автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Аппаратно-программный комплекс оценки психофизиологического состояния человека путем анализа высокочастотных токов с поверхности кожных покровов

На правах рукописи

Гришенцсв Алексей Юрьевич

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ОЦЕНКИ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПУТЕМ АНАЛИЗА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТОКОВ С ПОВЕРХНОСТИ КОЖНЫХ ПОКРОВОВ.

Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия

медицинского назначения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003460В85

Санкт-Петербург 2009

003460885

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор К. Г. Коротков Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор К- В. Зайченко кандидат технических наук А. С. Сидоров

Ведущая организация — Федеральное государственное унитарное предприятие специальное конструкторское технологическое бюро «БИОФИЗПРИБОР» федерального медико-биологического

агентства (ФГУП СКТБ «БИОФИЗПРИБОР»)

Защита диссертации состоится "¿6"» ¿рсбрЗ 2009 г. в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5. СК . С2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "(ЯИ^ЦзД 2009г

Ученый секретарь совета

по защите докторских и г^г—

кандидатских диссертаций ---- к. н. Болсунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Общественно социальное развитие в последнее время значительно увеличивает нагрузки на нервную систему человека, что стимулирует необходимость контроля психического и психофизиологического здоровья человека. Существующие приборные методы наблюдения не всегда позволяют эффективно отслеживать особенности психофизиологического состояния человека в режиме реального времени, это связано со значительной сложностью обработки данных, значительным количеством артефактов, не совершенством методов наблюдения. Чрезвычайно важным вопросом на сегодняшний день является мониторинг состояния пациента при воздействии анестезии. Пока не существует приборных способов достоверного контроля обезболивающего действия анестезии, особенно при нахождении пациента в состоянии сна. Оценку качества воздействия анестезирующих средств производит врач, на основании показаний приборов и собственного опыта. Остается открытым вопрос наблюдения психофизиологического состояния человека при действии слабых раздражителей. Актуальной задачей является выявление особенностей психофизиологического состояния лиц склонных к правонарушениям.

Анализ биомедицинских способов исследования в частотных областях проявления электровращения и диэлектрофореза (103-109 Гц) показал, что не смотря на хорошую изученность данных эффектов, в современных исследованиях практически не задействовано проявление данных особенностей поведения живой биологической ткани. При этом степень проявления диэлектрофореза и электровращения в первую очередь связанна с особенностями состояния клеточной мембраны, т.е и с состоянием клетки в целом. Большинство современных электрофизиологических методов исследований сконцентрировано в области постоянного тока и низких частот до десятков и сотен килогерц. Значительное развитие за последнее время получили методы исследований в КВЧ и УФ диапазонах, однако эти методы также не представляют возможным исследовать эффект электровращения, т. к. используют частоты выше частот электровращения поляризованных клеточных мембран. За последние годы много интересных результатов в области психофизиологических наблюдений показал метод газоразрядной визуализации (ГРВ) основанный на оптической регистрации и последующем анализе ответной реакции исследуемых биологических тканей на воздействующий высоковольтный потенциал в частотном диапазоне порядка единиц и десятков МГц, проявляющейся в виде электрофотонной эмиссии. Ряд исследований, в том числе с применением ГРВ, показал возможность наблюдения психофизиологического состояния организма по ответным реакциям на внешний воздействующий потенциал в области частот единиц и десятков МГц.

В диссертации разработан метод регистрации ответной реакции исследуемых тканей по значению тока, стимулированного внешним высокочастотным потенциалом, в отличие от метода ГРВ, где происходит регистрация визуального паттерна скользящего разряда. Такой подход позволяет увеличить скорость

обработки данных, использовать выносные электроды, производить длительный мониторинг, применять низковольтный воздействующий потенциал.

Приведенный анализ позволил сделать вывод об актуальности темы диссертации, которая определяется:

• необходимостью разработки новых приборных средств, позволяющих наблюдать психофизиологическое состояние человека в режиме реального времени,

• необходимостью выявления электропроводящих особенностей биологических тканей в областях частот проявления эффектов диэлектрофореза и электровращения, связанных с динамическим изменением психофизиологического состояния человека.

Для решения этих вопросов необходима разработка аппаратно-программных комплексов позволяющих:

• исследовать спектральные особенности комплексной проводимости биологических тканей в выделенном частотном диапазоне.

• производить регистрацию стимулированных внешним потенциалом высокочастотных микротоков в выделенном частотном диапазоне, протекающих через биологический объект.

Целью диссертационной работы является разработка новых инструментальных методов, позволяющих проводить мониторинг изменения психофизиологического состояния человека в реальном масштабе времени.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

• Выбрать частотный диапазон для наиболее эффективного наблюдения за динамикой изменения психофизиологического состояния человека в реальном масштабе времени.

• Построить математическую модель распределения плотности тока в тканях человека в выбранном диапазоне частот.

• Построить математическую модель оценки теплового действия на биологические ткани протекающих через них в процессе исследований токов.

• Произвести разработку аппаратно-программного комплекса, позволяющего производить данные исследования.

• Произвести разработку методов анализа данных, полученных в процессе исследований.

• Произвести апробацию разработанных методов в экспериментальных исследованиях, в том числе и методов анализа данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в теоретической и практической части диссертационной работы использовались методы расчета и синтеза электрических цепей, методы математического моделирования физических процессов, методы схемотехнического проектирования аналоговых и цифровых устройств, методы машинной графики, теория вероятностей и математическая статистика, теории ошибок и планирования эксперимента, теория

и методы автоматизации проектирования объектно-ориентированного программного обеспечения.

Экспериментальные исследования проводились на базе Санкт-Петербургского НИИ физической культуры, Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее значимые изменения дисперсии комплексной электропроводности биологических тканей в частотном диапазоне проявления эффектов диэлектрофореза и элекгровращения характерных для живых клеточных тканей, наблюдаются в диапазоне 2-8 МГц.

2. Особенности дисперсии импеданса биологических тканей в диапазоне частот 2-8 МГц позволяет производить оценку состояния тканей на клеточном уровне.

3. Разработанная математическая модель распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике, позволяет оценить распределение плотности тока в биологических тканях.

4. Оценку состояния вегетативной нервной системы в режиме реального времени возможно производить по динамике изменения во времени значений стимулированных внешним потенциалом токов в диапазоне 2-8 МГц, протекающих через кожные покровы различных частей тела человека.

Научная новизна работы заключается в разработке методов мониторинга психофизиологического состояния человека на базе параметров электропроводящих свойств биологических тканей в диапазоне частот 2-8 МГц при помощи разработанных аппаратных, методических, метрологических и программно-алгоритмических средств. Основные научные результаты:

• Показана возможность неинвазивного наблюдения в реальном времени состояния вегетативной нервной системы человека при помощи регистрации микротоков в частотном диапазоне 2-8 МГц, стимулированных внешним потенциалом.

• Показана возможность неинвазивного наблюдения особенностей состояния биологических тканей человека путем измерения полного импеданса этих тканей в частотном диапазоне 2-8 МГц.

• Построена математическая модель плотности распределения высокочастотного тока в сложном неоднородном проводнике.

• Предложен генетический алгоритм фильтрации числовых векторов данных.

• Разработаны специализированные аппаратно-программные инструменты, позволяющие производить мониторинг состояния вегетативной нервной системы человека в режиме реального времени.

Практическая ценность работы. В экспериментальных исследованиях доказана релевантность и перспективность метода мониторинга психофизиологического состояния человека путем регистрации и анализа высокочастотных токов, стимулированных внешним потенциалом. Продемонстрирована возможность регистрации состояния биологических тканей на клеточном уровне путем регистрации комплексной проводимости в диапазоне

2-5 МГц. Разработаны аппаратно-программные комплексы позволяющие производить:

• Неинвазивный анализ состояния биологических тканей на клеточном уровне.

• Регистрацию слабых раздражителей сенсорных систем человека.

• Мониторинг психофизиологического состояния человека при воздействии как полной, так и регионарной анестезии.

Внедрение результатов. На базе разработанных АПК выполнены практические исследования оценки психофизиологического состояния спортсменов в рамках исследований, проводимых федеральным государственным учреждением «Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической культуры».

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных конгрессах по биозлектрографии «Наука-Информация-Сознание» (Санкт-Петербург 2006, 2007), всероссийской межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2005 - 2008), ежегодной итоговой конференции НИИ физической культуры (Санкт-Петербург 2005,2006).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных работ, из них-9 статей (2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 5 работ - в трудах международных и российских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка используемой литературы, включающего 116 наименований. Основная часть работы изложена на 171 стр. машинописного текста, содержит 94 рисунка, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, приводиться краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации рассмотрены современные методы электрофизиологических исследований психофизиологического состояния человека, в которых выделены два направления: измерение собственного электромагнитного поля организма и измерение ответных реакций организма на раздражение внешним электромагнитным полем. Рассмотрены базовые электрофизиологических принципы исследований с применением внешнего ЭМП. Произведена классификация лечебных и диагностических методов по частоте ЭМП в диапазоне от 0,3-1023 Гц, отдельно рассмотрены постоянные поля. Рассмотрены некоторые особенности и характеристики электрофизических свойств тканей организма человека с точки зрения "компартментального" строения.

Известны два типа движения клеток в электрических полях. Постоянное поле вызывает перемещение клеток, имеющих поверхностный заряд, — явление электрофореза. При воздействии на клеточные суспензии переменного

неоднородного поля наблюдается движение клеток, называемое диэлектрофорезом. При диэлектрофорезе поверхностный заряд клеток не играет существенной роли; механизм движения состоит во взаимодействии наведенного дипольного момента с внешним полем.

Анализ приведенных данных показывает, что современные диагностические методы практически мало используют для исследования состояния тканей эффекты диэлектрофореза и электровращения. Большинство современных электрофизиологических методов исследований сконцентрировано в области постоянного тока низких частот до десятков и сотен килогерц или в КВЧ и УФ диапазонах. При этом изменяющиеся во времени электропроводящие особенности биологических тканей позволяют наблюдать за сдвигам физиологических функций, сопровождающих психические процессы высшей нервной деятельности.

Предложены два направления разработки аппаратно-программных комплексов, получивших следующие условные названия:

ACT - Анализатор Спектра Гока. Прибор позволяющий производить анализ электропроводящих свойств исследуемого объекта в диапазоне частот 0,01-110 МГц с регулируемой полосой пропускания от 5 кГц до 100 МГц и дискретизацией внутри полосы 32 точки, методом измерения амплитуды тока протекающего через объект исследования при неизменной амплитуде внешнего синусоидального потенциала 0.1-1 В. Данный АПК разработан с целью выявления особенностей дисперсии электропроводящих свойств биологических тканей.

ИПЧ - сокращение от Язмеритель Ясихофизиогического состояния Человека. Протекание тока через объект исследования стимулируется внешним кратковременным высоковольтным потенциалом с дискретно регулируемым амплитудным значением 0-10 кВ, измерение тока производиться после фильтрации с выделением частотного диапазона 2-8 МГц. Данный аппаратно-программный комплекс (далее АПК) является основным инструментом, разрабатываемым в диссертации.

На основе имеющихся данных выполнена постановка задачи исследования для данной диссертационной работы.

Вторая глава посвящена вопросам моделирования некоторых особенностей и следствий упорядоченного движения

электрических зарядов в биологических тканях, а также некоторым методам обработки данных. Моделирование плотности распределения высокочастотного тока по сечению биологической ткани проводится путем разбиения проводника на совокупное множество проводников (рис, 1), связанных между собой взаимными индуктивностями. При этом каждый

Л> -V, Рисунок 1. Разбиение проводника на составляющие.

проводник характеризуется величиной комплексного сопротивления, полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников. Расчет комплексного сопротивления

производиться с учетом глубины проникновения тока в каждый элементарный проводник. Учитывается форма элементарных проводников: возможно производить расчет для проводников круглого, и квадратного сечения. Для эквивалентной схемы замещения (рис. 1), составлена система дифференциальных уравнений:

'¿Сол

Л

+ /0Л0 = О,

О)

+ >«-\Rn-l - '«й«

dt ¿-о

где y/pj-потокосиепление контуров образованных соответствующими ветвями (р, s). R„ -активное сопротивление выделенного участка с номером п.

' 0,1 = Ч> а - Vi, IV» = £«.»'. + ¿».j'i + - + ¿0.,'„.

(2)

= — с - - „ = i,.o'o + ¿».i'i + ••■£.,«'.>

где I^î—собственная индуктивность элементарного проводника; LS:P=LViS— взаимная индуктивность соответственно pas элементарных проводников. Подставив (2) в (1) получим следующую систему уравнений:

. dt (3)

t h =

гдер=1,2,..,,п; /—суммарный ток.

При синусоидальном токе в проводнике потокосцепление ^ и токи io.ii, в элементарных проводниках также изменяются по гармоническому закону. Поэтому можно воспользоваться символическим методом расчета токов в элементарных проводниках. Запишем систему (3) в символическом виде:

- V) V V. - =°>

я • •

IW.

(4)

где_/—мнимая единица, р=1,2, ...,п; 1—суммарный комплексный ток. Решая систему (4) и определив значения вещественных и мнимых составляющих тока в элементарных проводниках, можно вычислить плотность тока в них:

СТк = 1к/Sk\

(5)

На основании предложенной модели, с использованием объектно-ориентированного языка программирования С++, реализована программа «DC» позволяющая рассчитывать плотность распределения тока в сложном неоднородном проводнике произвольного сечения. На основании предложенной модели произведен расчет распределения плотности тока по сечению пальца человека в случае размещения его на электроде прибора ИПЧ, при различных уровнях активации кожной перспирации.

Произведено моделирование процесса протекания электрического тока через тело человека в процессе ИПЧ исследования. В качестве модели тела человека был принят объем, содержащий водный 0.9% раствор соли NaCl. Примерно такой процент содержания соли характерен для жидкостей организма, в частности, плазмы крови. Тело человека замещалось прямолинейными проводниками эллиптического сечения с выбранным токоведущим контуром: палец—рука— туловище—рука. Учитывалась значительная вариабельность активного сопротивления поверхностных слоев кожи, от единиц до тысяч кОм в зависимости от их состояния. В результате моделирования показано хорошее соответствие результатов моделирования и практических измерений. Время затухания разрядного импульса при моделировании с рассчитанными параметрами модели составило 50 мкс, время полученное при анализе осциллограмм реальных разрядов составило 50-55 мкс. Произведена оценка падения напряжения на различных частях контура, образованного человеческим телом. Например, максимальное по амплитуде падение напряжения на пальце не превышает 3.36 В.

На основании вышеизложенных моделей произведен расчет теплового действия разрядного тока ИПЧ на ткани человека. Выбирались те участки тканей, где плотность тока была наибольшей, т. е. оценивался разогрев тканей пальца, для которого наибольшее амплитудное значение модуля плотности тока составило <7=2184 А/м2. Время длительности одного разрядного импульса принималось равным 100 мкс, частота импульсов 1 кГц, длительность пакета 2 сек; считалось, что теплообмена между соседними биологическими тканями с внешней средой во время действия пакета импульсов ИПЧ не происходит. Расчет производился по формуле:

77 TI

d( \pdt) d( juj„ sin2 otdt))

= -= —S-, (6)

Cm Cm Cm

где 77—время действия импульса; p—мгновенная мощность; Um— амплитудное значение напряжения; Im—амплитудное значение тока; са=2тс/— круговая частота, dT—изменение температуры; dQ—изменение количества теплоты; С—теплоемкость; m—масса. В результате расчетов показано, что изменение температуры AT биологической ткани элементарного проводника при непрерывном воздействии ИПЧ в течении 2 с, напряжении электрода 10 кВ, составит 0.0017 К.

Разработанные модели показали, что наибольший вклад в активное сопротивление тела человека и его динамическое изменение вносит сопротивление кожных тканей. На частотах выше сотен кГц заметный вклад в общий импеданс биологических тканей вносит реактивное сопротивление, причем

с ростом частоты сопротивление понижается, благодаря емкостной природе клеточной электропроводимости. Полученные результаты теплового расчета позволяют сделать вывод о безопасности теплового воздействия токов ИПЧ на биологические ткани.

В работе предложены два алгоритма фильтрации данных. Генетический алгоритм: фильтрация вектора данных,

размещенного вдоль оси времени, на основе вероятностных оценок. Основная идея данного алгоритма заключена в прогнозировании нескольких наиболее вероятных значений шума и генетическом выборе из них наиболее

жизнеспособного по известным особенностям поведения ' функции истинных данных, таких как: возможные значения производной,

периодичность, диапазон возможных значений и т.д. Этап скрещивание в структуре генетического алгоритма. Вычисление вектора вероятности встречи всех возможных значений шума как разности вектора

плотности

Завершение)

Рисунок 2. Генетический алгоритм, распределения (параметра) и реальной плотности распределения к-го, элемента, производилось по формуле:

Рожид.к=(Рк-П1/^*М, (7)

где Рожиж.к -ожидаемая вероятность; ¿^-фактическая вероятность; и^-число встреч ¿-го элемента; N-число всех элементов в векторе шума.

Этап наследование, прогнозирование наиболее вероятных значений шума. Производится исходя из условия стремления фактической плотности распределения шума к некоторой заданной, и (или) полученной в результате

анализа сигнала на интервалах времени, в которых значения истинного сигнала известно заранее.

Этап отбор, выбор значения шума. Проверка на выживаемость выбранных значений шума на основании критериев выбора.

Особенностью данного фильтра является возможность работы в режиме реального времени при необходимости периодического согласования с фактическим ходом событий, т. е. периодическое дополнение данных, содержащих шум, данными истинных значений функции гаи данными реальных значений шума.

Тщательный анализ данных ИПЧ показал: динамика изменения показаний ИПЧ, связанная с изменением психофизиологического состояния, имеет низкочастотный характер, спектральный анализ позволил заключить, что период их динамических изменений характеризуется временем порядка единиц и десятков минут. Таким образом, интересующая нас информация лежит в области частот ниже 0,02 Гц. Для возможности частотной фильтрации необходимо разнести частоту шума и частоту полезного сигнала в различные спектральные области. Решением данной задачи является повышение частоты шумовой составляющей, этого можно добиться, увеличив частоту регистрации данных ИПЧ. Увеличение частоты регистрации данных до 1 Гц, переводит шумовую составляющую в область частот на порядок выше частот полезного сигнала. С учетом этих особенностей сформирован алгоритм спектральной фильтрации на основании прямого и обратного преобразования Фурье. Причем, перед обратным преобразованием Фурье производится подавление амплитуд гармонических составляющих, образованных шумом. Также показано, что для успешной фильтрации необходимо иметь число значений в векторе данных более 500, время формирования такого вектора составляет 10 минут,, при частоте следования пакетов 1 кГц. Таким образом, данный метод фильтрации наиболее эффективен при работе с ИПЧ.

В третьей главе рассмотрены принципы, базис и особенности разработки аппаратно-программных комплексов (далее АПК) на базе развитых принципов. Показано, что регистрируя токи, возбужденные внешним высокочастотным полем с различных частей тела, и сравнивая полученные величины, можно получить численный показатель асимметрии электропроводности, связанный с состоянием вегетативной нервной системы. Наблюдение полученного численного критерия во времени позволяет отслеживать динамику состояния вегетативной нервной системы. Предложен следующий способ формирования разностного вектора асимметрии:

(8)

где Я1 и I, - токи, характеризующие электропроводность правой и левой рук, соответственно, п - общее число измерений.

0 | п п

Для изучения зависимости дисперсии комплексной электропроводности биологических тканей от их состояния в широкой полосе частот для выявления наиболее информативного поддиапазона был разработан прибор (АПК ACT) позволяющий производить спектральный анализ электропроводности в полосе частот 0,01-100 МГц. Принцип АПК ACT основан на последовательном методе анализа. Прибор представляет собой автоматически перестраиваемый супергетеродинный приемник с индикацией выходного сигнала на электроннолучевом индикаторе и оцифровкой с возможностью вывода данных через USB порт на персональный компьютер (рис. 3). Результатом измерений является числовой вектор с диапазоном значений от 0 до 1023, представляющий зависимость амплитуды тока от частоты. В структурной схеме произведено разделение на составные блоки: БВЧ - высокой частоты; БПЧ - промежуточной частоты; БНЧ - низкой частоты; цифровой блок (рис. 3). В супергетеродинном приемнике применено последовательное преобразованием частот сначала к 200 МГц, затем 50 МГц далее к 3 МГц. Использование свипирования частоты третьего гетеродина дает возможность стабилизировать частоту первого гетеродина в дискретных точках посредством схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Тем самым обеспечивается возможность работы ACT при узких полосах пропускания тракта промежуточной частоты (менее 1 кГц). Для работы с прибором с терминала ПК было разработано специальное программное приложение.

аттенюатор 0-50 Дб

БВЧ

А ФНЧ 0.01-110 МГц ^ Первый смеситель и УВЧ 200 МГц

а 1

200МГц,

Второй смеоттель

X

Фезозый детектор

и опорный генератор 1 МГц

Суммирущий и коретарущий усилители

Выходной аттенюатор

Гетеродин 200-310 МГц

150 МГц

Генератор ЗМГЦ

Преобразователь 200/(0.1 -110) Преобразователь »1 Преобразователь

МГц 50/200 МГц 3/50 МГц

0.01-110 МГц

(Объект \ исследования!

V

У

™J

Электронно! лучевая I трубка 1

Цифровой блок

БПЧ

50 МГц,

ФНЧ

¡Е

Третий смеситель

ФНЧ

3 МГц

Генератор «МГц

Генератор развертим

БНЧ

USB Модуль МДП и

порт управления 'II видео сигнала J Детектор

Рисунок 3. Блок схема АПК ACT.

В процессе экспериментальных исследований было показано, что наиболее информативным с точки зрения неинвазивного анализа состояния биологических тканей является частотный диапазон 2-8 МГц. Именно в этом диапазоне проявляться эффекты диэлектрофореза и электровращения свойственные живым биологическим тканям. Причем в диапазоне частот 2-8 МГц наблюдается наиболее высокие значения дисперсии комплексной проводимости тканей.

На базе специально произведенных предварительных исследований, позволивших выбрать частотный диапазон 2-8 МГц и амплитуду воздействующего внешнего напряжения был разработан АПК ИПЧ. На рис.4 представлена блок-схема аппаратной части реализации АПК ИПЧ.-Генератор разрядных импульсов (7) является источником высокочастотного, напряжения с дискретно регулируемой амплитудой от 0 до 10 кВ. Запуск разрядного импульса осуществляется с помощью оптронного ключа (6), управляемого центральным процессором (1). Обратная связь с оператором ИПЧ осуществляется через клавиатуру (3) и индикатор (4), также имеется возможность подключения ЭВМ (2). Работа цепочки преобразователя высокой частоты, состоящего из шести узлов, характеризуется фотографиями осциллограмм на выходе соответствующего звена.

Рисунок 4. Блок-схема АПК ИПЧ.

Центральный процессор со встроенным АЦП преобразовывает интегрированный импульс к численному значению в условных единицах. Блок питания (5) позволяет подключать прибор к источнику переменного напряжения 110—220В.

Прибор ИПЧ имеет три независимых измерительных канала и соответственно три разрядных электрода, два для регистрации токов с исследуемых поверхностей и один в качестве реперного канала для контроля атмосферного влияния. Электродом является стеклянная пластина с односторонним электропроводящим напылением. Поверхность стекла с напылением располагается снизу, на верхнюю поверхность устанавливается титановый цилиндр (диаметром 15 мм, высотой 25 мм) называемый тест-объект. С помощью клемм к тест-объекту подключается выносные физиологические электроды. Возможен способ физиологических измерений при непосредственной постановке пальцев на стеклянную поверхность электродов. С генератора (7) на проводящий слой электрода подается потенциал с нарастающим фронтом. При достижении некоторого значения напряжения на электроде возникает лавинный разряд. Через объект исследования протекает

электрический ток, относительные значения которого измеряет ИПЧ, при помощи интегрирующего контура (9.1-9.6). ЬС-фильтр (9.1), позволяет выделить интересующий нас с точки зрения информативности частотный диапазон, 2-8 МГц. Далее усилитель (9.2) производит усиление тока выделенного частотного диапазона, линейный детектор (9.3) выпрямляет знакопеременный импульс, расширитель (9.4) обеспечивает заполнение пауз в пакете разрядных импульсов путем растяжения каждого импульса, далее сигнал повторно детектируется (9.5) и поступает на интегратор (9Г6), представляющий собой емкость. Напряжение на емкости интегратора устанавливается пропорционально интегральной сумме тока разрядного пакета, и преобразуется в числовое от 0 до 4096 при помощи встроенного в процессор АЦП.

Для обеспечения обмена данными, управления прибором с терминала ПК, и текущего мониторинга было разработано специальное программное приложение на языке С++. Приложение позволяет производить предварительную обработку данных и их визуализацию в режиме реального времени, сохранять полученные данные в файл для последующего анализа при помощи современных, стандартных статистических средств.

Приложение имеет

встроенную справку и интуитивный интерфейс. На (рис. 5) приведена блок-схема алгоритма приложения для работы в составе АПК ИПЧ.

Необходимо отметить, что на всех этапах разработки АПК ИПЧ учитывались такие параметры, как чувствительность и точность для достижения наилучшего результата при разработке цифровой и аналоговой частей ИПЧ производились специальные экспериментальные мероприятия с целью выбора лучшего инженерного решения. При этом учитывался фактор необходимости согласованного взаимодействия ИПЧ с другим медицинским оборудованием при работе в клинических условиях.

В четвертой главе рассмотрены результаты

экспериментальных исследований. Произведены исследования

модельных объектов,

Файл Колядка ЖШЦбХ

РСоррекгам хааерясехж ярююяенкю оспннкъхсехриа« Ялумежньа из ваянию Шфцпп» пашне, «та наиостя нв сохржхимые, ооо^ожави» яамшн

С Закрытие Л

ярклвжекия у

Рисунок 5. Блок схема алгоритма.

продемонстрировавшие особенности работы разрабатываемых АПК. Произведена серия исследований, позволяющая сделать выводы о применении разрабатываемого АПК ИПЧ для регистрации изменения психофизиологического состояния в результате действия на человека раздражителей различной интенсивности. В исследованиях приняли участие 21 человек. По результатам анализа данных, полученных при помощи АПК ИПЧ, можно сказать, что реакция на стандартные тесты раздражители была выявлена в 48% случаев. Из них: дыхательная проба - 52%; вспышки света - 42%; воздействие звука - 57%; счет в уме - 28%. Реакция на открывание глаз была выявлена в 56% случаев; реакция на закрывание глаз в 42% случаев. Произведены серии исследований по возможности регистрации влияния одорантов на психофизиологическое состояние человека с использованием группы методов, включая АПК ИПЧ. В исследованиях приняли участие 17 человек, были протестированы 4 аромата эфирных масел естественного происхождения. Кластерный анализ данных (рис.6), полученных в результате наблюдения при помощи АПК ИПЧ и данные субъективной оценки аромата позволили разделить тестируемых на группы. В одной группе одоранты действовали преимущественно как раздражители слизистых оболочек, в другой как эмоциональные раздражители.

Продемонстрированы возможности АПК ACT по выявлению особенностей состояния тканей на клеточном уровне благодаря эффектам

электровращения и диэлектрофореза в области частот 2-8 МГц.

Произведены серии

мониторинговых наблюдений

действия полной и регионарной анестезии (пример ИПЧ рис.7) в период операционного вмешательства в клинических условиях.

Распределение средних разностных значений для группы, у которой использовалась полная анестезия, в диапазоне 1.2 - 14.6 %; для группы у которой применялась только регионарная анестезия 15 - 32 %. Предварительный анализ возможности использования АПК ИПЧ в качестве мониторингового средства действия анестетиков при операционном вмешательстве показал, следующие результаты: у пяти пациентов из восьми действие регионарной анестезии проявлено, в виде снижения разностных значений; для всех пациентов, у которых наблюдалось действие полной анестезии, было зарегистрировано снижение

Рисунок 6. Кластерный анализ.

у

Рисунок 7. Операция "Кесарево сечение", полная анестезия, данные ИПЧ

правый и левый канал, цифрами обозначены: 1 - применение регионарной анестезии в области рассечения; 2 - начало операции; 2-3 - применение общего наркоза; 3-4 - извлечение плода; 4 - пациент спит; 5 - пробуждение пациента.

разностных значений в процессе воздействия данной анестезии по отношению к этапам в отсутствии действия полной анестезии. Таким образом, данное направление можно считать перспективным, требующим дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе показана высокая чувствительность разработанного неинвазивного метода инструментального анализа, применение АПК ИПЧ позволяет эффективно производить мониторинг психофизиологического состояния человека. Данный метод прост в эксплуатации и обладают возможностью наглядного представления результатов в режиме реального времени, что позволяет рекомендовать его для применения в клинических и лабораторных условиях.

Разработана и программно реализована математическая модель плотности распределения тока в неоднородных проводниках, на основании которой произведен численный расчет плотности тока в биологических тканях человека.

Показана безопасность теплового действия ИПЧ на основании численной оценки теплового действия на биологические ткани. Предложена модель эквивалентной схемы замещения человека при включении в высокочастотный контур приборов.

Произведен анализ дисперсии импеданса живых клеточных тканей, выявлен диапазон наиболее значимого изменения комплексной проводимости связанный с появлением эффектов диэлекгрофореза и электровращения.

Предложены алгоритмы фильтрации данных от случайной помехи.

Произведена серия экспериментальных исследований, продемонстрировавшая возможность регистрации действия раздражителей различной интенсивности на

человека. Показана возможность регистрации методом ИПЧ действия анестетиков

в период операционного вмешательства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан аппаратно-программный комплекс АПК ИПЧ, позволяющий неинвазивно производить мониторинг психофизиологического состояния человека в режиме реального времени.

2. Предложена и программно реализована математическая модель распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике, в том числе и в биологических тканях.

3. Показано безопасное для тканей человека тепловое действие тока ИПЧ.

4. Предложен генетический алгоритм фильтрации данных от случайной помехи.

5. Разработан алгоритм частотной фильтрации случайной помехи, предложен метод внедрения данного алгоритма в процесс обработки данных АПК ИПЧ.

6. Разработан прибор АПК ACT, позволяющий неинвазивно производить анализ состояния тканей на клеточном уровне.

7. Экспериментально показана высокая эффективность метода ИПЧ для мониторинга раздражителей различной интенсивности.

8. Продемонстрирована возможность применения ИПЧ для мониторинга действия полной и регионарной анестезии в период операционного вмешательства.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Гришенцев, А. Ю, Исследование работы прибора «ИПЧ» при различных значениях влажности. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Д. А. Нечаев // Журнал «Приборостроение» №2(49). Изд-во. ООО «А-принт» 2005. С. 26-30. 76 с.

2. Гришенцев, А. Ю. Аппаратно-программный комплекс ИПЧ блок-схема реализации и некоторые результаты применения. [Текст] / А. Ю. Гришенцев // Сборник статей «Естественные и технические науки», № 4(36). Из-во «Компания Спутник +», М. 2008. С. 281-284. 366 с.

Другие статьи и материалы конференций:

3. Гришенцев, А. Ю. Анализ принципов работы прибора измеритель интегральной суммы токов высокой частоты. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Короткое К. Г. //«Наука. Информация. Сознание.» IX Международный научный конгресс по ГРВ биоэлектрографии. Изд-во. «Университетские телекоммуникации». С-Пб. 2006. С.112-116.

4. Гришенцев, А. Ю. Исследование физического состояния деревьев с использованием прибора измеритель поверхностных частот. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, А. Б. Воробьев, Т. Б. Дорофеева// «Наука. Информация. Сознание.» / X Международный научный конгресс по ГРВ биоэлектрографии. Изд-во. «Университетские телекоммуникации». С-Пб. 2006. С.103-107.

5. Гришенцев, А. Ю. Регистрация проявления реакции человека на стандартные тесты раздражители при помощи прибора ИПЧ. [Текст] / А. Ю. Гришенцев // Сборник трудов СПб НИИ физической культуры. Итоговая конференция 1920 декабря 2005. С.249-252.

6. Гришенцев, А. Ю. Исследование работы прибора «ИПЧ» при изменении атмосферных показателей. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Д. А. Нечаев // Доклад II конференция молодых ученых СПбГУИТМО 2005.

7. Гришенцев, А. Ю. Моделирование распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике. [Текст] / А. Ю. Гришенцев //4 1. Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 29. Изд-во. СПбГУ ИТМО. 2006. С. 87-94.280 с.

8. Гришенцев, А. Ю. Моделирование распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике. [Текст] / А. Ю. Гришенцев // Ч 2. Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 29. Изд-во. СПбГУ ИТМО. 2006. С. 95-99.280 с.

9. Гришенцев, А. Ю. Предварительные эксперименты по изменению характеристик газоразрядного свечения волос при различных условиях. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Е. Н. Петрова //Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 29. Изд-во. СПбГУИТМО 2006. С.100-103.280 с.

Ю.Гришенцев, А. Ю. Регистрация проявления реакции человека на стандартные тесты раздражители при помощи прибора ИПЧ. [Текст] / А. Ю. Гришенцев // Сборник трудов СПб НИИ физической культуры. 2006. С. 249-253.269 с.

11.Гришенцев, А. Ю. Организация обмена данными по шине USB с применением электронных компонентов фирмы FTDI. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Е. Н. Петрова // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Выпуск 40. Изд-во. СПбГУИТМО. 2007. С. 108-112.290 с.

12.Гришенцев, А. Ю. Выявление реакций людей при восприятии музыки методом ГРВ. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, Е. Н. Петрова, Е. В. Исаева, А. В. Шапин // Научно-технический вестник СПбГУИТМО. Изд-во. СПбГУИТМО. 2007. С. 95-101.290 с.

13.Гришенцев, А. Ю. Моделирование электрофотонного возбуждения биологических полимеров волос человека под действием ультрафиолетового облучения. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, К. Г. Короткое, Е. Н. Петрова // «Наука. Информация. Сознание.» XI Международный научный конгресс по ГРВ биоэлектрографии. Изд-во. «Университетские телекоммуникации». С-Пб. 2007. С. 103-107.

14.Гришенцев, А.Ю., Дополнительные исследования изменения общего импеданса некоторых тканей. [Текст] / А. Ю. Гришенцев, К. Г. Короткое // «Наука. Информация. Сознание.» XI Международный научный конгресс по ГРВ биоэлектрографии. Изд-во. «Университетские телекоммуникации». С-Пб. 2007. С. 79-82.

15.Гришенцев, А. Ю. Уточнение рабочего частотного диапазона аппаратно-программного комплекса СТАП. [Текст] / А. Ю. Гришенцев// Доклад V конференция молодых ученых СПбГУИТМО. 2008.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 4669 объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №47 Подписано в печать 11.01. 2009.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Классификация некоторых современных электрофизиологических исследований и воздействий.

1.2 Некоторые особенности и характеристики электромагнитных свойств тканей организма человека.

1.3 Обзор аппаратных методов исследования кожного покрова тела человека и его некоторых физических свойств.

1.4 Выводы.

1.5 Дополнения.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, СВЯЗАННЫХ С ПРОТЕКАНИЕМ ВЫНУЖДЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ПО БИОЛОГИЧЕСКИМ ТКАНЯМ ЧЕЛОВЕКА МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ.

2.1 Построение математической модели распределения плотности тока в тканях человека.:.

2.2 Моделирование упрощенной схемы замещения человека при подключении ИПЧ.

2.3 Оценочный расчет выделения тепловой энергии при протекании тока ИПЧ через палец человека.

2.4 Некоторые методы обработки и анализа данных.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АШ1АРАТНО-ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСА.

3.1 Аппаратно-программный комплекс.

3.1.1 Назначение прибора АПК ACT.

3.1.2 Базис разработки АПК ACT.

3.1.3 Структурно функциональная схема АПК ACT.

3.1.4 Программно-алгоритмическое обеспечение АПК ACT.

3.1.5 Практическая реализация модели АПК ACT.

3.1.6 Особенности функционирования АПК ACT.

3.2 Аппаратно-программный комплекс ИПЧ.

3.2.1 Назначение АПК ИПЧ.

3.2.2 Базис разработки АПК ИПЧ.

3.2.2 Структурно функциональная схема реализации ИПЧ.

3.2.3 Зависимость показаний прибора ИПЧ от влажности.

3.2.4 Программно-алгоритмическое обеспечение АПК ИПЧ.

3.2.5 Практическая реализация прибора АПК ИПЧ.

3.2.6 Особенности функционирования АПК ИПЧ.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

4.1 Некоторые экспериментальные исследования работы приборов на объектах - моделях.

4.2 Исследование регистрации некоторых воздействий на кожный покров человека.

4.3 Регистрация проявления реакции человека на стандартные тесты раздражители при помощи АПК ИПЧ.

4.4 Исследование возможности регистрации стандартного теста раздражителя дыхательная проба, при помощи АПК ACT.

4.5 Исследования влияния запахов ароматических масел на психофизиологическое состояние человека.

4.6 Исследование некоторых особенностей общей и регионарной анестезии с применением АПК ИПЧ.

Актуальность проблемы. Общественно социальное развитие в последнее время значительно увеличивает нагрузки на нервную систему человека, что стимулирует необходимость контроля психического и психофизиологического здоровья человека. Существующие приборные методы наблюдения не всегда позволяют эффективно отслеживать особенности психофизиологического состояния человека в режиме реального времени, это связано со значительной сложностью обработки данных, значительным количеством артефактов, не совершенством методов наблюдения. Чрезвычайно важным вопросом на сегодняшний день является мониторинг состояния пациента при воздействии анестезии. Пока не существует приборных способов достоверного контроля обезболивающего действия анестезии, особенно при нахождении пациента в состоянии сна. Оценку качества воздействия анестезирующих средств производит врач, на основании показаний приборов и собственного опыта. Остается открытым вопрос наблюдения психофизиологического состояния человека при действии слабых раздражителей. Актуальной задачей является выявление особенностей психофизиологического состояния лиц склонных к правонарушениям.

Анализ биомедицинских способов исследования в частотных областях проявления электровращения и диэлектрофореза (103-109 Гц) показал, что не смотря на хорошую изученность данных эффектов, в современных исследованиях практически не задействовано проявление данных особенностей поведения живой биологической ткани. При этом степень проявления диэлектрофореза и электровращения в первую очередь связанна с особенностями состояния клеточной мембраны, т.е и с состоянием клетки в целом. Большинство современных электрофизиологических методов исследований сконцентрировано в области постоянного тока и низких частот до десятков и сотен килогерц. Значительное развитие за последнее время получили методы исследований в КВЧ и УФ диапазонах, однако эти методы также не представляют возможным исследовать эффект электровращения, т. к. используют частоты выше частот электровращения поляризованных клеточных мембран. За последние годы много интересных результатов в области психофизиологических наблюдений показал метод газоразрядной визуализации (ГРВ) основанный на оптической регистрации и последующем анализе ответной реакции исследуемых биологических тканей на воздействующий высоковольтный потенциал в частотном диапазоне порядка единиц и десятков МГц, проявляющейся в виде электрофотонной эмиссии. Ряд исследований, в том числе с применением ГРВ, показал возможность наблюдения психофизиологического состояния организма по ответным реакциям на внешний воздействующий потенциал в области частот единиц и десятков МГц.

В диссертации разработан метод регистрации ответной реакции исследуемых тканей по значению тока, стимулированного внешним высокочастотным потенциалом, в отличие от метода ГРВ, где происходит регистрация визуального паттерна скользящего разряда. Такой подход позволяет увеличить скорость обработки данных, использовать выносные электроды, производить длительный мониторинг, применять низковольтный воздействующий потенциал.

Приведенный анализ позволил сделать вывод об актуальности темы диссертации, которая определяется:

• необходимостью разработки новых приборных средств, позволяющих наблюдать психофизиологическое состояние человека в режиме реального времени,

• необходимостью выявления электропроводящих особенностей биологических тканей в областях частот проявления эффектов диэлектрофореза и электровращения, связанных с динамическим изменением психофизиологического состояния человека.

Для решения этих вопросов необходима разработка аппаратно-программных комплексов позволяющих:

• исследовать спектральные особенности комплексной проводимости биологических тканей в выделенном частотном диапазоне.

• производить регистрацию стимулированных внешним потенциалом высокочастотных микротоков в выделенном частотном диапазоне, протекающих через биологический объект.

Целью диссертационной работы является разработка новых инструментальных методов, позволяющих проводить мониторинг изменения психофизиологического состояния человека в реальном масштабе времени. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи:

• Выбрать частотный диапазон для наиболее эффективного наблюдения за динамикой изменения психофизиологического состояния человека в реальном масштабе времени.

• Построить математическую модель распределения плотности тока в тканях человека в выбранном диапазоне частот.

• Построить математическую модель оценки теплового действия на биологические ткани протекающих через них в процессе исследований токов.

• Произвести разработку аппаратно-программного комплекса, позволяющего производить данные исследования.

• Произвести разработку методов анализа данных, полученных в процессе исследований.

• Произвести апробацию разработанных методов в экспериментальных исследованиях, в том числе и методов анализа данных.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в теоретической и практической части диссертационной работы использовались методы расчета и синтеза электрических цепей, методы математического моделирования физических процессов, методы схемотехнического проектирования аналоговых и цифровых устройств, методы машинной графики, теория вероятностей и математическая статистика, теории ошибок и планирования эксперимента, теория и методы автоматизации проектирования объектно-ориентированного программного обеспечения.

Экспериментальные исследования проводились на базе Санкт-Петербургского НИИ физической культуры, Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее значимые изменения дисперсии комплексной электропроводности биологических тканей в частотном диапазоне проявления эффектов диэлектрофореза и электровращения характерных для живых клеточных тканей, наблюдаются в диапазоне 2—8 МГц.

2. Особенности дисперсии импеданса биологических тканей в диапазоне частот 2—8 МГц позволяет производить оценку состояния тканей на клеточном уровне.

3. Разработанная математическая модель распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике, позволяет оценить распределение плотности тока в биологических тканях.

4. Оценку состояния вегетативной нервной системы в режиме реального времени возможно производить по динамике изменения во времени значений стимулированных внешним потенциалом токов в диапазоне 2-8 МГц, протекающих через кожные покровы различных частей тела человека.

Научная новизна работы заключается в разработке методов мониторинга психофизиологического состояния человека на базе параметров электропроводящих свойств биологических тканей в диапазоне частот 2-8 МГц при помощи разработанных аппаратных, методических, метрологических и программно- алгоритмических средств.

Основные научные результаты:

• Показана возможность неинвазивного наблюдения в реальном времени состояния вегетативной нервной системы человека при помощи регистрации микротоков в частотном диапазоне 2-8 МГц, стимулированных внешним потенциалом.

• Показана возможность неинвазивного наблюдения особенностей состояния биологических тканей человека путем измерения полного импеданса этих тканей в частотном диапазоне 2-8 МГц.

• Построена математическая модель плотности распределения высокочастотного тока в сложном неоднородном проводнике.

• Предложен генетический алгоритм фильтрации числовых векторов данных.

• Разработаны специализированные аппаратно-программные инструменты, позволяющие производить мониторинг состояния вегетативной нервной системы человека в режиме реального времени.

Практическая ценность работы. В экспериментальных исследованиях доказана релевантность и перспективность метода мониторинга психофизиологического состояния человека путем регистрации и анализа высокочастотных токов, стимулированных внешним потенциалом. Продемонстрирована возможность регистрации состояния биологических тканей на клеточном уровне путем регистрации комплексной проводимости в диапазоне 2-8 МГц. Разработаны аппаратно-программные комплексы позволяющие производить:

• Неинвазивный анализ состояния биологических тканей на клеточном уровне.

• Регистрацию слабых раздражителей сенсорных систем человека.

• Мониторинг психофизиологического состояния человека при воздействии как полной, так и регионарной анестезии.

Внедрение результатов. На базе разработанных АПК выполнены практические исследования оценки психофизиологического состояния спортсменов в рамках исследований, проводимых федеральным государственным учреждением Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт физической культуры.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных конгрессах по биоэлектрографии «Наука-Информация-Сознание» (Санкт-Петербург 2006, 2007), всероссийской межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург 2005 -2008), ежегодной итоговой конференции НИИ физической культуры (Санкт-Петербург 2005,2006).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных работ, из них - 9 статей (2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК), 5 работ — в трудах международных и российских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 116 наименований. Основная часть работы изложена на 171 стр. машинописного текста, содержит 94 рисунка, 10 таблиц.

Выводы:

Результаты произведенных исследований показывают, что АЧХ измеряемые при помощи ACT для контуров содержащих человека, могут значительно изменяться на достаточно больших интервалах времени десятки часов) не только по амплитуде, но и по форме, что является результатом изменения реактивной составляющей полного сопротивления биологических тканей, в том числе и глубоко подкожных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе показана высокая чувствительность разработанного неинвазивного метода инструментального анализа, применение АПК ИПЧ позволяет эффективно производить мониторинг психофизиологического состояния человека. Данный метод прост в эксплуатации и обладают возможностью наглядного представления результатов в режиме реального времени, что позволяет рекомендовать его для применения в клинических и лабораторных условиях.

Разработана и программно реализована математическая модель плотности распределения тока в неоднородных проводниках, на основании которой произведен численный расчет плотности тока в биологических тканях человека.

Показана безопасность теплового действия ИПЧ на основании численной оценки теплового действия на биологические ткани. Предложена модель эквивалентной схемы замещения человека при включении в высокочастотный контур приборов.

Произведен анализ дисперсии импеданса живых клеточных тканей, выявлен диапазон наиболее значимого изменения комплексной проводимости связанный с появлением эффектов диэлектрофореза и электровращения.

Предложены алгоритмы фильтрации данных от случайной помехи.

Произведена серия экспериментальных исследований, продемонстрировавшая возможность регистрации действия раздражителей различной интенсивности на человека. Показана возможность регистрации методом ИПЧ действия анестетиков в период операционного вмешательства.

1. Адам Д. Восприятие, сознание, память. Размышления биолога. Пер. с англ./ Перевод Алексеенко Н. Ю. М.: Мир, 1983. - 152 е., ил.

2. Дубовой Л.В. Магнитная терапия — современное состояние и перспективы. Вестник Северо-Западного регионального отделения Академии медикотехнических наук. Выпуск 7. СПб.: ООО «Агентство «Вит-принт»,2003. — 264с.

3. Пономаренко Г.Н. Физиотерапия в косметологии. СПб.: ВМедА,2002. 356с.

4. Хауссер К.Х., Кальбитцер Х.Р. ЯМР в медицине и биологии: структура молекул, томография, спектроскопия in-vivo. М.: «МедС» 1993.-259 е.: ил.

5. Кнеппо П., Титомир Л.И., Биомагнитные измерения. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 288 е.: ил.

6. Орлов В.Н. Руководство по электрокардиографии. М., ООО «МИА», 1997.

7. Система функциональной диагностики DDFAO. http://www.ddfao.ru официальный сайт. 2007.

8. Федорова В. Н., Степанова Л. А. Краткий курс медицинской / биологии с элементами реабилитологии. Лекции и семинары:

9. Учебное пособие. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2005. - 624 с.

10. Ю.Коноплев С.П., Галкин Г.С. Диагностика и лечение по Р. Фоллю.

11. Медицинские приборы "DETA". http://medstandeta.narod.ru. 2007. П.Скрипникова Т.П., Шевченко И.Б., Богашова Л.Я. Консервативно-хирургические методы лечения хронического периодонтита. М.: «МедС». 1999. 124 е.: ил.

12. Гнездецкий В.В. Обратная задача ЭЭГ и клиническая электроэнцефалография. М., МЕДпресс-информ, 2004. 624 с.

13. Сторона П. А. Классическая биорезонансная терапия по Ф. Мореллю и Э. Раше. Теория и практика, http://www.medknigi.npl-rez.ru/BRT.html. 2003.

14. Н.КоротковК. Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. СПб.: Изд-во

15. СПбГИТМО(ТУ), 2001. 360 с. 15.Филиппосьянц Ю. Р., Филатов С. И., Короткое К. Г., Нечаев Д.А. новый метод приборного выявления лиц с повышенным уровнем стресса. «Спорт и Здоровье» / Труды I межд. научн. конгресс. СПб.2003. Т.2 . С. 173-175.

16. Гуляев В.Ю., Матвеев В.А. Электроимпульсная косметология. Современные медицинские технологии. Екатеринбург: Магнон, 2004. -123 с.

17. Дильдин А.С., Калакутский Л.И., Черескожная электростимуляция при онкогенных болях. Самарский государственный медицинский университет, http://www.eliman.ru.

18. Ринкк П.А. Магнитный резонанс в медицине. Основной учебник Европейского форума по магнитному резонансу — М.: ГЭОТАР-МЕД,2003. — 256 с.

19. Пономаренко Г.Н., Антипенко П.В., Физиотерапия и курортология. -СПб.: 2000.-308 с.

20. Ватутина В. М., Им Тхек-ле, Комаровских Е. Н., Слабко В. В., Обработка реографических данных в задаче диагностики глаукомы. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ», http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2002/099.pdf2002., 11с.

21. Гаряев П.П. Волновой генетический код. Москва, 1997. — 108с.: ил.

22. Сазонов А. С., Найок М. С., Федоров С. Ю., Купеев В. Г., Хадарцев А. А. Низкоинтенсивная биорезонансная терапия./ Под. ред. Яшина

23. A. А. — Тула: Изд-во «Тульский полиграфист», 2000. 136 с.

24. СВЧ-терапия. Медицинский портал. Челябинск. http://www.med74.ru/.

25. Мирошников М. М., Адипов В.И., Гершанович М.А., Мельникова

26. B.П. / Тепловидение и его применение в медицине.-М.: Медицина, 1981.-183 с.

27. Нефедов Е.И., Протопопов А.А., Хадарцев А.А., Яшин А.А., Биофизика полей и излучений и биоинформатика: Монография, 4.1. Физико-биологические основы информационных процессов в живом веществе. — Тула: Изд-во ТулГУ,1998. — 333с.

28. Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник для вузов. — 2-еизд., испр. И доп. СПб.: СпецЛит, 2007. - 560 е.: ил.

29. Домрачев Г.А., Селивановский Д.А., Стунжас П.А.,Диденкулов И.Н., Родыгин Ю.Л., Вакс В.Л. Эффективность образования пероксида водорода и радикалов воды в природе. — Нижний Новгород, Институт прикладной физики РАН, 2000. 40 е.: ил.

30. Винярская И. В., Гордецов А. С., Лукушкина Е. Ф., Винярская И. В. Применение метода инфракрасной спектроскопии в диагностике болезней миокарда у детей. Нижегород. мед. журн. 2001 . N 2. С. 4752.

31. Березовский В.А., Колотилов Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник / Киев : наук. Думка, 1990.- 224 с.

32. Вайль Ю.С., Барановский Я.М. Инфракрасные лучи в клинической диагностике и медико-биологических исследованиях.- Л. Медицина, 1969.-240 с.

33. Вилс П., Рефлексология (Медицинская энциклопедия)/ Пер. с англ. — М.: АСТ-ПРЕСС СКД, 2003. 144с.: ил.

34. Воейков В.Л., Баскаков И.В., Кафкифлис К., Налетов В.И. Инициация вырожденно-разветвленной цепной реакции дезаминирования глицина сверхслабым ультрафиолетом или перекисью водорода. //Биоорганическая химия, т. 22, с. 39-47, 1996.

35. Воейков В.Л., Гурфинкель Ю.И., Дмитриев А.Ю., Кондаков С.Э. Немонотонные изменения скорости оседания эритроцитов в цельной крови. Доклады РАН. Т. 359, N 5, с. 1-5.

36. Воейков В.Л. Регуляторные функции активных форм кислорода в крови и в водных модельных системах. // Дисс. д.б.н., Москва, 2003.

37. Гурвич А.А., Еремеев В.Ф., Карабчиевский Ю.А. Энергетические основы митогенетического деления и его регистрации на фотоэлектронных умножителях.- М.: Медицина, 1974.- 96 с.

38. Grimnes O.G. Martinsen. Bioimpedance and bioelectricity basics. -Academic Press, 2000, 360 pp.

39. Maillard L.C. // Compt. Rend. 1912. 154. P. 66.43 .Яворский Б. М. Физика: учебное пособие. / Яворский Б. М., Детлаф А. А. 6-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2003. — 800 е.: ил.

40. Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов. — 24-е изд., исправленное./ Под ред. Рабиновича В. А. — Л.: Химия, 1985. — 704 е.:ил.45.3евеке Г.В.,Ионкин П.А.,Нетушил А.В., Основы теории цепей. Из— во «Энергия», Москва, 1975. —752. е.: ил.

41. Зубков Ю.Н., Кожемякин И.М., Семенцова Т.М. Моделирование пассивных электрических свойств тканей организма, г. Ульяновск, Ульяновский государственный университет. http:\\www.itfin.ulstu.ru.

42. Афонин П.Н., Афонин Д.Н., Бегун П.И., Пахарьков Г.Н. Исследование проницаемости кожных капилляров импедансометрическим методом. // Тезисы докладов II Съезда биофизиков России, Москва, 23-27 августа 1999. М., 1999.- Т.2.- С. 642-643.

43. Березовский В.А., Левашов О.М., Сафонов С.Л., Левашов М.И. Пассивные электрические свойства компактной костной ткани в норме и при дефици-те механической нагрузки//Украшський медичний альманах. -2003. -Т.6, №2. -С. 162-164.

44. Коган А.Б., Косицкий Г.И. Физиология человека и животных 1,2. Из—во «Высшая школа», Москва 1984.

45. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я., Медицинская и биологическая физика. М. Дрофа. 2003 г., 560 с.

46. Потапенко А.Я., Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями.//курс лекций Российский Государственный Медицинский Университет. —М.:/ http://old.rsmu.ru/deps/cafphys/Teachers. 2006.

47. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А., Расчет индуктивностей. Справочная книга. Энергоатомиздат, Ленинград, 1986. 448. е.: ил.

48. Николаев Д. В., Бобринская И. Г., Смирнов А. В. Билалова Э. Ф., Пушкин С. В. Биоэлектрическая импедансная спектроскопия в оценке баланса церебральной жидкости: первые результаты. НТЦ "Медасс", МГМСУ2.// http://www.medass.ru/. 2006.

49. Смирнов А. В., Цветков А. А., Туйкин С.А., Методы и аппаратура электроимпедансной спектроскопии. НТЦ "Медасс", МГМСУ2.// http://www.medass.ru/. 2006.

50. Рубин А.Б. Биофизика. М: Наука. 2004. Т.2. 448 с.

51. Тонков В. Н.Учебник нормальной анатомии человека : в 2 т.: учеб. для мед. ин- тов /.- Л.: Медгиз, 1953-. Т. 2.- 1953,- 328 е.: ил.

52. Сомкин П. Б. Обзор аппаратных методов исследования кожного покрова тела человека и его механических свойств. Вестник, серия «Естественнонаучная». № 1(6). Северо-Кавказский государственный технический университет -214 с. http://science.ncstu.ru/.

53. Пономарёв В П. Релеевские и сдвиговые волны, возбуждаемыеточечным источником звука. В/43/с.86-87.

54. Болынаков О.П., Котов И.Р., Хопов В.В. Система для измерения рельефа поверхности и упругости кожи // Мед. техника. №5. 1997. С. 35-38.

55. Петрова Г.А., Дерпалюк Е.Н. Возможности оптической когерентной томографии в дифференциальной диагностике и мониторинге заболеваний кожи // Вестник дерматологии и венерологии. №5. 2002. С.4-11.

56. Гришенцев А. Ю., Моделирование распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике, часть 1. III конференция молодых ученых СПбГУИТМО Изд-во. СПбГУ ИТМО. 2006. 87 с.

57. Гришенцев А. Ю., Моделирование распределения плотности тока в сложном неоднородном проводнике, часть 2. III конференция молодых ученых СПбГУИТМО Изд-во. СПбГУ ИТМО. 2006. 95 с.

58. Новгородцев А.Б., Теория электромагнитного поля, конспект лекций. Изд-во СПбГТУ, СПб., 1994. 136 е.: ил.

59. Гад С. Я., Крючков А. Н., Яшин А. А., Биофизика полей и излучений и биоинформатика. Монография. Под ред. Нефедова Е. И., Хадарцева А. А., Яшина А. А.—Тула: Тул ГУ. НИИ НМТ. Изд-во ГУИПП «Тульский полиграфист», 2000. — 286 с.

60. Albert S.N. Blood volume and extra cellular fluid volume. Springfield, Illinois: Charles and Thomas Publisher, 1971. -322.

61. Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента. Пер. с англ. — М.: Изд-во «МИР», 1981.—520 е., ил.

62. Бурдун Г.Д. Справочник по международной системе единиц СИ, Из—во стандартов, 1977. -232 с.

63. Калиткин Н.Н., Численные методы. Изд-во «Наука», Москва, 1978. -512 е.: ил.

64. Кобзев Н. И., Исследования в области термодинамики процессов информации и мышления.—М.: Изд-во МГУ, 1971. 252 с.

65. Демирчан К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. Том 1. — СПб. Питер, 2006. -463 е.: ил.

66. Демирчан К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л.

67. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. Том 2. -СПб. Питер, 2006. -576 е.: ил.

68. Демирчан К. С., Нейман JI. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники. Учебник для вузов. Том 3. — СПб. Питер, 2006. -377 е.: ил.

69. Архангельский А .Я. C++Builder 6. Справочное пособие. Книга Г. Язык С++. Изд-во.—Москва, ООО «Бином-Пресс», 2004. -544 е.: ил.

70. Архангельский А.Я. C++Builder 6. Справочное пособие. Книга 2. Классы и компоненты. Изд-во. —Москва, ООО «Бином-Пресс», 2004. —528 е.: ил.

71. Архангельский А.Я. Программирование в C++Builder 6, 2-е изд.— Москва, ООО «Бином-Пресс», 2005. —1168 е.: ил.

72. Архангельский А.Я., Тагин М.А., Приемы программирования в C++Builder 6 механизмы Windows, сети. Москва, ООО «Бином-Пресс», 2005. -656 е.: ил.

73. Пирогов В. Ю. Ассемблер для Windows. 3-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. -864 е.: ил.

74. Шилдт Г. Справочник программиста по C/C++, 3-е изд.,: Пер. с англ. М.: ООО «И.Д. Вильяме», 2006. - 432 е.: ил.

75. Агуров П. В. Практика программирования USB // СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 624с.

76. Колесниченко О. В., Шишигин И. В., Аппаратные средства PC. 4-е изд., перераб. и доп. — СПб.: БХВ-Петербург, 2003. — 1024 е.: ил.

77. Свешников А.Г., Тихонов А.Н., Теория функции комплексной переменной. Из—во «Наука Физматлит», Москва, 1999. —320 с.

78. Демидович Б.П.,Марон И.А., Основы вычислительной математики. Изд-во «Наука», Москва, 1970. -664 е.: ил.

79. Калиткин Н.Н., Численные методы. Изд-во «Наука», Москва, 1978. -512 е.: ил.

80. Разевиг В. Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7. М.: Горячая линия -Телеком, 2003. 368 е.: ил.

81. Адрианов О. С. Проблемы структурной организации правого и левого полушарий мозга//Нейропсихологический анализ межполушарной асимметрии мозга. —М., 1986. —295 е., ил.

82. Брагина Н. Н., Доброхотова Т. А. Функциональные асимметрии человека. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1988. —240 е., ил.

83. Балонов Л. Я., Деглин В. Л. Слух и речь доминантного и недоминантного полушария. — Л., 1976. 218 е.: ил.

84. Коновалов В. Ф., Отмахова Н. А. Особенности межполушарныхвзаимодействии при запечатлении информации. «Вопросы психологии», 1996. http://www.voppsy.ni/issues/l984/844/844096.htm

85. Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг, правый мозг: Пер. с англ. -М.: Мир, 1983.-256 е., ил.

86. Carter R. Mapping the Mind.//Weidenfield & Nicolson. London. 1998;

87. Гришенцев А. Ю., Нечаев Д. А., Исследование работы прибора «ИПЧ» при различных значениях влажности. УДК 621.317.7. журнал «Приборостроение» №3 j Изд-во. ООО «А-принт» 2005; 26 с.

88. Пышкин Е. Основные концепции и механизмы объектно-ориентированное программирования. Учебное пособие. —СПб.: Питер,-2006.-640 е.: ил.

89. Пауэл Т. А., Уитворт Д. Справочник программиста. — М.:АСТ, Мн.: Харвест, 2005. 384 с.

90. Ахмеджанов Р.А., Вихарев А.Л., Горбачев А.М., Иванов О.А., Колыско А. Л. Исследование процесса образования озона в наносекундном СВЧ; разряде в воздухе и кислороде // ЖТФ, 1997, том 67, выпуск 3, Стр. 9.

91. Дресвин С. В., Физика и техника низкотемпературной плазмы / Mi: Атомиздат, 1972.

92. Гришенцев; А. Ю., Уточнение рабочего* частотного диапазона аппаратно-программного комплекса СТАЛ. / V конференция молодых ученых СПбГУИТМО. 2008.

93. Смолянинов В. В. Математическое моделирование биологических тканей. Изд-во «Наука», М, 1980, 368 с.: ил.

94. Анализатор спектра СК4-59. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЕЭ1.406.055 ТО. 1984.

95. Ахутина В. М., Биотехнические системы — Теория и проектирование. ЛГУ, 1981.109.11олонников Р. И. Основные концепции общей теории информации.- СПб.: «Наука», 2006. 204 с.

96. Кобзев Н. И., Исследования в области термодинамики процессов информации и мышления.—М.: Изд-во МГУ, 1971. 252 с.

97. Тонков В, Н. Учебник нормальной анатомии человека : в 2 т.: учеб. для мед. ин- тов /.- Л.: Медгиз, 1953-. Т. 1.- 1953.- 504 е.: ил. .- 504 е.: ил.

98. Brookes, Jennifer С., Hartoutsiou, Filio, Horsfield, A. P., and Stoneham, A. M. "Could Humans Recognize Odor by Phonon Assisted Tunneling?" Physical Review Letters 98, 038101. 2007.

99. Гелстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М. Из— во «Мир», 1983.

100. Заяц Р.Г., Рачковская И.В., Стамбровская В.М. Биология. Минск. Из—во «Высшейшая школа», 2000.