*2-г,), (4-2)

где {1гуг)~ координаты точки ПРС (рис. 4.3). Таким образом, ЛСК моделируется четырёхмерным вектором пв, который удобно представить в форме:

ЯВ = (К,;/,;а;са).

(4.3)

I1CC

а)

ПРС

б)

Рисунок 4.4 - Сравнение существующей (а) и предлагаемой (б) моделей ЛСК

Предлагаемая модель (рис. 4.4, поз. 6) более полно отражает специфику реальной волны по сравнению с существующей (поз. а). Воспроизводится форма ЛСК (фазы и частота колебаний). Весьма существенно то, что алгоритм обеспечивает

равенство измеренных (рис. 4.3) и модельных значений ЛСК в точках ПСС и ПРС, являющихся ключевыми (см. (4.2)).

Одномерный анализ ЛСК. Получены следующие результаты: • в точках 2 = 0; 0,4; 0,9 (г = z/h) происходит статистически значимый эффект отклика антеградной волны на ортопробы (критерии знаков и Вилкоксона); • весьма значительная по объёму статистика ЛСК, накопленная медициной в позе «лёжа», оказывается малопригодной для решения задач динамической адекватности; • сформированы типовые данные (прототипы норм), характеризующие динамическую компоненту ИСТ (антеградный и ретроградный потоки) с учётом распределенности по z для четырёх групп испытуемых, отличающихся полом и возрастом.

Многомерный анализ (МА). Разработана система классификации и распознавания, основанная на следующих положениях. А) Классификация объектов (моделей ЛСК) выполняется с помощью кластерного анализа на основе стратегии «ближнего соседа». Б) Непротиворечивость классификации оценивается методами дискрими-пантного анализа. В) Задача по отнесению неизвестного (нового) объекта к одному из рассматриваемых классов решается методами дискриминатного анализа с привлечением обучающих алгоритмов. Г) Отладка и тестирование системы распознавания осуществляется на реальных исходных данных, полученных в результате выполнения ортопроб в профессиональной программной среде Stadia 6.0.

На рис. 4.5 показан типовой пример дендрограммы, полученной в результате кластерного анализа. Объекты №1 — 4 представляли ЛСК, зарегистрированную в положении «лёжа», а объекты № 5 - 8 - «стоя», т. е. в соответствии с одномерным анализом заведомо другую систему. Кластерный анализ осуществил безошибочное распределение объектов на два класса (области А и В).

Рисунок 4.5 - Результаты кластерного анализа (дендрограмма). По оси абсцисс отложены номера объектов, по оси ординат - евклидовы расстояния

Как показал дискримннантный анализ, в случае привлечения обучающих алгоритмов обеспечивается уверенное распознавание неклассифицированных объектов и их отнесение к соответствующему кластеру. Кроме того, подтверждена непротиворечивость классификации, выполненной методами кластерного анализа с привлечением стратегии ближайшего соседа.

Обобщим полученные результаты. 1. Разработана информационная технология решения задач «динамической» адекватности на основе автоматизированного распознавания образов. Выполнена её отладка и апробация. 2. Целесообразна разработка и осуществление серии междисциплинарных экспериментов (техника - медицина) по углублённому исследованию JICK в контрольной группе людей по схеме «клиностатика - ортостаз - центрифуга» с применением предлагаемых инструментальных средств обработки данных. Исследования можно совместить с сеансами гравитационной терапии при условии применения управляемой ИСТ.

Моделирование пониженной гравитации в наземных условиях необходимо для наземной подготовки экипажей по программам освоения Луны и Марса с многосуточным пребыванием людей на их поверхности. Если Р,Р, - сила тяжести ПО на поверхности Земли и планет, соответственно, то задача сводится к обеспечению стендом неравенства вида Для её решения использованы свойства наклон-

ной плоскости осуществлять разложение силы Р на компоненты N,FC* (рис. 4.6).

Уравнение движения объекта по наклонной плоскости с учетом силы трения Fmp , возникающей при движении, имеет вид:

(т + т,) gsin а +1\{т + т,)g cos а =f>mg. (4.4)

Здесь tn, Tn¡ — соответственно масса объекта и вспомогательного оборудования, сопряжённого с объектом; ц — коэффициент трения; знак «-» относится к фазе «спуск», знак «+» - к фазе «подъём».

Рисунок 4.6 — Расчётная схема наклонного стенда (НС) в фазу «спуск» При углах 0<а<я/2 осуществляется моделирование пониженной гравитации (наклонная иммерсия). Таким образом, задача сводится к определению углов установки а как функции ряда переменных с декомпозицией массы на собственную массу (т) и массу дополнительных устройств (т, - грузы, приборы, скафандры и т. п.). Решение тригонометрического уравнения (4.4) найдено в виде:

„ _ Р • 1

tarecos-

(4.5)

О + ^лД + ц %/1 + й

где <у=т,/т; знаки «+», «—» относятся соответственно к фазе «спуск» и «подъём».

Отметим отличия (4.4) и (4.5) от известных моделей наклонных плоскостей: • модель зависима относительно массы груза т, (у); • наклонная плоскость стала качающейся относительно оси вращения (рис. 4.6 и знаки «+» и «-» в (4.4), (4.5)); « основным фактором, определяющим размах колебаний угла а, является трение (4.4);. * процесс качания плоскости следует синхронизировать с фазами движения объекта по плоскости («спуск» «подъём», (4.5)).

Моделироватге выполнялось на численной модели наклонного стенда, полученной в результате разложения sin a, cos а (4.4) в степенные ряды до пятой степени:

а„+, = а„ + С((0.0083а^ - 0,0417ца* - 0,1667а3„ + 0,5 ца* + а„ - ц)(1 + у) - (3); а„ + ! > arctg ¡i.

Здесь п — число итераций, определяемое из условия |an+1-a„|<8; F, — погрешность вычислений (задавалось е = 0,001); С — коэффициент, обеспечивающий сходимость метода итераций; arctg ц - угол, при котором наступает самоторможение объекта.

Результаты моделирования. Исследованы статические и динамические характеристики применительно к Марсу и Луне (рис. 4.7). Установлены следующие

1. Имитация пониженной гравитации (статика) достигается при углах наклона плоскости 22° (Марс) и 10° (Луна), которые изображаются точками на оси ординат. 2. В фазу спуска угол а следует увеличить для компенсации силы трения, а в фазу подъёма — уменьшить. Уменьшение показано только для позиции «Луна» (пунктирная линия, рис. 4.7). 3. С ростом коэффициента ц вариации углов возрастают (4.5), рис. 4.7). 4. При ц > 0,08 наступает режим самоторможения, исключающий имитацию движения объекта в условиях Луны. 5. При ц > 0,05 размах колебаний плоскости становится соизмеримым с номинальным значением (точки на оси ординат), и следует применить управляемое качание, синхронизированное с фазами движения объекта. 6. При ц < 0,02 от режима качания можно отказаться, что существенно упрощает конструкцию стенда и технологию испытаний. Результаты моделирования позволяют рекомендовать предлагаемую методику для применения в наземных программах типа «Марс-500», ориентированных на научные исследования и тренировки людей в условиях пониженной гравитации.

(4.6)

Рисунок 4.7 - Зависимость угла установки наклонной плоскости от коэффициента трения Ф - «Марс», спуск; Я «Луна», спуск;

---«Луна», подъём; Д — критический угол установки

(самоторможение) а<а

Информационная модель систем «Экипаж - КА с постоянной закруткой».

Выполнена оценка габаритов и режимов вращения КА. Для этого задача целепола-гания применительно к данному классу объектов с учётом вариаций (а), назначаемых исследователем, была записана в виде

ja}2r = g±a - баланс ускорений ; (4 7)

[[Уотк ,<э]«0 - отсутствие IV кор.

Взаимообусловленность параметров со и г (первое уравнение системы (4.7)) определяет два варианта решения задачи.

Вариант 1: в качестве ар1умента выбирается со, и зависимой переменной становится г. Обозначим через 7? внешний радиус КА, тогда:

R=g/со2. (4.8)

Вариант 2: задаётся Л и зависимой переменной становится со:

®=±л£77г. (4.9)

В качестве типового объекта выбран КА, выполненный по схеме «Колесо», которое представляет собой тор, соединённый системой радиальных переходов (рис. 4.8). К достоинствам такой схемы относится значительная свобода перемещений членов экипажа: движение к центру вращения или к периферии (поз. III и I), в обоих тангенциальных направлениях (поз. II, IV), с грузом и без него. Если следовать

рекомендациям космической медицины (КМ), согласно которым п~ 1-2 об/мин (со ~ 0,105 - 0,209 с"'), то по формуле (4.8) получим /? ~ 890 - 224 м, что в настоящее время не приемлемо. Как показывает оценка кинематических параметров, выполненных по варианту 2 (формула (4.9)), диапазону 20 м < Л < 50 м соответствует диапазон: 0,4 с"1 < со < 0,7 с"1. Отличия от нормы (Земля, ш — 7,3-10-5 с"1) составляют четыре порядка. Известно (КМ), что в таких условиях возникает проблема многосуточной (6-8 сут.) адаптации экипажа, сопровождающейся существенной потерей работоспособности.

Закрутка КА оказывается весьма проблематичной с научно-технической и медицинской точек зрения. В отличие от земных условий, к телу, перемещающемуся в закрученном КА, будет приложено значительное кориолисово ускорение (рис. 4.9, табл. 4.2, С. 28, строка 3). Имеющиеся данные космонавтики позволяют оценить значение кориолисовых сил (^кор), возникающих при реальных скоростях перемещений (К^) и массах современных скафандров («Сокол» (10 кг), «Орлан» (НО кг), «ЕМи» (136 кг)). Как следует из рис. 4.9, ^кор достигает значений 70 — 450 Н, т. е. нескольких десятков процентов от веса человека. Как результат, экипажу предстоит преодоление ряда затруднений при выполнении таких рутинных операций, как перемещения.

Рисунок 4.8 — Схема действия Ртр на КА типа «Колесо». => направление —> направление Ртр

FKOp, H

200

Суммарная масса, кг

Рисунок 4.9 - Влияние массы и скорости движущегося

в «Колесе» объекта на значение кориолисовой силы ♦ - Кш, = м/с>н " = !Л м/с, Д - = 1,8 м/с

При радиальных перемещениях (поз. III, I) необходимы трапы и смена поз по схеме «голова вперёд, разворот на 180°, голова назад» (рис. 4.10). Кроме того, движение без участия рук становится невозможным (аналог пожарной лестницы на стенах домов). Следовательно, возникнут затруднения с переносом грузов, а их суммарная масса составляет порядка 1500 кг (грузовой корабль «Прогресс»).

Осложнится подготовка и выход в открытый космос, принятие мер при нештатных ситуациях. От экипажа потребуются тренировки по выработке весьма специфических навыков пребывания во «вращающемся жилище».

При тангенциальных перемещениях (рис. 4.10, поз. II, IV) необходимо выбрать «оптимальный» маршрут. В варианте движения, показанном на поз. II, ко-риолисова сила снижает

вес (аналог - спуск с горы), а в другом (поз. IV) - его увеличивает (подъём в гору), причём значительно. Таким образом, практическая реализация идеи К.Э. Циолковского о «вращающемся жилище» проблематична и требует выполнения значительного объёма междисциплинарных исследований (техника - медицина) по поиску компромиссных решений.

Из трёх факторов, определяющих значения корио-лисовых сил (т, FOT„, са), реально снижение угловой скорости, что означает решение сложной задачи по поиску значений минимальной «весомости» (минимум g).

Мультигравитационное моделирование: концепция, компоновочная схема.

Предлагается разновидность гравитационного моделирования, основанная на использовании неоднородности поля ИСТ (рис. 4.11). Если на периферийном радиусе создать центростремительное ускорение, равное земному (g), то найдутся такие радиусы (ги, гл), которым соответствуют напряжённости полей Марса и Луны. Это позволит одновременно, на одном КА, в течение длительного времени (часы, сутки) выполнять биомедицинские эксперименты с физическим моделированием гравитации планет и невесомости. Подобный подход, названный мультигравита-

Двщ

Ору

Рисунок 4.10 - Проблемы перемещения экипажей по КА с закруткой

п, г/с

0,572

ционным моделированием (ММ), существенно повышает эффективность закрученных КА как научных лабораторий по проблемам пилотируемой космонавтики и тем самым в определённой степени компенсирует негативные эффекты, обусловленные закруткой.

На рис. 4.12. приведён пример компоновочной схемы модернизированного аппарата типа «Колесо» с реализацией технологии ММ, а в табл. 4.2 - исходные данные, необходимые для проектных оценок при 30 м < К < 100 м.

Рисунок 4.11 - Пример схемы, иллюстрирующей Рисунок 4.12 - Пример компоновочной схемы процедуру мультигравитационного КА для ММ. «М» - Марс, «Л» — Луна,

моделирования «И» — невесомость

Так, например, при К = 50 м отсеки, имитирующие гравитацию Марса и Луны, следует располагать на расстояниях г„ = 19 м и г„ = 8,3 м от оси вращения (рис. 4.12, 4.13). Полагая Л=1, получим относительные значения радиусов: гм= 0,38, г,= 0,165.

Таблица 4.2 — Кинематические и геометрические параметры модернизированного 1СА

Важным моментом является выбор направления продольной оси отсеков «Л» и «М». С целью исключения кориолисовых сил (второе уравнение системы 4.7), оси следует направить параллельно оси вращения (рис. 4.12).

ВЫВОДЫ

1. Выполнены анализ, формализация и систематизация закономерностей функционирования и внутрисистемных связей сложных систем класса «Протяжённые объекты - вращающиеся платформы естественного и искусственного происхождения». Показана целесообразность системного подхода к проектированию, эксплуатации и модернизации систем с учётом как собственных компонент платформ, так и пространства состояний объектов воздействий.

2. Разработана методология оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести, состоящая из концепции, критериев и проблемно ориентированной информационно-аналитической системы. Основу концепции составляет энергетический подход к оценке состояний объектов воздействия, обобщающий суще-

ствующую оценку по максимальной перегрузке, генерируемой центрифугой, а критерии построены на принципах агрегатирования моделей вращающихся платформ и протяжённых объектов, содержащих гидравлические тракты и обладающих распределённой массой.

3. Разработана концепция и общая структурная схема системы управления и поддержки принятия решений для короткорадиусных центрифуг медицинского назначения, отличающаяся применением аналитических методов, представленных в форме моделей системных связей, реализованных в виде обобщённых алгоритмов прогноза и управления, и двухканальной схемы управления.

4. В предлагаемой схеме управления предусмотрено существенное расширение границ пространства состояний объектов исследований, включая человека, достигаемое автономными воздействиями на процессы распределения жидких сред посредством частоты вращения и на значение силовой нагрузки на границе раздела «объект — платформа» за счёт балластов и механических устройств, создающих управляемое усилие (натяжителей).

5. Определены и исследованы области применения предлагаемой методологии исследований к сложным объектам класса «Человек — вращающиеся платформы» с созданием прототипа качественно нового технического средства в виде автоматизированной информационно-аналитической системы, являющейся прогностическим инструментом врача и источником управляющей информации. Получены новые знания о системных связях и механизмах функционирования:

• систем, осуществляющих моделирование трёх физических процессов: а) приближённую замену обусловленного гравитацией (Земля, Луна, Марс) гидростатического давления крови инерционным; б) частичную имитацию кинематики лечебного бега при сохранении постоянными положения испытуемого и режима вращения; в) воспроизведение и вариацию в широких пределах силовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат;

• впервые получена прогностическая и управляющая информация, необходимая для подготовки и осуществления биомедицинских экспериментов с физическим моделированием гравитации Земли, Луны и Марса в условиях орбитального полёта;

• впервые выполнено моделирование сеансов гравитационной терапии (травматология), позволившее установить ряд механизмов позитивного воздействия искусственной силы тяжести и определить пути повышения эффективности за счет конструкции ротора, системы управления и поддержки принятия решений;

• выявлен гидромеханический эффект, названный «асимметричными осцилля-циями сосудов», обусловленный нестационарностью результирующего векторного поля ускорений и неинвариантностью внутрисистемных процессов по отношению к направлению вращения, заключающийся в динамическом сближении и разнесении артерий и вен с частотой сердечных сокращений;

• установлена природа петехий конечностей, которая заключается в высокой чувствительности приращения потенциальной энергии крови к вариациям частоты вращения и роста испытуемого (в квадрате и кубе, соответственно), приводящей при их неблагоприятных сочетаниях к значительному превышению максимально допустимого уровня периферического давления;

• дано объяснение природы специфического эффекта, который заключается в отсутствии дискомфорта у человека, находящегося на центрифуге в условиях относительно интенсивного вращения (со = 3,5 с-1), что способствует расширению области прикладных исследований в восстановительной и космической медицине.

6. Показано, что моделирование гравитации Земли с помощью закрутки космического аппарата сопровождается целым рядом негативных эффектов, обусловленных возрастанием кориолисовых сил. В их числе - существенные затруднения при подготовке и осуществлении выхода в открытый Космос в скафандрах класса «Орлан» и «EMU», перемещениях экипажа внутри аппарата с грузом и без него, принятии экстренных мер при нештатных ситуациях.

7. Предложена концепция мультигравитационного моделирования, использующая неоднородность поля центростремительных ускорений аппаратов с закруткой, для осуществления биомедицинских экспериментов с одновременной и длительной имитацией гравитации Земли, Луны, Марса и невесомости в орбитальном полёте.

8. Разработаны аналитические и численные модели стендов, обеспечивающих длительное, в течение многих суток, моделирование пониженной гравитации в наземных экспериментах типа «Марс-500» за счёт эффекта разложения сил, осуществляемого неподвижной или качающейся наклонной плоскостью (наклонные стенды). Установлены проектные параметры, позволяющие реализовать наиболее простой по конструкции и технологии испытаний вариант, исключающий режим качания.

9. Авторские разработки апробированы и показали свою эффективность в шести медицинских учреждениях и ВУЗах, в их числе: санаторий «Волжский утёс» Управления делами Президента РФ, НУЗ «Дорожная клиническая больница на ст. Самара» РЖД, кафедра хирургических болезней № 1 СамГМУ и кафедра динамики полёта и систем управления СГАУ имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях

Монография

1. Акулов, В.А. Мехатронные системы генерации искусственной силы тяжести наземного и космического применения [Текст] / В.А. Акулов // Под ред. Г.П. Ан-шакова. -М.: Машиностроение, 2011.-255 е.: ил.

Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень

ВАК:

2. Акулов, В.А. Исследование гемодинамики нижних конечностей в условиях гипергравитации методами вычислительного эксперимента [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2000. - № 9. - С. 161-168.

3. Акулов, В.А. Непараметрический анализ в задачах охраны здоровья [Текст] / В.А. Акулов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2001. - Т. 3. — № 1(5).-С. 147-151.

4. Акулов, В.А. Нелинейная модель гемодинамики нижних конечностей с учетом искусственной гравитации [Текст] / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. - М.: ОПиПМ. - 2001. -Т. 8, вып. 1,-С. 74-75.

5. Акулов, В.А. Проблемы информационного обеспечения гравитационной терапии [Текст] / В.А. Акулов // Информационные технологии. - М.: Машиностроение, 2002. -№ 10. - С. 49 -52.

6. Акулов, В.А. Гидромеханические эффекты в кровеносных сосудах человека при вращениях на центрифуге короткого радиуса [Текст] / В.А. Акулов, P.A. Вартбаронов // Авиакосмическая и экологическая медицина. - М.: Слово, 2003. - Т. 37. - № 6. - С. 34-40.

7. Акулов, В.А. Гравитационная терапия: четыре аспекта моделирования гемодинамики конечностей [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. аэрокос. ун-та им. акад. С.П. Королёва. - 2004. - № 1 (5). - С. 61-67.

8. Акулов, В.А. Моделирование реакции артериального кровотока на ортостатиче-ские пробы в интересах космической медицины [Текст] / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. -М.: ОПиПМ, 2004. - Т. 11. - Вып. 3. - С. 609.

9. Акулов, В.А. Интервальная оценка адекватности модельной (центрифуга) и естественной (Земля) гравитации [Текст] / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. - М.: ОПиПМ, 2004. -Т. 11.-Вып.З.-С. 533-534.

Ю.Акулов, В.А. Биомеханический критерий адекватности модельной и естественной силы тяжести [Текст] / В.А. Акулов // Авиакосмическая и экологическая медицина.-М.: Слово, 2005.-Т. 39.-№ 1.-С. 59-61.

П.Акулов, В.А. Исследование артериального кровотока непараметрическими методами [Текст] / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. - М.: ОПиПМ, 2005. - Т. 12. -Вып. 3. - С. 286-288.

12.Акулов, В.А. Стохастическая модель отклика системы кровообращения на внешние возмущения [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2005. - № 38. - С. 72-77.

И.Акулов, В.А. Оценка адекватности искусственной и естественной силы тяжести методами многомерного анализа [Текст] / В.А. Акулов, В.И. Батищев // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2006. - Вып. 42. - С. 174-178.

Н.Акулов, В.А. Методика оценки динамического компонента силы тяжести для авиакосмических центрифуг [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. аэрокосмического ун-та им. акад. С.П. Королёва. - 2006. -№ 1 (9). - С. 9-14.

15.Акулов, В.А. Энергетический критерий адекватности модельной и естественной гравитации [Текст] / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. - М.: ОПиПМ, 2006. - Т. 13. - Вып. 1. -С. 65-73.

16.Акулов, В.А. Оценка адекватности искусственной силы тяжести (центрифуга) методами распознавания сложных объектов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. технич. науки. - 2007. - № 1 (14).-С. 5-12.

17.Акулов, В.А. Физико-математические аспекты наклонной плоскости как средства имитации пониженных уровней гравитации [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Са-мар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. - 2007. — Вып. 2 (15). — С. 190-193.

18.Акулов, В.А. Гидромеханические и информационные аспекты гравитационного моделирования протяженных объектов [Текст] / В.А. Акулов // Известия Самар. науч. центра РАН. - Т. 11 (31). - Вып. 5. - 2009. - С. 89-93.

Статьи, опубликованные в других изданиях

19.Акулов, В.А. Вычислительный эксперимент в гравитационной терапии [Текст] /

B.А. Акулов // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф. «БИО-МЕДСИСТЕМЫ-99». - Рязань: РГРА,1999. - С. 58.

20.Акулов, В.А. Математическое моделирование как средство сжатия информации в персональных системах медицинского назначения [Текст] / В.А. Акулов // Материалы 1-й Поволжской науч.-техн. конф. - Самара: ГТ1СО «Импульс», 1995. —Ч. 2.-С. 111-112.

21.Акулов, В.А. Двойной скрининг-тест: концепция, модель, предварительные результаты [Текст] / В.А. Акулов // Труды IV междунар. конф. и дискуссионного научного клуба «IT + МБ' 98» Украина, Крым, Ялта - Гурзуф. - М: МГАПИ. — 1998. - Ч. 1.-С. 137-141.

22.Акулов, В.А. АСНИ по проблемам гравитационной терапии [Текст] / В.А. Акулов // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе: Труды XXVII Международной конференции и научного дискуссионного клуба «IT + SE' 2000» Украина, Ялта - Гурзуф. - М: МГ АПИ. - 2000. -

C. 189-192.

23.Акулов, В.А Исследование гемодинамики нижних конечностей в условиях гипергравитации методами вычислительного эксперимента [Текст] / В.А. Акулов // Вестник Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: «Физ.-мат. науки». - 2000. - № 9. - С. 161-168.

24.Акулов, В.А. Двойной скрининг-тест и проблемы ранней диагностики [Текст] / В.А. Акулов // Врач. - М: Медицина, 2003. - № 12. - С. 52.

25.Акулов, В.А. Физико-математические аспекты адекватности искусственной (ЦКР) и естественной (Земля) силы тяжести. [Текст] / В.А. Акулов // Материалы научно-практической конференции «Самара космическая» в рамках III ярмарки ПФО «Российским инновациям - российский капитал», Самара, 14-15 апреля 2005.-С. 72-77.

26.Акулов, В.А. Анализ отклика гемодинамических параметров человека на орто-статические пробы в интересах авиакосмической медицины. [Текст] / В.А. Акулов // Шестой Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Сочи, 1-7 октября 2005. - С. 59-65.

27.Акулов, В.А. Математическая модель пульсовой волны в задачах распознавания человеко-машинных систем. [Текст] / В.А. Акулов // Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы: Труды И Всерос. конф. - Улан-Удэ: У-Уденский гос. тех. ун-т. - 2006. - С. 91-96.

28.Акулов, В.А. Модель пульсовой волны и ее реализация в среде Excel [Текст] / В.А. Акулов // Труды III Всерос. науч. конф.: Математическое моделирование и краевые задачи. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2006. - Ч. 4. - С. 13-16.

29.Акулов, В.А. Аппроксимационная модель пульсовой волны [Текст] / В.А. Акулов // Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Матер, науч.-практ. конф. «Инфо - 2006», Сочи, октябрь 2006. - М: МИЭМ, 2006. - С. 133-135.

30.Акулов, В.А. Триботехнические аспекты наклонной иммерсии [Текст] / В.А. Акулов // Актуальные проблемы трибологии: Труды Междунар. конф. Самара, 6-8 июня 2007. - Т 1. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2007. - С. 19-27.

31.Акулов, В.А. Теоретико-множественный анализ сценариев управления перспективными центрифугами космического назначения [Текст] / В.А. Акулов,

B.И. Батищев // Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Матер, науч.-практ. конф. «Инфо - 2007», Сочи, 1-10 октября 2007. - С. 63-68.

32.Акулов, В.А. Теоретические основы проектирования и эксплуатации испытательных стендов, имитирующих пониженную гравитацию [Текст] / В.А. Акулов // Труды научно-практической конф. «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» «Инфо -2008», Сочи, 1-10 октября 2008.-С. 101-106.

33. Акулов, В.А. Теория графов в оценке соответствия искусственной и естественной сил тяжести (центрифуга, Земля, Луна, Марс) [Текст] / В.А. Акулов // Труды международной научно-практической конференции SPEXP 2008. Самара, 3-10 сентября 2008. - С. 81-84.

34.Акулов, В.А. Автоматизированная информационная система для гравитационного моделирования распределенных объектов [Текст] / В. А. Акулов, А. И. Бу-рихин, П. Н. Куприянов // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды 6-й Всероссийской научной конференции с международным участием. -Самара: СамГТУ, 2009. - Ч. 4. - С. 8-15.

35.Акулов, В.А. Информационная система по проблемам гравитационного моделирования протяженных объектов [Текст] / В.А. Акулов // Журнал Средневолж-ского математического общества. - Саранск: СВМО, 2009. - Т. 11. — №2. -

C. 49-56.

36.Акулов, В.А. Внутренняя динамика пилотируемых космических аппаратов с управляемой закруткой [Текст] / В.А. Акулов // Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС - 2010): Матер. Междунар. науч.-техн. конф., Самара, 17-21 мая 2010. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т. - С. 248-255.

37.Акулов, В.А. Моделирование динамики сложной системы «Экипаж - космический аппарат с постоянной закруткой» [Текст] / В.А. Акулов // Избранные труды Международной конференции «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса», Самара, 29 - сентября 1 октября 2010. - Самара: Самар. гос. аэрокос. ун-т им. акад. С.П. Королёва, 2010. - С. 11-13.

38.Акулов, В.А. Синергетические аспекты сложных систем класса «Экипаж - космический аппарат с постоянной закруткой» [Текст] / В.А. Акулов // Синергетика природных, технических и социально-экономических систем: Сборник статей VIII Междунар. конф, Тольятти, 28-29 октября 2010. - Тольятти: Поволжский государственный ун-т сервиса. - С. 113-117.

39.Акулов, В.А. Моделирование гравитации Марса и Луны в условиях орбитального полета [Текст] / В.А. Акулов // Труды Юбилейной конференции, посвященной 50-летию полёта человека в Космос. Самара, 14-15 апреля 2011. — Самара: Самар. гос. аэрокос. ун-т им. акад. С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). - С. 29-30.

40.Акулов, В.А. Когнитивный подход к моделированию гравитации Луны и Марса в условиях орбитального полёта [Текст] / В.А. Акулов // Труды междунар. конф. CASC'21, Москва, 14-16 ноября 2011. - М.: Ин-т проблем управления (ИПУ РАН).-С. 266-269.

41.Акулов, В.А. и др. Многоканальная, дистанционно управляемая система измерения лодыжечно-плечевого индекса пациента гравитационной терапии [Текст] /

B.А. Акулов, И.В. Макаров, А.Ю. Сидоров, Е.С. Лопухов // Материалы Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)». Самара. СамГТУ. 29-31 мая 2012. -

C. 235-241.

42.Акулов, В.А. Теоретико-множественный подход к верификации моделей меха-тронных систем «человек - короткорадиусные центрифуги наземного и космического применения [Текст] / В.А.. Акулов, В.Л. Балакин // Сб. трудов Международного научно-технического форума, посвящённого 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ. Самара. СГАУ. 5-6 сентября 2012. - С. 241-243.

43. Акулов, В.А. Научно-технические аспекты информационного обеспечения гравитационной терапии [Текст] // В.А. Акулов, К.Е. Воронов, С.Ю. Никитин // Труды одиннадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (КТ-2012). Самара. СамГТУ. 14 ноября 2012. - С. 83-87.

Статьи, опубликованные за рубежом

44.Akulov, V.A. DST - technology of health protection and nonparametric statistics [текст] [Text] / V.A. Akulov// Bulletin of SSTU and Robert Gordon University (Aberdeen, United Kingdom). - 2001. - P. 13-17.

45.Akulov, V.A. Hydromechanics Effects of Rotations on Human Blood Vessels on a Short-Radius centrifuge [Text] / V.A. Akulov // J. Gravitational Physiology, 2004, San Francisco, USA. - Vol. 11. - № 2. - P. 10.

46.Akulov, V.A. Evaluation of Adequacy of Artificial and Natural gravitation by Multivariate data Analysis Methods [Text] / V.A. Akulov, V.I. Batishev // Modern methods of Data Analysis: Труды V междунар. зимнего симпозиума по хемомегрике, Самара, февраль 2006. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2006. - С. 36- 37.

Личный вклад. Все математические результаты, методы решения задач и основные

алгоритмические подходы, описанные в диссертации, принадлежат соискателю.

Монография и 16 статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, написаны единолично. В соавторстве написаны статьи [6], [13], [31], [34], [41] - [43].

Доля личного участия автора составляет 80 %.

Научное издание

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета (протокол № 2 от 2.02.2013 г.)

Подписано в печать 21.02.13. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. п. л. 2,09. Уч.-изд. л. 2,03. Тираж 100 экз. Заказ № 123

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус

Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(«СамГТУ»)

На правах рукописи

05201351163

АКУЛОВ Владислав Алексеевич

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМОЙ ИСКУССТВЕННОЙ СИЛОЙ ТЯЖЕСТИ

Специальность: 05. 11. 17 - Приборы, системы и изделия медицинского

назначения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: член - корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Аншаков Г. П,

г. Самара 2013 г

Список основных условных обозначений и сокращений

АМ- аналитическая механика;

ДА - динамическая адекватность;

ЕСТ- естественная сила тяжести;

И АС - информационно - аналитическая система;

ИСТ- искусственная сила тяжести;

ИТ— информационные технологии;

КА - космический аппарат;

КМ— космическая медицина;

ЛПИ- лодыжечно-плечевой индекс;

ЛСК - линейная скорость кровотока;

МКС - Международная космическая станция;

ММ- мультигравитационное моделирование;

НС — наклонный стенд;

ОА — обобщённые алгоритмы управления ЦКР;

«Орлан» - универсальный скафандр для работы в открытом

Космосе (Россия); Обр - обратные математические задачи; ОС - обратная связь; ПКр - периферическое кровообращение;

ПО - протяжённый объект, размеры которого соизмеримы с радиусом

вращения центробежной машины; ПРС — пиковая ретроградная скорость; ПСС - пиковая систолическая скорость; СГ— система генерации; СИ— система измерений; СК - система кровообращения;

«Сокол» - облегчённый скафандр космонавта (Россия);

СУ- система управления;

СУППР - система управления и поддержки принятия решений;

ЦбМ- центробежная машина;

ЦКР - центрифуга короткого радиуса;

ЦПК- центр подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина EMU- индивидуальный скафандр для работы в открытом Космосе (США);

g - ускорение свободного падения у поверхности Земли; Я, - ускорение свободного падения у поверхности планет (Марс, Луна);

+Gz - перегрузка в направлении «голова - ноги»;

h — продольный размер объекта, высота над поверхностью планет;

т — масса тела;

п — частота вращения;

Р - сила тяжести;

АР — приращение давления;

Q - центробежная сила;

R, (г) - радиус вращения объекта;

S — площадь фигуры;

Уотн - вектор относительной скорости;

а - угол установки наклонной плоскости наклонного стенда; Р - перегрузка у поверхности планет; 5 - критерий адекватности ИСТ и ЕСТ; у — линейная плотность массы тела; ц - коэффициент трения; р - объёмная плотность тела; ш - угловая скорости вращения;

у/ - отношение массы навесного оборудования к массе человека.

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных условных обозначений и сокращений............... 2

СОДЕРЖАНИЕ.................................................................. 4

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ Ю

I. АНАЛИЗ СИСТЕМ ГЕНЕРАЦИИ ИСКУССТВЕННОЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НАЗЕМНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ.......................................................... 38

1.1. Общие положения.................................................... 38

1.2. Обзор систем генерации............................................. 39

1.2.1. Центробежные машины для центрифугирования и ультрацентрифугирования................................ 40

1.2.2. Ротационные стенды.......................................... 50

1.2.3. Центрифуги среднего радиуса............................. 56

1.2.4. Центрифуги короткого радиуса.......................... 57

II. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ В

УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ИСКУССТВЕННОЙ СИЛ ТЯЖЕСТИ.................................................................. 63

2.1. Естественная сила тяжести как объект моделирования....... 63

2.2. Структурно - функциональный анализ искусственной и естественной сил тяжести........................................... 69

2.3. Выбор основных параметров состояний систем................ ^3

2.4. Оценка состояний протяженных объектов в условиях

75

естественной силы тяжести........................................

2.5. Силовое взаимодействие протяжённых объектов с контактной поверхностью планет................................. 77

2.6. Оценка состояний протяжённых объектов в условиях

искусственной силы тяжести......................................

2.7. Моделирование центробежной силы, приложенной к протяжённым объектам воздействия............................. 79

2.8. Анализ силовой нагрузки, приложенной к элементам

от

нестационарного потока жидкости в сеансах вращения......

2.9. Методология оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести.......................................... 84

2.9.1. Концептуальные основы методологии оценки адекватности....................................................

2.9.2. Критерий адекватности искусственной и

естественной силы тяжести. Интегральная и локальная формы критерия............................. 85

2.9.3. Теоретико - множественный подход к

верификации 5 - критерия................................... 88

III. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖКИ

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦКР........... 119

3.1. Принципы построения системы................................ 120

3.2. Теоретико-множественный анализ сценариев

управления......................................................... 122

3.3. Обобщённые алгоритмы прогноза и управления в

125

однопараметрических задачах....................................

3.4. Алгоритмическое обеспечение однопараметрических

задач управления..................................................... 127

3.5. Структурная схема системы управления и поддержки

1 ?я

принятия решении......................................................

3.6. Двупараметрические задачи.

Проблема Z - управляемости...................................... 130

3.7. Система измерения артериального давления для гравитационной терапии..........................................

IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ КЛАССА «ЧЕЛОВЕК - ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПЛАТФОРМЫ».................. 140

4.1. Интегральная оценка адекватности искусственной и земной силы тяжести................................................... 141

4.2. Моделирование гравитации Луны и Марса в условиях орбитального полёта.................................................. 146

4.3. Моделирование механизма петехий........................... 149

4.4. Эффект асимметричных осцилляций магистральных со-

судов

152

4.5. Теоретические и экспериментальные исследования систем «человек - ЦКР» в сеансах гравитационной

терапии........................................................................... 157

4.5.1. Постановка задачи исследований систем «человек — ЦКР» в сеансах гравитационной терапии.............. 159

4.5.2.Компьютерное моделирование сеансов

161

гравитационнои терапии.......................................

4.5.3. Сравнительные исследования периферического кровотока в сеансах гравитационной терапии и в

168

условиях земной гравитации.................................

4.6. Методология обработки нестационарных сигналов

в биомедицинских системах..................................... 176

4.6.1. Постановка задачи. Динамическая адекватность........ 176

4.6.2. Динамическая модель пульсирующего потока........... 178

4.6.3. Одномерный анализ параметров пульсирующего

потока........................................................... 179

4.6.4. Многомерный анализ параметров пульсирующего

потока.......................................................... 180

4.7. Моделирование пониженной гравитации в наземных

условиях ..............................................................

4.7.1. Постановка задачи. Построение моделей наклонного стенда............................................ 182

4.7.2. Результаты исследований................................ 184

4.8. Информационная модель систем «Экипаж -

космический аппарат с постоянной закруткой»................... 185

4.9. Мультигравитационное моделирование: концепция, компоновочная схема.................................................. 189

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................. 193

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................. 196

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................. 216

Приложение 1.1. Фотография кабины «пилота» ЦСР ЦПК имени

Ю.А.Гагарина....................................................... 216

Приложение 1.2. Основные сведения о ЦКР (8АНС)

Европейского космического агентства................................. 217

Приложение 2.1. Влияние величины периферического радиуса ЦбМ на перепад перегрузок вдоль продольной оси биомедицинских объектов.................................................. 222

Приложение 2.2. Поливариантность центробежной силы, приложенной к неоднородному телу, в биомедицинских системах с искусственной силой тяжести.................................... 224

Приложение 2.3. Верификация 8 - критерия адекватности ИСТ и ЕСТ (Земля) с применением непараметрического анализа (критерии х1 и знаков). Шаг дискретизации 0,1 м.............. 226

Приложение 2.4. Верификация 8 - критерия адекватности ИСТ и ЕСТ (Земля) с применением непараметрического анализа (критерии х2 и знаков). Шаг дискретизации 0,05 м............ 235

Приложение 2.5. Верификация 8 - критерия адекватности ИСТ и ЕСТ {Марс) с применением непараметрического анализа (критерии х1)...........................................................

Приложение 2.6. Расчёт коэффициентов уравнений регрессии.... 251

Приложение 3.1. Решение обратных задач моделирования состояний объектов в интегральной постановке («адекватность ИСТ и ЕСТ в среднем»)...................................... 256

Приложение 3.2. Решение обратных задач моделирования состояний объектов в локальной постановке..................... 257

Приложение 3.3. Принципиальная схема, описание и основные

характеристики передатчика........................ 258

Приложение 3.4. Принципиальная схема, описание и основные

характеристики приёмников......................... 259

Приложение 3.5. Схема и описание коммутирующего устройства 260

Приложение 4.1. Построение аналитической модели наклонного

стенда................................................... 261

Приложение 4.2. Построение дискретной модели наклонного

стенда................................................... 263

Приложение 4.3. Тексты программ, реализованных в ИАС........ 265

Акты апробации (позиции А - Е):

A) ФГУ Управления делами Президента РФ санаторий

«Волжский утёс».......................................................

Б) НУЗ «Дорожная клиническая больница на станции Самара» .. 303

B) Отделение гравитационной терапии клиник СамГМУ....................304

Г) Кафедра хирургических болезней №1 СамГМУ..................................305

Д) Самарский государственный технический университет................306

Е) Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)............................................... 307

Диссертация посвящена разработке методологии анализа и синтеза систем с управляемой искусственной силой тяжести, предназначенных врачам космической и восстановительной медицины в качестве технического средства, обеспечивающего решение следующих задач:

• активное устранение фактора невесомости;

• профилактика и лечение ишемических заболеваний;

• экспериментальные исследования по проблемам гравитации в условиях Земли и Космоса;

• информационно - техническая поддержка учебного процесса в медицинских и технических ВУЗах,

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Актуальность диссертационной работы определяется возрастающей потребностью со стороны космической и восстановительной медицины в системах с управляемой искусственной силой тяжести (ИСТ), создаваемой центробежными машинами (центрифугами). Как известно, центрифуги нашли широкое применение в нефтехимии, обогащении полезных ископаемых, пищевой промышленности, при испытаниях и тарировках приборов летательных аппаратов и в ряде других отраслей [81] - [83], [93], [106], [132], [151], [153], [158] - [160], [163], [164], [167], [183], [184], [188], [199].

Что касается медицинских систем, они представляют собой особое семейство центробежных машин. Во-первых, из всего их многообразия наиболее приемлемы центрифуги короткого радиуса действия (ЦКР). Во-вторых, что особенно важно, они являются стендами, создающими локальную среду ИСТ, в которую помещается человек. В результате формируется сложная система класса «человек - вращающаяся платформа», не имеющая аналогов в промышленных приложениях и обладающая весьма специфическими внутренними связями и закономерностями функционирования.

К специфике медицинских ЦКР относятся такие положения, как задачи целеполагания, конструкция, схемы управления, методики практического применения и научных исследований, информационное обеспечение, параметрическая безопасность и т. д. [69] - [71], [80], [112] - [117], [135], [198], [208], [219]. Как следствие, особую актуальность приобретает проблема построения единого методологического подхода к созданию, модернизации и эксплуатации систем данного класса, ориентированных на проблемы космической и восстановительной медицины. Однако такой целостный подход в настоящее время отсутствует, и особую значимость приобретают следующие задачи:

■ построение методологии анализа и синтеза систем «человек - вращаю-

и

щиеся платформы» наземного и космического применения;

■ разработка принципов построения систем управления;

■ создание информационного обеспечения сеансов вращения с получе-

нием прогностической и управляющей информации, учитывающей такие аспекты, как множество целей, размеры и расположение биомедицинских объектов относительно оси вращения;

■ обеспечение параметрической безопасности биомедицинмких объек-

тов на этапе подготовки к сеансам вращения. Необходимо отметить, что решение указанных задач затруднено целым рядом факторов. Основные из них - сочетание многообразия целей с относительной простотой принципа действия ЦКР, а также существенные различия в состоянии здоровья пациентов космической и восстановительной медицины. Как известно, космическая медицина имеет дело со здоровыми людьми. Её задачи состоят в предполётной подготовке, обеспечении здоровья и работоспособности людей в условиях Космоса и послеполётная реабилитация [69], [80], [86], [115] - [117], [127], [165], [220], [229], [239].

Восстановительная медицина (гравитационная терапия1) занимается проблемами здоровья качественно иной категории людей, которую образуют больные с различными патологиями (травмы, облитерации, возрастные изменения сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата) [3], [15], [23], [36], [70], [71], [114], [219]. Причём рост пациентов (взрослые и дети), а также локализация патологических участков изменяются в широких пределах. Тем не менее, имеются веские аргументы в пользу построения единого подхода к решению проблем, связанных с системами «человек-ЦКР».

Основные из них заключаются в следующем: а) общность схемных решений генераторов ИСТ (ЦКР);

1 Под гравитационной терапией (ГТ) понимается физиотерапевтическое воздействие на организм человека управляемой центробежной силой, создаваемой короткорадиусной центрифугой, в направлении «голова - ноги».

б) объектом воздействия является человек, и, следовательно, диапазон перегрузок строго ограничен;

в) периодичность сеансов вращения, и, следовательно, решение задач по оптимизации процедур воздействия;

г) многочисленность существующих и перспективных пользователей систем с ИСТ: лечебно-профилактические учреждения, поликлиники, реабилитационные отделения, специализированные реабилитационные центры, профильные санатории, военно-медицинские госпитали, центры подготовки космонавтов, экипажи перспективных космических аппаратов;

д) необходимость в накоплении и обобщении знаний о состоянии человека в среде с ИСТ различной интенсивности;

е) множественность целей в сочетании с малочисленностью средств управления: конструктор и врач располагают лишь двумя основными средствами воздействия - частотой и радиусом вращения, причём диапазон их изменения строго ограничен, особенно в космических приложениях;

ж) ) резервы повышения эффективности сеансов воздействия на биомедицинские объекты следует искать в следующих направлениях:

• совершенствование системы управления (принципы построения,

схемы, алгоритмы);

• разработка информационных технологий (компьютерное модели-

рование, программные средства обработки информации);

• установление скрытых механизмов функционирования биомеди-

цинских объектов, включая человека, в условиях ИСТ;

• целенаправленное использование позитивных механизмов и ми-

нимизации влияния негативных;

• поиск новых проектных решений самой центрифуги;

• построение и совершенствование систем измерения наиболее

важных параметров биомедицинских объектов.

з) обеспечение преемственности космических и наземных ЦКР: наземные ЦКР служат прототипами, а в перспективе средством отладки космических ЦКР и нового поколения медицинских методик;

и) общность подходов к получению управляющей информации, основу которых составляют эксперименты с выполнением проб и постепенным увеличением гравитационной нагрузки от некоторого минимума до получения результата (ожидаемого эффекта);

Особой значимостью обладает общая для космической и восстановительной медицины задача создания информационного пространства состояний систем «человек - ЦКР» и его оснащение путеводителем (навигатором). Речь идёт о компьютерной модели, ориентированной на научно обоснованный поиск эффективных режимов вращения, обеспечивающих достижение многообразия целей, и нахождение границ, выход за пределы которых приводит либо к повреждающему воздействию со стороны ИСТ, либо к потере эффективности вследствие недостаточной интенсивности воздействия. Таким образом, ставится задача качественного перехода от методологии, базирующейся на экспериментах, к комплексной методоло