Оптичні методи та інтерактивні засоби контролю в діагностиці неоднорідних середовищ

автоматизація оптичних контрольно-вимірювальних засобів на базі вдосконалення апаратної частини з введенням функцій самокорекції, адаптації, управління для здійснення активного та інтерактивного режимів досліджень;

інтелектуалізація оптичної контрольно-вимірювальної (діагностичної, слідкуючої, управляючої) техніки з застосуванням у її складі проблемно-орієнтованих експертних систем з базами знань, умінь, даних та системою логічного виводу на основі програмної надлишковості і розвитку інтелектуального інтерфейсу.

Об’єктом дослідження правили:

математичні моделі трансформації світлового поля неоднорідними об’єктами та передатні функції засобів контролю;

структурні та функціональні схеми, а також метрологічні і конструктивні особливості оптичних інтерактивних засобів контролю неоднорідних середовищ;

експериментальні методики контролю основних оптичних характеристик різних за специфікою і агрегатним станом об’єктів;

характеристичні спектральні закономірності та принципові особливості експериментальних зразків різноманітної природи походження в залежності від крайових умов та впливу різних факторів.

Мета роботи спрямована на подальший розвиток теоретичних і методологічних основ оптичного контролю та створення на їх базі інтерактивних технічних систем і експериментальних методик визначення основних оптичних характеристик неоднорідних (світлорозсіювальних) середовищ з врахуванням ефектів розсіяння та покращенням інформативно-метрологічних параметрів розроблюваних засобів.

У відповідності до цієї мети вирішувались такі основні задачі:

- розроблялись математичні моделі трансформації світлового поля неоднорідними структурами з одержанням зручних рівнянь перетворення;

вдосконалювались існуючі та розроблялись нові експериментальні методики контролю і визначення основних оптичних характеристик світлорозсіювальних об’єктів;

розроблялись нові оптичні методи та багатофункціональні контрольно-вимірювальні технічні засоби, призначені для досліджень і експресної діагностики реальних неоднорідних середовищ, зокрема, гуморальних;

автоматизувались розроблювані спектрофотометричні системи на базі вдосконалення апаратної частини та уніфікації первинного перетворювача оптичного сигналу, зокрема, за принципом інтегрувальної сфери;

інтелектуалізувались створені оптичні засоби контролю на основі ПК і інтелектуального інтерфейсу та програмної надлишковості, а також розроблялись і застосовувались проблемно-орієнтовані експертні системи управління, обробки і збереження спектрофотометричної інформації;

експериментально досліджувались спектри поглинання та дифузного відбивання життєвоважливих світлорозсіювальних середовищ і на цій основі вивчались нові явища та принципові закономірності дослідних об’єктів;

практично реалізувались основні результати розробок та досліджень в науці, техніці і медицині.

Методи та методики досліджень. В основу дисертаційної роботи покладені основні теоретичні (непрямі) та експериментальні (прямі) методи контролю оптичних параметрів неоднорідних середовищ, що базуються на аналізі рівняння переносу відповідної теорії, а також розв’язку її зворотної задачі, суть якої зводиться до визначення параметрів стану і будови речовини за характеристиками трансформованого нею світлового поля. Крім того, теоретичним та методологічним фундаментом роботи слід вважати теорії випадкових процесів, інформації, планування експерименту, а також багатомірний статистичний аналіз із застосуванням математичного та програмного апарату ПК з врахуванням правил логічного виводу.

Достовірність результатів. Співставлення математичних моделей з результатами експериментальних досліджень показало їх задовільний збіг. Крім того, випробування спектрофотометричних контрольно-вимірювальних систем під час проведення багаточисельних експериментів, а також впровадження частини матеріалів дисертаційної роботи безпосередньо у практику, зокрема, медичної діагностики і одержані при цьому позитивні відзиви свідчать про необхідний ступінь надійності розроблених засобів та високої достовірності результатів досліджень.

Наукова новизна основних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в подальшому розвиткові теорії трансформації світлового поля неоднорідними об’єктами, зокрема, в інтегрувальному резонаторі, а також розробці методології оптичного контролю неоднорідних середовищ та створення на їх основі інтерактивних контрольно-вимірювальних засобів і уніфікованих методик достовірного визначення основних оптичних характеристик та діагностики життєвоважливих об’єктів із всебічним врахуванням ефектів розсіяння та інформативно-метрологічних параметрів, що у порівнянні з існуючими засобами є ефективнішими та досконалішими.

Теоретична цінність, що складає наукову новизну, міститься у таких основних положеннях:

- запропоновано нові та розвинуто відомі математичні моделі трансформації поля випромінювання елементарним об’ємом і поверхнею неоднорідних середовищ, які максимально адаптовані до реального експерименту;

- синтезовано передатну функцію та структури оптичних засобів контролю неоднорідних середовищ як лінійних динамічних систем, що дозволяє повністю охарактеризувати властивості всіх функціональних ланок і загальний перехідний процес на їх виході;

- з допомогою машинних програмних засобів типу Maple уніфіковано математичну модель трансформації світлового поля у сферичному первинному перетворювачі з врахуванням критеріїв ефективності його оптико-геометричних, енергетичних та метрологічних характеристик, що дозволило для конкретної задачі визначати радіус фотометричної сфери, розміри її робочих отворів та інші важливі параметри, які, у свою чергу, призводять до збільшення точності і достовірності контролю, а також чутливості методу;

- розроблено алгоритм визначення істинного показника поглинання випромінювання гуморальним середовищем за умови термодинамічного балансу та закону збереження променистої енергії, що дозволяє у повній мірі врахувати як специфіку світлорозсіювального середовища, так і використати рівняння перетворення за відомим законом Бугера і для неоднорідних об’єктів;

- з позиції координаційної теорії кристалічного поля досліджено явище і механізм антистоксової флуоресценції порфиринів на основі спектрів поглинання елементарним шаром донорської та патологічної тканини у видимій і ближній ІЧ-області спектра (400-1100 нм) при різних температурних впливах в інтервалі 350-140К та зміні інших зовнішніх факторів, що дало змогу розробити диференційні методи ранньої діагностики в онкології, гематології, трансфузіології;

- вперше досліджено почасову кінетику розпаду гемоглобіну крові на основі спектрів дифузного відбивання поверхні