GDV/EPI Basic (Rus)

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ГРВ БИОЭЛЕКТРОГРАФИИ

Рассмотрены основные физические процессы, протекающие при газоразрядной визуализации (ГРВ) объектов различной природы. Приведены основные параметры систем формирования изображений, комплекса вычисляемых параметров изображений, а также серийно выпускаемых ГРВ приборов.

Введение

Свечение объектов различной природы в электромагнитных полях высокой напряженности было обнаружено более 200 лет назад и с тех пор постоянно привлекало внимание исследователей (обзор литературы можно найти в [1, 2]). Однако только с созданием программно-аппаратных комплексов газоразрядной визуализации (ГРВ) в 1995 году исследование этих свечений получило статус научного направления. С тех пор были детально исследованы физические механизмы формирования свечений [3], налажено серийное производство приборов, созданы комплексы программ для приложений в медицине, биологии, исследовании материалов [4]. Было показано, что характеристики свечения поверхности кожного покрова человека зависят, в первую очередь, от активности вегетативной нервной системы с учетом системы адаптационных уровней [5].

Программно-аппаратные ГРВ биоэлектрографические комплексы нашли практическое применение в следующих основных областях.

Медицина – для анализа состояния вегетативной нервной системы и мониторинга реакций организма в процессе проводимой терапии [6,7,8]. ГРВ комплекс сертифицирован Минздравом РФ в качестве прибора медицинской техники.

Спорт – для оценки уровня соревновательной готовности спортсменов [9,10]. ГРВ комплекс по приказу Государственного Агентства по физической культуре и спорту устанавливается в училищах Олимпийского резерва России.

Правоохранительные органы – для оценки уровня стресса личного состава и лиц, склонных к противоправным действиям [11].

Исследование жидкостей и материалов – для выявления отличия натуральных и синтетических масел [12], оценки качества косметических препаратов [13], волос человека [14]опасности аллергенов по параметрам ГРВ свечения образцов крови [15] и целого ряда других приложений.

Столь широкий спектр применений обусловлен высокой чувствительностью метода ГРВ к изменениям эмиссионных параметров исследуемого объекта, помещенного в электромагнитное поле высокой напряженности, и применяемых методов обработки информации на базе современных подходов теории и методов искусственного интеллекта.

Физические принципы формирования изображений при газоразрядной визуализации

Для понимания принципов работы приборов газоразрядной визуализации (ГРВ)1

рассмотрим принципиальную схему устройства прибора (рис.1). Исследуемый объект 1 помещается на поверхности диэлектрической (в большинстве модификаций кварцевой) пластины 2, на которую подаются импульсы напряжения от импульсного генератора 4, для чего на обратную сторону пластины 2 нанесено прозрачное токопроводящее покрытие 3. При высокой напряженности поля в газовой среде пространства контакта объекта 1 и пластины 2 развивается разряд в газовой фазе 5, носящий название «скользящий газовый разряд» [16], параметры которого определяются свойствами объекта. Свечение разряда 6 с помощью оптической системы и ПЗС-камеры 7 преобразуется в видеосигналы, которые поступают в виде одиночных кадров или серии кадров в компьютер 8. Специализированный программный комплекс позволяет провести обработку изображений (ГРВ-грамм), представляющих собой пространственное распределение освещенности, зависящее от состояния исследуемого объекта. Для примера на рис.2 приведены изображения газоразрядного свечения пальцев рук человека, типичные для различных состояний здоровья. У практически здорового человека (рис. 2 А) свечение равномерное и яркое по всей окружности пальца. У больного (в данном примере кардиологического) свечение характеризуется меньшей яркостью и наличием провалов свчения (рис. 2 Б), в то время как у человека в состоянии физиологического стресса (рис. 2 В) это свечение имеет только ряд отдельных выбросов. На этом же рисунке приведено характерное свечения капли жидкости (рис. 2 Г), несущее информацию о ее физико-химических свойствах.

Анализ больших баз данных людей в различном состоянии позволил, на базе методов компьютерной обработки изображений, определить комплекс параметров, которые в ряде случаев позволяют формировать диагностические заключения. В специализированном программном ГРВ комплексе вычисляются следующие параметры: площадь изображения (количество пикселей изображения ненулевой яркости), распределение пикселей изображения по яркости, и ряд других, описываемых ниже.

При всем многообразии конкретных технических решений сущность процесса визуализации может быть сведена к некоторой теоретической схеме [3]. Первичным процессом является процесс взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с объектом исследования, в результате которого при определенной напряженности ЭМП с поверхности объекта возникает эмиссия заряженных частиц и фотонов, участвующих в инициировании начальных фаз газового разряда. Газовый разряд, в свою очередь, может влиять на состояние объекта, вызывая вторичные эмиссионные и тепловые процессы. Неоднородность поверхности и объема исследуемого объекта, процессы эмиссии заряженных частиц или выделения газов оказывают влияние на параметры электромагнитного поля, за счет чего изменяются характеристики тока разряда и оптического излучения. При этом основная информация извлекается из характеристик свечения. Приемник излучения преобразует пространственное распределение освещенности в изображение, анализ которого приводит к формированию набора параметров. Из параметров строится симптомокомплекс [17, 18], необходимый для формирования заключения: анализа состояния пациента при конкретном заболевании, количественной оценки уровня психоэмоциональной реакции испытуемого на воздействующие стимулы, оценки уровня стресса и так далее. Дополнительная информация извлекается из анализа динамических рядов изображений, то есть временной динамики процессов [19].

При исследовании объектов различной природы, как биологических (БО), так и неорганических, извлечение информации о состоянии объекта происходит за счет процессов нескольких уровней [3]:
 Объект включен в цепь протекания электрического тока в системе связанных LC контуров (рис.1), поэтому изменения комплексного сопротивления объекта за счет физических и/или физиологических процессов приводит к перераспределению токов в контурах и сказывается на параметрах свечения. В частности, биологический объект представляет собой систему с неоднородным распределением элементов различной проводимости вблизи поверхности, например, кости, кровеносные сосуды, соединительная ткань. Это приводит к формированию неоднородного рельефа распределения ЭМП вблизи поверхности, что влияет на характер развития разряда.
 Наличие влажности, неоднородностей структуры поверхности приводят к модификации условий развития разряда.

 Выделение газов поверхностью объекта влияет на параметры формирования разряда.
 Подача на поверхность биологического объекта короткого импульса напряжения при аппаратном ограничении протекающего импульсного тока вызывает нервно-сосудистую реакцию как прилегающих участков, так, в определенных случаях, и всего организма. Характер этой реакции зависит от физиологического статуса отдельных органов и систем, что влияет на параметры изображения.

В большинстве случаев формируемое изображение является результатом совместного действия двух процессов. В начале развивается лавинный разряд в узком зазоре, ограниченном поверхностями объекта и диэлектрика (стекла). Этот процесс инициирует скользящий разряд по поверхности диэлектрика. Скользящим разрядом называется электрический разряд, развивающийся по поверхности раздела двух сред, одна из которых – газообразный диэлектрик (воздух), а другая – диэлектрик или полупроводник с конденсированной (твердой или жидкой) фазой [16]. В частности, скользящий разряд возникает при быстроменяющемся напряжении на поверхности тонкослойного диэлектрика, когда другая его сторона покрыта токопроводящим слоем, при резко неравномерном электрическом поле. Примером такого типа разряда является разряд в системе электродов металлическое острие – плоский электрод, покрытый слоем диэлектрика, когда острие расположено перпендикулярно плоскости. Эта система служит хорошей моделью при исследовании пальцев рук человека.

GDV-Basic-Krylov-Korotkov

GDV/EPI Basic (Russian)