Волоконно-оптические измерительные системы в задачах биомеханики тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.08 ВАК РФ

На правах рукописи

СКВОРЧЕВСКИЙ Константин Анатольевич

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ В ЗАДАЧАХ БИОМЕХАНИКИ

Специальность 01 02 08 - биомеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научные консультанты:

Академик Константин Васильевич Фролов Доктор медицинских наук Александр Михайлович Орел

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Хачик Сааковнч Багдасаров

Ведущая организация: Институт РКНПКМЗРФ

Защита состоится " 2 6" февраля 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 002.059.03 в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН по адресу: 101990, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., д4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института машиноведения им АА Благонравова РАН.

доктор физико-математических наук доктор медицинских наук, профессор

Сергей Валентинович Петухов Виталий Александрович Демин

А К. Скворчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Патенты живой природы традиционно являются побудительньш мотивом для инженерной мысли, издавна стремящейся воплотить в технических аналогах их удивительные возможности. Функционирование систем человеческого организма способно подсказать ряд эвристических технических решений, воплощение которых в реальных моделях приводит к созданию принципиально новых систем, решающих насущные задачи медицины, техники и науки в целом. Разрешение проблемы создания высокоточных чувствительных исследовательских систем позволит не только решить традиционные задачи биомеханики, но также вскрыть пласт новых проблем, решение которых возможно только при использовании современных технических средств.

Решепие задач биомеханики в системах «человек-машина-среда» остро нуждается в методах и средствах, основанных на измерительных системах, чувствительность, специфичность и точность которых соизмеримы с функционированием человеческого организма. Эти системы должны надежно работать в экстремальных условиях, быть малогабаритными, устойчивыми к действию разнообразных внешних условий и помех, таких, как сильные электромагнитные поля, взрыво- и пожароопасные факторы и пр.

Биологические объекты отличаются особой сложностью. Для живого организма характерны многофазовые переходы и кооперативные процессы, при которых множество частей ведет себя как единое целое. При создании сложных систем «человек-машина-среда» необходимо производить комплексные измерения не только биологической части систем, но, одновременно, и окружающей ее среды. Измерению подлежат физические характеристики из широкого перечня видов, включающего микроускорения, микрогравитацию, вибрацию, температуру, давление и т.д. Данные, в которых нуждаются исследователи, должны описывать сложные свойства биологических объектов и охватывать целый круг проблем распознания, регистрации и хранения индивидуальных особенностей каждого исследуемого, так, как морфологические характеристики, пространственное расположение каждого элемента, а также изменения всех характеристик в ходе исполнения двигательных актов, носит объективный характер.

Воздействия со стороны внешней среды зачастую развиваются по апериодическому закону, что затрудняет использование в качестве измерительных систем традиционных пъезорезонансных,

магнитоиндукционных и емкостных датчиков. В области низкочастотных воздействий чувствительность электрических датчиков оказывается недостаточной для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния слабых физических полей на биологические процессы, что особенно ярко проявляется в случае микроускорений

БИБЛИОТЕКА 1 СПстер&рг и ) | ОЭ ХЛ1йп'иС I

Особую проблему представляет отсутствие соответствующих устройств - датчиков, способных воспринимать и фиксировать такого рода информацию. Разрешение этой проблемы видится в объединении волоконно-оптических систем с известными лазенными разработками [16].

В области комплексных измерений использование волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) имеет целый ряд преимуществ перед электрическими датчиками и является особо актуальным [7-15].

Успехи в области создания, дальнейшей разработки приборов на основе световолоконных преобразователей и применения их в биомеханике наряду с зарубежными исследователями и организациями, связаны с именами российских ученых: А.М.Прохорова, Е.М.Дианова, Н.Г.Басова,

Ю.В.Гуляева, КВ.Фролова, А.К.Сенаторова, Х.С.Багдасарова,

Ю.А.Быковского, Ю.Н. Кульчина, В.И .Бусурина, В.В.Смолянинова, С.А. Регирера, АИ.Миронова, ААИсакова, Б.Г.Горшкова, В.СЛетохова, АВ.Приезжева, В.В.Тучина, ЛЛ.Шубочкина, А.А.Маркилова, С.В.Петухова, АБ.Новикова, Б.А.Потемкина; И.Н.Королевой и другими.

Для проведения абсолютных измерений физических величин широко используются волоконные интерферометры «белого света». Базовыми элементами для этих устройств служат волоконно-оптические интерферометры Фабри-Перо. Такие датчики позволяют с высокой точностью измерять температуру, усилие, давление, перемещение и многое другое [1-18].

Многие компании также успешно используют измерительные волоконно- оптические интерферометры Маха-Цендера, Майкельсона и Саньяка для создания чувствительных элементов датчиков[1-4].

Одними из наиболее распространенных типов волоконно-оптических датчиков, ввиду особой технологичности изготовления, в ближайшем будущем могут явиться датчики на брэгговских решетках, записываемых непосредственно в материале сердцевины волоконных световодов [1-4,7-21].

Значительное место среди волоконно-оптических датчиков способны занять поляризационные датчики и датчики на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, которые, как и волоконные интерферометры Фабри-Перо, нуждаются только в одном измерительном волоконном тракте и не требуют дополнительного опорного плеча, что значительно упрощает конструкцию измерительных систем [7-8].

Одной из важных характеристик света, используемых в волоконно-оптических системах является его поляризация. Эта характеристика существенна для живого вещества. Например, известно, что огромное число видов живых организмов способно к зрительному восприятию поляризованного солнечного света и строит свою деятельность с учетом такого света [Мазохин-Поршняков Г.А., 1965; Грибакин Ф.Г., 1969; Франпевич Л.И., 1982, Дмитриевский, 1985,1992идр.].

Вместе с тем применение одноволоконных многомодовых датчиков

для исследования сложных задач биомеханики до сих пор не отмечалось.

Исследованию закономерностей локомоций человека уделяется огромное внимание в работах отечественных и зарубежных ученых.

Детальному изучению походки в норме посвящены работы Витензона А.С. (1998). Широкую известность получили исследования локомоций компьютерных диагностических комплексов с помощью технологии клинического анализа движений [Скворцов Д.В.2001,2002, 2003 и др.]. Эти технологии предусматривают построение моделей двигательного стереотипа больного в норме и при патологических изменениях. Вместе с тем детальное изучение движений больного с учетом всех нюансов локомоторных паттернов в режиме реального времени до сих пор не имело необходимых чувствительных элементов. ВОИС способны получать, регистрировать и обрабатывать большой объем разнообразных параметров пространственного положения двигательных элементов опорно-двигательного аппарата человека. Более того, ВОИС способна регистрировать все изменения в процессе перемещений. Подобных исследований до сих пор не проводилось.

Изучению пространственного положения и одновременно патоморфологических изменений позвоночника с учетом индивидуальных особенностей каждого больного применительно к нуждам мануальной терапии посвящены работы Орла A.M. (2001, 2002, 2003). Рентгенологический метод исследования дает обширные материалы для изучения морфологии и статики позвоночника больного. Однако, применение этого метода для широкого анализа динамики позвоночника и каждого позвоночного двигательного сегмента ограничивается высокой лучевой нагрузкой и отсутствием соответствующего компьютерного программного обеспечения. В связи с этим волоконно-оптические системы (ВОИС) с распределенными параметрами обладают несомненными преимуществами, поскольку они способны учитывать изменения большого количества параметров позвоночника, увидеть микроперемещения всех составляющих элементов позвоночника в режиме реального времени, что позволит уточнить диагностику егобиомеханики. Подобные исследования до сих пор не проводились.

ВОИС системы могут разрешить ряд проблем в исследовании гемодинамики. Разработанные лазерные методы применены в экспериментальных исследованиях гидродинамики сосудов и капилляров, что выявило ряд особенностей при пульсовом потоке жидкости и взаимодействия при разных биомеханических аспектах.

В диссертации дана оценка динамических характеристик потока жидкости в лазерных экспериментах гидродинамики капилляров методами ВОИС, особенности взаимодействия пульсирующего потока жидкости со стенкой сосуда, математическое описание явления и состояния гидродинамики сосудов, исследование явления кавитации в сосудах и автоколебаний стенки, определение условий возникновения автоколебаний,

исследование параметрического резонанса сосудов, клинические исследования и рекомендации.

В настоящей работе также предпринята попытка построить с помощью волоконно-оптических средств функциональный аналог одной из биологических систем для применения в технических комплексах. Речь идет о вестибулярной системе организма человека и многих' позвоночных, помогающей организму ориентироваться как в пространственном положении головы, так и в изменении направления движения тела. Волоконно-оптические функциональные аналоги вестибулярного аппарата являются основой для разработки перспективных систем управления движением сложных технических систем, в том числе авиационных и космических летательных аппаратов [8-10]. Проблемы биомеханики, которые может решить ВОИС, пока еще не решены.

Целями и задачами работы являются:

Цель работы: создание методики и исследование возможностей волоконно-оптической измерительной системы для решения проблем биомеханики. Задачи:

1. Разработка методов экспериментального исследования влияния основных видов деформационных полей на параметры излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах, в одномодовых световодах типа "Двужильная Панда", с целью решения задач биомеханики, связанных с точными измерениями микроускорений, вибраций и ударных нагрузок, возникающих при работе человека-оператора, локомоций и исследования функциональных характеристик опрно - двигательного аппарата человека, а также реализации вестибулярной чувствительности человека в практических целях.

2. Определение условий возможности использования деформаций аксиального растяжения-сжатия, плоского изгиба и кручения волоконных световодов, а также изменений геометрии внешней оптической связи волноводов и эффекта туннельной оптической связи для разработки датчиков непосредственного восприятия микроперемещений при позных положениях человека, ускорений при воздействии элементов и частей тела человека при физических нагрузках и локомоциях.

3. Разработка системы измерения отклика биологических объектов в условиях внешних физических воздействий на различные рецепторы тела человека при изучении биомеханической подвижности позвоночника и его внутренней среды.

4. Экспериментальные исследования гидродинамики сосудов и капилляров за счет сопряжения обращенных фронтов квантовых потоков, фотонно-фононного преобразования в средах в реальном масштабе времени, измерения взаимодействия пульсирующего потока жидкости со стенкой сосуда, математическое описание явления и состояния гидродинамики

сосудов, исследования явления кавитации в сосудах и автоколебании стенки, определения условий возникновения автоколебаний, исследование параметрического резонанса сосудов, клинические исследования и рекомендации.

5. Исследования возможности создания функционального волоконно-оптического аналога вестибулярного аппарата человека и системы управления движением технических систем на основе такого аналога. Научная новизна. 1. Разработаны экспериментальные методы изучения влияния деформационных полей аксиального растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба на амплитуду, фазу и состояние поляризации излучения, распространяющегося в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

2. Экспериментально исследован маломодовый, обладающий наибольшей точностью, режим распространения излучения в одномодовых волоконных световодах, сопряженных с элементами и рецепторами тела человека, подверженных микроускореням, ударам, локомоциям, при исследованиях позы и ходьбы человека.

3. С целью исседования биомеханических аналогов живых организмов и особенности работы вестибулярных рецепторов симметрии глаза человека и вибрации среднего уха, экспериментально проверено влияние деформации плоского изгиба малого радиуса измерительной системы и показана их линейность и индентичность. Для чего экспериментально исследован режим внешней пассивной оптической связи в одномодовых и многомодовых волоконно-оптических измерительных системах.

4. Предложена схема ВОИС с распределенными параметрами и использованием эффекта туннельной оптической связи между волоконными и планарными световодами для измерения биомеханических динамических характеристик подвижности позвоночника и его основных элементов в реальной среде.

5. Предложены экспериментальные методики исследования гидродинамики сосудов и капилляров с использованием ВОИС, сопряженных с внутреннимпшамическими процессами, протекающими в сосудах и капиллярах человека.

6. Разработан функциональный аналог вестибулярного аппарата человека для использования его в практических целях, например, для высокоточного управления центром тяжести авиакосмических объектов.

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для:

1. Разработки волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) для измерения и управления параметрами физических полей в эргономических и иных экспериментальных стендах и установках, в которых исследуется задачи биомеханики (микроускорения, микрогравитация, вибрация, температура, давление) на отклик биомеханической системы, а

также измерение параметров отклика исследуемой биомеханической системы: сосудов и капилнров, позвоночника и отдельных позвонков; их внутренней среды составляющих различных внутренних вестибулярных реакций при движении глаз и др.

2. Создания биомеханических волоконно-оптических датчиков микроускорений и микрогравитации для систем активной виброзащиты человека в среде орбитальных космических станций, а также для активного управления положением центра масс человека нфрбитальных комплексах.

3. Разработки методов и средств для детальных исследований гидродинамики сосудов и капилляров человека,что может послужить в целях оценки количественных показателей пульсовых движений жидкости в сосудах и капиллярах, исследованию явлений кавитации, автоколебаний жидкости и стенок сосудов, определения условий возникновения автоколебаний, параметрического резонанса в норме и патологии клинических исследований.

4. Разработки волоконно-оптических датчиков для измерения и контроля давления жидкости в биомеханических активных средах и материалах, практические рекомендации по применению ВОИС в клинических условиях и оборонной технике.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения:

• экспериментально показана возможность использования деформаций аксиального растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба одномодовых волоконных световодов для решения задач биомеханики, а именно, точного измерения микоускорений, локомоций, изучения функциональных характеристик опорно-двигательного аппарата, параметры работы позвоночника и отдельных его элементов, вестибулярных и глазных реакций человека с точностью и чувствительностью превышающих чувствительность сенсорных органов человека;

• экспериментально исследована возможность использования деформаций растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба для модуляции параметров излучения в двужильных волоконных световодах, для чего реализована схема волоконно-оптического датчика ускорений и гравитации, способного измерять модуль и направление вектора ускорения и силы тяжести при воздействии на позвоночник человека и отдельных позвонков, а также отдельных динамических параметров движения каждого позвонка;

• • показана возможность использования волоконно-оптических датчиков для исследования гидродинамики сосудов и капилляров человека при изучении тонких элементов пульсового движения жидкости и крови, явления кавитации, автоколебаний стенок сосудов, параметрического резонанса в норме и патологии;

• разработан макет волоконно-оптического функционального аналога вестибулярного аппарата человека, определены условия возможности

его использования для защиты человека в системах с экстремальными условиями, в том числе авиационных и космических летательных аппаратов.

Апробация работы и публикации. Получены Патенты РФ на эффекты, возникающие в ВОИС и нашедших применение в биомханике. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на: 1 Российском конгрессе «Реабилитационная помощь населению в РФ» 2003 г., Научно-практической конференции биомеханики им Бернштейна 1918-2003 г., Н.Новгород, конференции "Динамика роторных систем", 21-23 мая 1996 г., г. Хмельницкий, Украина; конференции SPIE Optical Ingineering, Denver, USA, august 1995; конференции SPEE Aerosense , Orlando, USA, april 1997; конференции SPIE Optical Ingineering . San Diego, USA, august 1997; научной сессии МИФИ, январь 1998 г.; юбилейной конференции Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова., ноябрь 1998 года.; научной сессии МИФИ, январь 1999 года; научно - практической конференции "Экология, наука и образование", сентябрь 1998 года , Краснодар; научной сессии МИФИ, январь 1999 года; научной сессии МИФИ, январь 2000 года; научной сессии МИФИ, январь 2001 года; Пятой международной конференции "Проблемы колебаний"(1СО\Ф-2001), Москва, октябрь 2002 года; Московской конференции молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, ноябрь 2002 г.; ХП -ХШ конференциях молодых ученых «Современные проблемы машиноведения» ИМАШ РАН; семинарах кафедры физики твердого тела и квантовой радиофизики МИФИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения.

Классификация основных принципов применения лазеров в биологии, медицине и биомеханике дана в первой главе диссертационной работы.

Как показано в диссертационной работе, волоконно-оптические измерительные системы являютсярдной из наиболее динамично развивающихся отраслью науки и техники. Это связано с тем, что оптоэлектроника и системы на ее основе органически дополняют современную компьютерную технику, расширяя возможности научных исследований.

Для проведения абсолютных измерений физических величин широко используются волоконные интерферометры «белого света». Базовыми элементами для этих устройств служат волоконно-оптические интерферометры Фабри-Перо. Такие датчики позволяют с высокой точностью измерять температуру, усилие, давление, перемещение и многое другое.

Многие компании также успешно используют измерительные волоконно- оптические интерферометры Маха-Цендера, Майкельсона и Саньяка для создания чувствительных элементов датчиков.

Вероятно, одними из наиболее распространенных типов волоконно-оптических датчиков, ввиду особой технологичности изготовления, в ближайшем будущем могут явиться датчики на брэгговских решетках, записываемых непосредственно в материале сердцевины волоконных световодов [1-5].

Значительное место среди волоконно-оптических датчиков способны занять поляризационные датчики и датчики на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, которые, как и волоконные интерферометры Фабри-Перо, нуждаются только в одном измерительном волоконном тракте и не требуют дополнительного опорного плеча, что значительно упрощает конструкцию измерительных систем [7-8].

В биомеханике нами применены, вследствие простоты в эксплуатации и высокой технологичности изготовления, амплитудные волоконно-оптические датчики, а также датчики основанные на использовании нелинейно-оптических процессов в волоконных световодах (Рис. 1.).

На рис. 2,3 представлены схемы включения волоконно-оптической системы в компьютерную сеть. Основные характеристики волоконно-оптических датчиков, применяемых в биомеханических исследованиях представлены в таблице 1.

Для вышеперечисленных задач существенно то, что в настоящее время волоконная оптика является технической основой для интенсивного развития систем передачи информации и достижений сенсорной оптоэлектроники. Волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все известные физические величины. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с иными типами датчиков - устойчивостью к влиянию электромагнитных помех, взрыво- и пожаробезопасностью, улучшенной возможностью распределенного в пространстве сбора информации и создания на основе отдельных датчиков распределенных сетей. Использование волоконно-оптических датчиков позволяет реализовывать высокоэффективные системы оптической обработки информации в реальном масштабе времени [10,11].

В то же время дальнейшее развитие сенсорной оптоэлектроники сдерживается, в частности, отсутствием единого физического подхода к кочуя; принципиальных схем волоконно-оптических датчиков, основанного на систематическом изучении влияния основных видов деформационных полей на параметры излучения в волоконных и планарных волноводах.

В работе рассмотрены три типа деформационных полей, связанных с модуляцией параметров излучения в оптических волноводах. Первый тип -поле упругой деформации одномодового или многомодового волоконного

Оптгалектрои-ный блок

Измеряемое поле

К

MU) * Выход Л/(t)

fy_д.

Оатоэлектрон-ный блок

Система обработки

* Выход Af (О

Измеряемое поле

А.

w<0

Tuiiti.*,

Чувствительный элемент

M(xf,t)

Исследуемое поле

f.

Рис. L Типы ватокониочнггических датчиков; точечиые(а); расггределекныс(б); квази- распределенныеО распределенные измерительные ссти(г).

световода, которое, в свою очередь, разделяется на деформации аксиального растяжения-сжатия, плоского изгиба и кручения вокруг продольной оси волокна. Второй тип - поле внешней пассивной оптической связи волоконного световода, которое является полем деформации геометрии взаимодействия световода с внешними оптическими элементами - зеркалами, линзами и т.д. Третий тип - поле деформации оптической связи волновода с другим волноводом, основанное на эффекте туннельной оптической связи волноводов. Возникает задача детального анализа каждого типа деформационного поля [8,9].

Одной из проблем разработки волоконно-оптических датчиков является определение условий применимости маломодового режима распространения излучения в одномодовых волоконных световодах. Использование маломодового режима позволяет применять коммерчески доступное оптическое волокно в системах с когерентными источниками излучения, работающими в видимой части оптического диапазона [31]. Разработка этих возможностей является одной из актуальных задач обеспечения биомеханических исследований и включена в список задач настоящей диссертации. Получаемые здесь технические решения полезны, например, для изучения универсальных форм биомеханической активности солитонного типа в живом веществе, проявляющихся в организмах на разных линиях и ветвях биологической эволюции.

Одним из объектов, интересных для биомеханики, медицины и эргономики, является позвоночник человека. Некоторые направления восточной медицины даже утверждают, что все беды человека происходят от нарушений позвоночника. Многие эргономические системы, например, «оператор-сидение оператора» и «оператор-пульт управления» должны строиться с учетом конкретных знаний о положении позвоночника и его отдельных частей у человека на разных фазах трудовой деятельности. Известны средства неинвазивного наблюдения и диагностики позвоночника человека, прежде всего, рентгеновские, акустические и др. Однако они не дают исчерпывающих возможностей для наблюдения ¿мягких » тел позвоночник}[29-31 ].

С древних времен биомеханики решали задачи протезирования утраченных конечностей человека. В наше время в результате научно-технического прогресса биомеханики всего мира вместе со специалистами смежных наук решают проблему тотального протезирования человеческого организма. Наука и практика реально оперируют сейчас протезами едва ли не любых органов человека: органов зрения и слуха, печени, почек и т.д. Для исследовательских лабораторий этого направления человеческий организм становится по существу организмом-киборгом, которому, в частности, вживляются под кожу компьютерные чипы и на генетических молекулах ДНК которого строятся работающие варианты технических компьютеров. Данная область объединения организма человека и машинных устройств в

цшпт-иоит

Рис 2. Схема включения волоконно-оптической системы (ВОИС) в измерительную сеть

1- подводящий ВС, 2 - рразветвитель Y -типа, 3 - плечи интерферометра.

Рис. 3 Чувствительные элементы (сенсоры основной схемы ВОИС). а, б) -измерение и представление информации

в) макет волоконно-оптического датчика момента

г) модулирующая система датчика

Продолжение таблицы

* гшпеде 1**ПО * • ЧМОССК11И1 о«апкм( Г лг а) Если /»»12-,то СМ М лг б)ссяи Р *120-«то СМ и ж **/ то —а -033— Г "/см

1 Гцйроешмксм ооа» ощига У-г- . »слома и"" в * Яв Л нам /> ОВШ —%

б Изменение •гемпературж /.4Т~ Х\1<п ¿Г) ит м < м -с

7 Мгсиальнс натяжвни •олакна е яч-г-^т-АРа-мы грА* -МР,11 га. клел/

Примечания ■ таблице

Для чыслсннжх оценок ■ пп 1-4 использовались следующие параметр« волокна нормированная частота у=2 4 . радиус сердисвикж г„,»5Дмя*, диаметр оболочки ¿01 = 121Ы*«, длинна волкж излучения А = 1Л2мям, показатель преломления сердцевимж огиосктсльиаа разность показателен преломления Л = 0,2V»,

с ОС

модуль Юнга ¿«7 73* 10^1, коэффициент Пуассона у=0,164, модуль сдвига

<; ® 3,35* ю* —т, коэффициенте фотоупр) тести а = -6.7 *

см2

О»-«.И*10"7С4'//г,СаС1-Сз , КМданж а (2|В пп5 и б V - 2,4 , ¿оо

единую систему «человек-машина» (киборга) признается во всем мире весьма значимой не только для целей медицинской помощи пострадавшим людям, но и как перспективное направление оборонной техники, позволяющее готовить прототипы «солдат будущего». Это связано с признанием в современной военной науке особой значимости информационного многоаспектного обеспечения каждого солдата и буквально телесной совместимости его организма со средствами военной техники для стремительного обоснованного реагирования на боевую ситуацию. Возможно также использование сенсорных протезов в создании реалистичных виртуальных миров в тренажерах для летчиков, космонавтов, подводников и пр.

Лазерная биотехнология может быть также разделена на три главных направления: лазерная хирургия биотканей, клеток и биомолекул, лазерная терапия и фотобиохимия и, наконец, лазерная микро- и макродиагностика. В основе каждого из этих направлений лежат разнообразные эффекты взаимодействия лазерного излучения с биообъектом на микро- и макроуровнях, определяемые свойствами лазерного излучения и структурой биообъекта. Наиболее полно свойства лазерного излучения реализуются в фотобиохимии и особенно в диагностике, а также в биомеханике [7-10].

Охрана здоровья человека, защита окружающей среды, обеспечение человечества продовольствием — все эти глобальные проблемы определяют значительный интерес к лазерной биотехнологии. Во всем мире интенсивно разрабатываются лазеры медицинского назначения, уникальные лазерные биомедшвшские комплексы и технологические установки, лазерная терапевтическая и диагностическая аппаратура. Основой этих разработок являются достижения в области лазерной физики и техники, в изучении взаимодействия лазерного излучения с биосистемами, в создании волоконно-оптических средств доставки излучения, измерительной и вычислительной техники. Экспертные оценки показывают, что одним из самых больших лазерных рынков в мире является рынок лазерной медицинской аппаратуры. В 1995 г. только по несоциалистическим странам мировой рынок составил 225 млн. долл. (44 % — офтальмология, 25 % — хирургия, 7 % — эндоскопия, 24 % — остальные применения [8]). К 2005 г. он должен возрасти до 700 млн. долл., а к 2010 г. только в США ожидается производство лазерной медицинской аппаратуры на 10 млрд. долларов.

Несмотря на то что лазерная медицинская диагностика — одно из самых эффективных направлений применения лазеров в биомеханике, она пока не получила должного развития, что видно по приоритетам на мировом рынке и тем публикациям, которые упоминались выше. Это связано в основном со сложностью аппаратуры и высокими требованиями, предъявляемыми к выходным параметрам лазеров (примерно такие же требования, как в лазерной спектроскопии и контрольно-измерительной технике), и, конечно, со сложностью самих физических процессов, лежащих в основе методов

лазерной диагностики. Развитие и применение ВОИС решает эту проблему. До конца этого столетия прогнозируется предпочтительный рост лабораторно-диагностической лазерной техники в клинических условиях и профилактике.

В настоящее время отсутствует обобщающая литература, в которой было бы представлено все многообразие методов лазерной диагностики в биологии, медицине и биомеханике, что затрудняет знакомство с ними и их использование на практике. С появлением ВОИС в последнее время появилась возможность диагностики биообъектов, которые могут быть рекомендованы для углубленного изучения этих методов и их возможностей значительно возрастают. В работе изложены разнообразные методы неразрушающей лазерной диагностики в биомеханике на основе ВОИС. В диссертации поставлена задача кратко познакомить с их физическими основами. и возможностями, областями применения и принципами построения диагностической аппаратуры [7-28]. Это, на наш взгляд, должно способствовать лучшему ориентированию при выборе того или иного метода диагностики в биомеханике адекватного решаемой задаче, должно стимулировать разработку новых методов в биомеханике, новые неожиданные приложения [27-35].

Вторая глава диссертации посвящена вопросам исследования методов поддержания позы человека при ходьбе с учетом его работы в космосе и в наземных условиях с использованием ВОИС.

Исследование ходьбы человека с помощью ВОИС позволяет решать эту задачу с точностью соизмеримой с точностью измерительных органов человека. При этом показано, что недостаточный запас устойчивости ходьбы, обусловленный взаимодействием стопы человека с внешними опорными поверхностями может приводить к падениям и травмам [7-10].

Согласно медицинским статистическим данным более 60% травм возникает вследствие падений. Опасность падений увеличивается с возрастом у 34% лиц старше 65 лет травмы, вызванные падением, заканчивались госпитализацией. Согласно данным официальной статистики в Швеции больше людей погибают в результате падения (43% всех несчастных случаев со смертельным исходом), чем вследствие дорожно-транспортных происшествий -31%.

При ходьбе человека каждая постановка ноги на опору сопровождается кратковременным силовым возмущением, которое распространяется по всему телу. Такие динамические воздействия могут при определенных условиях привести к повреждениям опорно-двигательного аппарата человека. Проблема эта довольно серьезна, так как именно особенности передвижения являются причиной того, что 60 - 80 % взрослых горожан имеют разнообразные патологические изменения позвоночника и связанные с ними невралгические заболевания (межпозвонковый остеохондроз, спонделез и другие). Объяснение данной ситуации, очевидно, состоит в том, что

1Й

двигательный аппарат человека эволюциоино приспособленный к ходьбе босиком по сравнительно мягкой земле, в условиях современного производства оказался подверженным интенсивным механическим воздействиям, которые связаны с передвижением человека в жесткой обуви по жесткой поверхности.

Научные данные по вопросам экологии ходьбы получают в результате исследований, выполненных в нескольких различных направлениях: 1 -непосредственная регистрация кинематических параметров при движении сегментов тела в процессе ходьбы; 2 - измерение силовых параметров взаимодействия стопы человека с опорной поверхностью; 3 экспериментальное определение тех патологических изменений, которые наблюдаются в опорно-двигательном аппарате при передвижении по различным поверхностям (к сожалению, с помощью традиционных измерительных средств такие эксперименты проводить затруднительно, поэтому их в настоящее время проводят только на животных); 4 -использование данных медицинской статистики.

Первое направление исследований кинематики, ходьбы основано на экспериментальной измерительной базе, содержащей миниатюрные трехкомпонентные датчики ускорений, закрепляемые на теле человека (гамма таких оригинальных датчиков применительно к разнообразным задачам биомеханики разработана в МИФИ совместно с ИМАШ [7], а также специальные телевизионные системы, осуществляющие получение пространственных видеообразов тела человека за счет слежения за перемещениями световых маркеров, закрепленных в фиксированных точках тела, например, эффективно используемая в настоящее время на космической станции "Мир" измерительная система ELITE. Эта система осуществляет обработку образов телеизображения, оптоэлектронной системой для автоматического анализа движений по измеренному набору параметров движения. Задуманная вначале 1980-ых годов эта система привлекла огромный международный интерес в научных кругах поскольку, содержала алгоритмы распознавания траекторий, непосредственно выполняемые данными электронными блоками, использующими параллельную компьютерную архитектуру. В системе применяются пассивные маркеры, прикрепляемые к заданным фиксировашым точкам поверхности тела испытуемого. Теоретически число маркеров может быть бесконечным, а размеры их варьируют от нескольких сантиметров до долей миллиметра, в зависимости от требований к измерениям, предъявляемых в исследуемой задаче. Создание системой образа осуществляется набором из восьми телевизионных камер, снабженных CCD сенсорами с коаксиальными инфракрасными осветителями, связанными с линзами камер. Для того, чтобы быть уверенным в высокой точности и скорости, необходимых для анализа быстрых движений (система работает со скоростью 120 выборок в секунду) или микродвижений, были решены традиционные проблемы искусственного

РГЛГ*

Рис 4 Эргономический лазерный стенд на основе ВОИС

I,. км

Рис.5. Чувствительность сенсорных датчиков ВОИС для различных режимов исследования: 1,2, штатный режим; 4-4 - режим движения с плавной

амплитудой.

зрения с использованием новых методов обработки двумерных образов с помощью специальных алгоритмов, основанных на выполнении взаимной корреляционной функции и преобразования двумерной системы координат в трехмерную систему с применением стерео - фотограмметрических процедур. Аналогично решается проблема многоточечного слежения для автоматического определения координат совокупности наблюдаемых точек и коррекции оптических искажений, обусловленных линзами телевизионной системы. Здесь применяется адаптивная фильтрация, основанная на оценке спектральной плотности сигнала с использованием авторегриссионных моделей.

Описанные выше традиционные средства измерения, используемые при исследовании ходьбы хотя и способствуют получению обширной и полезной информации, но во многом ограничены в своих возможностях. Большие перспективы в данном направлении имеет использование когерентного оптического излучения для всестороннего исследования состояния человека при ходьбе.

На рис.4 представлена схема такой экспериментальной установки на основе ВОИС для исследования ходьбы человека, функционально входящей в эргономический стенд, которая была разработана в ИМАШе совместно с МИФИ [10].

Установка включает в себя беговую автоматизированную дорожку, на которую помещался испытуемый (1), выполнявший заданные эволюции [29-31].

За счет оптической антенны (2), подключенной к источнику и волоконно - оптическим датчикам (3), создавалось когерентное пространство, сканирующее тело человека-испытателя в реальном режиме времени (4). За счет схемы сравнения (6, 7, 8) разностный сигнал от заданных точек тела испытуемого поступал на блок сравнения (5) и адаптер компьютерной системы (9), где анализировался, а синтезированные сигналы, создающие реальные картины функционирования человека, наблюдались на мониторе компьютера.

Исследования ВОИС в эргономическом стенде дает возможность получить характерный картины воздействия на подвижное тело различных составляющих вибрации при ходьбе на бегущей дорожке.Диаграммы чувствительности в оптическом диапазоне при заданных исходных параметрах значительно выше традиционных [28], рис. 5.

При этом важно увидеть особенности ходьбы в норме и патологии (рис.6.). Видно, (рис.7.), что каждая постановка ноги на опору при локомоциях сопровождается кратковременным силовым возмущением, которое распространяется по всему телу. Такие динамические воздействия могут при определенных условиях привести к повреждениям опорно-двигательного аппарата человека.

Характер взаимодействия с опорой при локомоциях определяется

КН

Рис.6. Разновидности динамограмм отталкивания при беге [36].

4

01, . I I I I

5 10 15 20 1. Гц

Рис 7 Амплитудно-частотные характеристики стопы: 1 - нормальная стопа, 2 - плоская стопа

действием многих факторов. Представление о характере возникающего при опорном взаиодействии силового возмущения и некоторых его параметрах дает рис. 6, на котором изображены три типичные вертикальные составляющие силы взаимодействия стопы с опорой [36]. Если ударное воздействие имеет несколько кратковременных выбросов за некоторый фиксированный уровень, то в механике принято рассматривать его в виде последовательности нескольких однонаправленных ударов. В случае динамограммы отталкивания (см. рис. 6) характерный выброс в начальной части графика (так называемая «ударная сила» [36], которая отчетливо видна на двух верхних графиках).

Проблема вибрации довольно серьезна, так как именно неудовлетворительные условия передвижения являются причиной того, что от 60 до 80% взрослых горожан имеют разнообразные патологические изменения позвоночника и связанные с ними неврологические заболевания. Объяснение данной ситуации, очевидно, состоит в том, что локомоторный аппарат человека, эволюционно приспособленный к ходьбе босиком по сравнительно мягкой земле, в условиях современного города оказался подверженным интенсивным механическим воздействиям, которые обусловлены движением человека в жесткой обуви по жесткой поверхности. В результате этого опорно-двигательный аппарат человека поглощает десятки миллионов механических ударов, источником которых изо дня в день и из года в год служит каждый шаг. Используя ВОИС можно посмотреть кинограммы (рис. 8, 9, 10) динамических процессов происходящих при локомоциях в трех различных направлениях:

— непосредственный анализ ударных нагрузок, испытываемых различными частями тела;

— экспериментальное определение патологических изменений, которые наблюдаются в двигательном аппарате при передвижении при эксимерных нагрузках;

— статистическая обработка динамики частей опорно-двигательного аппарата.

Одним из главных преимуществ при использовании данного принципа, является возможность измерять не только биомеханические параметры ходьбы, но и одновременно оценивать состояние организма человека [10].

Третья глава посвящена исследованию возможности применения системы ВОИС для анализа биомеханики позвоночника.

Как известно позвоночник способствует передвижению организма во внешней среде, осуществляет синхронное смещение разных частей туловища и конечностей. Это - уникальная система, объединяющая, казалось бы, не совместимые вещи: гибкость пружины и надежную прочность панциря для защиты спинного мозга, длительную устойчивость в вертикальном положении и максимальное расслабление при отдыхе в горизонтальном положении.

Д

Рис. 8 Кинограммы движения и позы с использованием датчиков ВОИС.

а) мерная ходьба

б) сохранение позы при переменных нагрузках}

в) формы движения ВОИС- запись .

г) формы движения ВОИС- запись-перезапись

д) формы движения: начальные стадиийвижения.

Важно отметить, что помимо высочайшей структурной сложности как отдельного элемента, так и всего органа в целом, позвоночник обладает высокой динамической сложностью в силу осуществления им функции перемещения в пространстве. Все его элементы при любых двигательных актах изменяют свое пространственное расположение, а с течением времени, приспосабливаясь к наиболее привычным состояниям , и морфологическое строение.

Движения в позвоночнике происходят между телами позвонков (интерсоматическое соединение) и в двух истинных суставах. Для каждого отдельного позвоночного сегмента характерны две степени свободы перемещения во взаимно перпендикулярных плоскостях, для подвижных отделов позвоночника - шейного и поясничного - три степени свободы. Позвонок способен совершать общие колебательные движения по вертикальной оси вместе со всем позвоночником во время передвижения.

В научных публикациях описаны признаки отклонений пространственного положения позвонков: ротация - смещение в поперечной плоскости [Тюлькин Е.П., 1965; Коваль Д.Е., Крыжный Б.К.,1978; Садофьева В И.,Милютина В.Н. 1984; Fait M., Janovec M., 1970; Coetsier M. et al., 1977; и др.]; боковые наклоны, образующие сколиоз и боковые спондилолистезы - во фронтальной плоскости [Маркс В.О., 1978; Левит К. и др., 1993; и др.]; передний и задний спондилолистезы - в сагитальной плоскости Тагер ИЛ., Дьяченко ВА.,1971;ТагерИ.Л., МазоИ.С, 1968,1978; и др.].

Важно подчеркнуть, что смещения позвонков во всех направлениях происходят одновременно Позвоночник принимает участие в трансляционных движениях конечностей. [Беленький BE., Витензон А.С. , 1975].

Существуют многочисленные взаимосвязи между различными отделами позвоночника. Особо выделяют так называемые «ключевые зоны» - области изменения его кривизны принципиально влияющие на статические и кинематические свойства позвоночника [Войтанек СА., 1992; Левит К., 1993; Жарков П.Л., 1994; Maigne R., 1968, и др. ].

Особое значение исследование биомеханики позвоночника приобретает в связи с необходимостью развития методов реабилитации больных с заболеваниями позвоночника. Это направление нуждается в более точном определении пространственного положения каждого позвонка и позвоночного столба в целом.

Современные диагностические системы КТ, МРТ, УЗИ привносят ценные данные о локальных патоморфологических изменениях анатомических структур спинного мозга и позвоночника при спино-мозговой грыже и учитываются клиницистами [Шевелев ИЛ, Тиссен Т.П., Гуща О.А.,1997]. Вместе с тем, эти исследования не решают задачи изменения пространственного положения структур позвоночника в процессе передвижения.

Разработка методов исследования позвоночника у живого человека в динамике, в режиме реального времени с учетом минимальных особенностей его двигательного стереотипа до сих пор не проводилась. Наибольшую проблему вызывало отсутствие аналитических систем, способных отслеживать огромное число распределенных параметров пространственного положения каждого двигательного элемента позвоночника. И, главное, отсутствовали эффективные датчики, позволяющие распознавать, фиксировать передавать и хранить эту информацию ВОИС способна решать такого рода проблемы (Рис.9.), на рис. 10. представлено его схема решения.

Таким образом, позвоночник, являясь сложной системой, обладает свойствами сложной организации, исследование которой возможно только с учетом его целостности.

Отсутствуют исследования в области биомеханики позвоночника с учетом макроподвижности целых отделов позвоночника и микроподвижности с учетом смещений в отдельных ПДС и каждого позвонка.

С целью исследования возможностей. применения ВОИС системы, в практике проведено экспериментальное исследование. Результаты экспериментального исследования подвижности позвоночника с помощью ВОИС системы цель экспериментальной работы: Места точек фиксации ВОИС датчика: остистые отростки С5; С7 , остистые отростки Til; T12, остистые отростки L3; L5, остистые отростки SI; S5, дорсальная поверхность Cg 1. Фиксация производится с помощью клемм, в которых датчик может свободно передвигаться

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования ВОИС показали:- система ВОИС представляет возможность моделировать пространственное положение позвоночника в двух проекциях, смещения каждого позвонка в отдельности и одновременно всего позвоночника, как в статике, так и в динамике;

- маркером пространственного положения и смещений служит ость остистого отростка

- появляется возможность исследовать макро- подвижность позвоночника в пространственной системе координат во фронтальной, сагиттальной и поперечной проекциях одновременно, а также изучать влияние смещений позвонка одного отдела на изменение положения позвонков во всех отделах одновременно и позвоночника в целом;

- исследовать микро подвижность каждого позвонка в отдельности и взаимосвязи микро подвижности позвонков различных отделов при типичных движениях ротации, боковом наклоне «спандолиозе», что дает позволяет использовать систему ВОИС для изучения индивидуальных особенностей подвижности позвоночника каждого человека с учетом статики и динамики двигательных паттернов ПДС.

Рмс.9. Макет для исследования позвоночника в динамическом режиме, С^Макег позвоночного столба человека; б) Схема ВОИС; в) активная система слежения и фиксации.

Рис. 10 Схемные решения ВОИС для исследования динамики позвоночника человека а)Волоконно-оптический сенсор, б) фильтры ВОБР в)конечное устройство записи

Табл. 2

Особенности ВОИС для изучения динамики позвоночных двигательных сегментов

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям гидродинамики сосудов и капилляров. Исследование волновых процессов в биомеханике человека представляет большой интерес, т.к. распространение пульсовых волн давления вызывает изменения гидромеханических процессов взаимодействия стенок сосуда с потоком жидкости (крови). Экспериментальные исследования проводились на эргономическом стенде методом ВОИС (рис. 4,11,12). Исследования показали, что пульсовая волна давления на пути своего движения претерпевает значительные искажения, это связано не только с влиянием вязкоупругих свойств материала стенок, но и с другими явлениями которые другими методами выявить сложно [27-38].

Любой участок сосуда, на котором изменяются его свойства, является местом частичного отражения волны давления. В каждом реальном сосуде на всем его протяжении имеются многочисленные неоднородности (шероховатость, изгибы, рельеф внутренней поверхности), приводящие к отражению пульсовых волн. Именно отражение волн ответственно за наиболее значительное изменение формы распространяющейся пульсовой волны давления.

Как показано на рис. 4. (глава. 2.), поверхность исследуемого объекта сканируется с помощью лазерного сканирующего микроскопа на основе (ВОИС) по точкам сфокусированным лазерным пучком. Оптическое изображение исследуемой области формируется (АЦП) и поступает на экран компьютерной системы (КС). Сканирующий лазерный пучок фокусируется в пятно, размеры которого в каждом конкретной случае соответствует требуемому разрешению. С помощью ЛСМ электронной системой (ЭС) через адаптивный преобразователь можно формировать изображения с более высоким разрешением и большей глубиной резкости, чем в традиционной микроскопии, в частности, с использованием специфических методов типа динамической фокусировки. Сканирование поверхности исследуемого объекта через ЛСМ лазерным пучком представляет собой активный метод, не зависящий от условий внешнего воздействия. Благодаря этому можно оптимизировать многие процессы управления и параметры работы аппаратуры. Эти процессы можно разделить на три категорий: регистрация, сопряжение и сканирование. Для повышения информационного содержания выходного сигнала при сканировании - применялся метод сопряжения обратного фронта когерентного излучения, аизобоажение регистрировалось,

Рис.11. Схема расчета условий восстановления изображения через различные среды при исследовании гидродинамики сосудов.

Рис.13. Схема оптических преобразований

например, несколькими детекторами с использованием волоконно-оптических коллекторов. В работе дается представление объектй. и восстановления изображения через различные среды и пленки материала исследуемой поверхности. Как следует из рассматриваемой схемы, (Рис. 12. и Рис. 13.) существо процесса сопряжения заключается в нахождении соответствия между зоной Л и информативным каналом ЛСМ, которое осуществляет связь на макро и микро уровнях между лазерным сигналом и фотонами в объеме. Обобщенная модель сопряжения должна удовлетворять соотношениям: геометрической, энергетической, временной и фазовой константам. Физический смысл этих форм сопряжения заключается в следующем: геометрическая форма определяет р раз параметр (Рис. 13.) энергетическая (ЛУ) -создает изоэнергетическую картину; фазовая - создает пространственное представление, в объеме исследованной зоны; частотная или временная формы дают возможность кодировать полученную фононную картину и фазовый сдвиг.

Суть новой методики сопряжения динамических процессов с когерентными приборами заключается в том, что тончайшим индикатором физических явлении в момент времени является изоэнергетическии объем фотонов, образованный когерентным сфокусированным лучом, передающим исходную и последующую информацию об адекватно происходящем физическом явлении из объема с точностью до минимального искажения моды и восстанавливаемого до реального неискаженного изображения на мониторе [25].

Параметры, отличные от начальных, кодируются и служат начальными параметрами в системе "Запись-перезапись".

Основой восстановления изображения через среды является создание фотонной фокусировки в средах с нелинейными свойствами, в том числе субклеточными, и в последовательном восстановлении фотонных картин за счет разработанной нами схемы передачи информации в период протекания процессов, происходящих в объеме, в систему измерения и преобразования этой информации. Так как рождение и развитие фотонов зависит от когерентного источника, то главным условием при восстановлении изображения является положение и свойства этих сред, а также неразрывность во времени процессов взаимодействия. При проведении исследовании с использованием ЛСМ пространство как бы разбивается на две части: активная часть, в которой происходит генерация лазерного излучения и создается строгое когерентное пространство (оптический резонатор) и пассивная часть, в которой происходит модуляция лазерного излучения при взаимодействии исследуемого объекта и когерентного излучения. При этом активная среда должна характеризоваться средним за проход коэффициентом усиления. (Рис. 14.).

Оптическая длина а к вел отдельных его участков, обладаю

ироДОМОДМНОДШШерких длин

гелями

СПстер€«г | 03 399 иг ___1

з4

Рис 14 Структурная схема установки ВОИС для определения динамических характеристик

з5

преломления. Среда между зеркалом и исследуемым объектом только поглощает излучение. Пассивная ветвь характеризуется средним за проход коэффициентом пропускания и оптической длиной. Активные и пассивные плечи оптического резонатора характеризуются также величинами набега фаз между соответствующими поверхностями. Эта величина однозначно связана с оптическими длинами; выводом на экран яркостных профилей вдоль любой строки изображения выделение на изображении линий равного уровня яркости (изофат), вывод гистограмм распределения яркостей по элементам изображения; двухмерное дифференцирование и корреляционная обработка изображений, а также их цифровая пространственная фильтрация и т.д. Вычисление полей физических величин, распознавания образов (определение типа, классификация дефектов и т. п.) решаются с помощью компьютера, связанного с ВОИС.

Как показали исследования с использованием ВОИС пульсовая волна давления в реальном сосуде испытывает отражение от многочисленных препятствий. Поэтому форма пульсовой волны в месте измерения имеет значительные искажения. Для излучения влияния повторных отражений на форму пульсовой волны был поставлен эксперимент на созданной когерентной установке ВОИС (Главы 1, П) (рис.2.)

Проведен анализ особенностей формы пульсовой волны давления и расхода в сосуде на примере двух последовательных препятствий А и В, являющихся местом стыка сосуда с капиляром.

Волна, отразившаяся в точке В, повторно отражается в А и т.д. Амплитуда отраженной и прошедшей волн всякий раз определяется характеристиками препятствии. Если В достаточно хорошо согласовано, то отраженная на ней волна будет иметь небольшую амплитуду. Когда волна вновь отразится, амплитуда дважды отраженной волны станет еще меньше, хоть и не на много, т.к. если А хорошо согласовано для волны, которая идет по сосуду, то она не будет столь же хорошо согласована для волны, возвращающейся к нему из В. Однако амплитуда многократно отраженной от концов участка АВ волны будет уменьшаться и станет весьма малой после небольшого числа отражений даже в отсутствии затухания. Может быть исключение, когда волна АВ равна целому числу полуволны - в таком случае в системе возникает резонанс. При резонансе прохождение волны через АВ не требует притока энергии и волны, «прошедшие В будут иметь такие характеристики, как если бы АВ не было, т.е. пройдя АВ, волны в случае резонанса не претерпевают никаких изменений (эффект солитона) [32 ], Рис.15, Рис.16.

С другой стороны, если АВ в нечетное число раз больше четверти длины волны, отраженная волна будет находиться в противофазе с падающей, когда отражение в В положительно, и в фазе, когда отражение отрицательно. Амплитуда прошедшей волны уменьшится - в случае положительного отражения; и увеличится в случае отрицательного.

Рис 15

Зона устойчивости пульсирующего потока в сосуде

Рис 16 Параметры смещения пульсовой волны при частотном режиме.

Особенности отраженной и прошедшей волн зависят от отношения длины между А и В к длине распространяющейся волны X . Именно это отношение определяет временную задержку, а следовательно, и разность фаз между волной, прошедшей А и волной, вернувшейся к нему после отражения в В. Отсюда видно, что поведение волны при прохождении двух и более препятствии зависит от ее частоты. Поэтому поведение волны, имеющей сложную форму (которую можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих с разными частотами.

Не претерпевают изменения только те ее составляющие, длина которых много больше X, а также ее составляющие, для которых приблизительно равно целому числу полуволн. Но отношению к таким составляющим волн точки А и В и сосуд можно рассматривать как единый отражающий участок. В эксперименте длина сосуда (4 см) была много меньше, чем длина пульсовой волны (50 см), так что такие последовательные отражения способны влиять только на высокие гармоники. Поэтому значительные изменения будут претерпевать высокочастотные составляющие пульсовой волны.

Понятие импеданса сосуда для волн давления различной частоты позволяет объяснить особенности формы пульсовых волн в сосуде гораздо более полно, чем это можно сделать при простом просматривании записи волн. В последнем случае удается выявить такие эффекты, как влияние на форму волны единственного места, достаточно сильно отражающего волну.

На рис. 17 приведен график зависимости модуля и фазы входного импеданса от частоты, построенные по результатам измерений давлений и расходов в сосуде. Видно, что минимум А достигается при частоте 3 Гц. Свойство входного импеданса, выявляющееся из рис 17,состоит в резком увеличении значения М при очень низких частотах (при этом 6 близка к нулю). Постоянная, т.е. имеющая нулевую частоту, составляющая волны расхода представляет собой средний по времени расход жидкости, и, следовательно, эта огромная величина входного импеданса при частоте, равной нулю, есть сопротивление, оказываемое среднему потоку жидкости. Таким образом, " противодействие", оказываемое системой сосудом нескольким первым гармоникам пульсирующей части потока много меньше, чем "противодействие" -среднему потоку. Но именно эти несколько первых гармоник переносят большую часть энергии волны. Отсюда следует, что энергия, требующаяся для поддержания пульсирующего течения жидкости в сосуде, не намного (примерно на 10 %) превосходит энергию, необходимую для поддержания стационарного (не пульсирующего) потока с тем же средним расходом.

з8

Рис 17

Зависимость модуля и фазы импеданса сосуда от частоты а„ = 1 10"2м, Е = 520 кН/м2

с*

Рис 18 Зависимость трения от частоты вибрации

|\| 1 I

1гг"! ! <

\\| 1

9

1

«ми »с шс !1|

Рис 19 Зависимость трения от частоты пульсации потока

1 Пульсирующий поток

2 Стационарный поток

Экспериментальное изучение потерь механической энергии потоком жидкости в зависимости от динамического состояния механической системы представляет большой интерес. Это объясняется тем, что в некоторых гидроупругих коммутационных линиях значительная доля энергии потока (до 25 %) расходуется на преодоление сопротивления движению, поэтому изучение вопросов уменьшения потерь энергии потоком имеет актуальное значение.

В данном разделе рассматриваются следующие вопросы: влияние вибрации сосуда на гидравлическое сопротивление трения; влияние пульсации жидкости в сосуде на гидравлическое сопротивление трения; влияние упругих свойств материала стенок сосуда на его полное сопротивление (гидравлический импеданс).

Вибрация стенки сосуда создавалось вибратором в продольном и поперечном направлениях. В экспериментальных исследованиях был использован сосуд длиной Ь =0,2 м и внутренним диаметром 1)вп= 0,9 Ю"3 М. Эксперимент проводился на эргономическом стенде (см. гл. П) по следующей методике:

Устанавливалась и поддерживалась постоянная скорость потока жидкости. Расход жидкости определялся объемным способом. Датчики и аппаратура обеспечивали, одновременную регистрацию разности давления Pj и Рг методами ВОИС.

График зависимости гидравлического трения Сг данного сосуда от частоты вибрации в продольном и поперечном направлениях, построенный по результатам, полученным в эксперименте, представлен на рис. 18,19.

Анализ полученных результатов показал, что действие вибрации сосуда на коэффициент гидравлического сопротивления трения сосуда сказывается в диапазоне частот (4-45 Гц). Данный диапазон частот характеризует динамические свойства человека. В этом диапазоне частот при продольной вибрации гидравлическое сопротивление трения С!1 уменьшается на (30-40 %), при. поперечной форме вибрации увеличивается на (45-50 %).

Пятая глава посвящена вопросам использования ВОИС для построения функционального аналога вестибулярного аппарата человека. (Рис. 20.). Речь идет о построении такой технической системы, которая по своим характеристикам - чувствительности, габаритам, весу и надежности -была бы сопоставима или превосходила натуральный вестибулярный механорецептор. Последний, как известно, включает в себя систему полукружных полукружных систему отолитов, в совокупности дающих организму информацию о характере угловых и линейных движении головы и ее ориентации относительно вектора гравитации. Построение

такого функционального аналога вестибулярного аппарата находится в русле общей для современной биомеханики проблемы тотального протезирования организма человека, расширения возможностей частичной или полной замены тех или иных органов человека в зависимости от требовании медицинского, биотехнологического, военного или иного характера.

Последовательно и активно в мире исследуются варианты протезирования едва ли не любых органов тела человека. Возможности объединения организма человека и машинных устройств в единую систему «человек-машина» (киборга), представленную в габаритах тела человека, разрабатываются во во многих прикладных аспектах, например, военном для расширения и усиления функциональных возможностей солдат и эффективности использования ими военной техники. Также возможно использование сенсорных протезов в создании для человека реалистичных виртуальных миров, например, в тренажерах для летчиков, космонавтов, подводников и пр. (Рис.21.).

В попытках разработать такой функциональный аналог вестибулярного аппарата автор диссертации обратился к средствам сенсорно-оптоэлектроники, располагающей привлекательными возможностями построения высокочувствительных, малогабаритных, легких и надежных сенсоров на основе физических особенностей взаимодействия световых лучей, в том числе нелинейного характера. Как известно, в области нелинейной оптики существует широкий класс физических эффектов, носящих когерентный (кооперативный) характер и являющихся с точки зрения классической линейной динамики парадоксальными, невозможными в принципе. Именно на использовании этих феноменов нелинейной оптики построены многие современные оптические приборы, например, лазеры.

Световые феномены из этого класса были использованы в настоящей работе как основа для решения сформулированной проблематики на стыке биомеханики и техники. В публикациях диссертанта они зачастую для краткости называются феноменами когерентности, а построенные на них приборы, виды диагностики и т.д. - «когерентными приборами», «когерентной диагностикой» и т.д.

Разработанный лабораторный макет функционального аналога вестибулярного аппарата («вестибулярный протез») имеет следующие характеристики: Аналогично, созданный в настоящей

диссертационной работе функциональный аналог вестибулярного аппарата человека уже заинтересовал представителей космонавтики и авиации в качестве перспективного средства ориентации в системах навигации авиакосмической техники. Дело в том, что расчеты показывают возможность получения с помощью этого технического устройства следующих параметров, привлекательных для работы космической станции:

воздействию этих факторов, определен широкий круг инженерных решений на основа волоконно-оптических аналогов [39-40].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований возможностей волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) созданы методы и средства для решения задач биомеханики в системе «человек-машина-среда». Особенностью данных исследований является разработка измерительных систем с высокой разрешающей способностью и чувствительностью, соизмеримой с чувствительностью человека, за счет применения в этих системах лазерного когерентного излучения и оптических резонаторов типа Фабри-Перо и Маха-Цендера, интерофероционных решеток на эффекте Брэгга, датчиков ВОБР, работающих на сосредоточенных и распределенных принципах действия с эксплуатационными параметрами: -точность измеряемых величин ускорения - - диаметр оболочки -125 мкм; - апертура -0,16 мкм;- длины волн лазерного излучателя - 0,6850,9 -1,0-1,06 мкм; - общая масса - 0,25 - 0,3 кг; - возрастание чувствительности измерения л» 10"5 — 10"6 - пороговая чувствительность 10~8 — 10"9 мкв/мвт.

2. Определены основные параметры волоконно-оптических измерительных систем для разработки датчиков непосредственного восприятия микроперемещений при позных положениях человека, ускорений и физических нагрузках на отдельные части его тела, при локомоциях и различных положениях позвоночника. Применение ВОИС позволило по новому, более углубленно и с высокой разрешающей способностью приступить к решению задач биомеханики, связанных с высокоточным измерением микроускорений, вибраций и ударных нагрузок, возникающих при работе в экстремальных условиях; исследовать функциональные характеристики опорно-двигательного аппарата человека с учетом многих динамических факторов, анализ которых другими методами был просто недоступен.

3. Разработаны принципиально новые методики ВОИС на основе эффекта Брэгга и датчиков ВОБР для исследования позвоночника. При этом появилась возможность исследовать динамические свойства каждого позвонка в отдельности в норме и патологии.

Проведенные экспериментальные исследования ВОИС показали:- система ВОИС представляет возможность моделировать пространственное положение позвоночника в двух проекциях, смещения каждого позвонка в отдельности и одновременно всего позвоночника, как в статике, так и в динамике; - маркером пространственного положения и смещений служит ость остистого отростка; - появляется возможность исследовать макроподвижность позвоночника в пространственной системе координат во фронтальной, сагиттальной и поперечной проекциях одновременно, а также

изучать влияние смещений позвонка одного отдела на изменение положения позвонков во всех отделах одновременно и позвоночника в целом; -исследовать микро подвижность каждого позвонка в отдельности и взаимосвязи микро подвижности позвонков различных отделов при типичных движениях ротации, боковом наклоне «спандолиозе», что дает позволяет использовать систему ВОИС для изучения индивидуальных особенностей подвижности позвоночника каждого человека с учетом статики и динамики двигательных паттернов ПДС.

4. Использование ВОИС в качестве чувствительных приборов в экспериментальном исследовании сосудов и капилляров человека позволили получить уникальные сведения по распространению и взаимодействию пульсирующих потоков крови по сосудам и капиллярам. При этом впервые удалось проследить динамику пульсовой волны на заданном расстоянии от источника и запечатлить ее воздействие на внутреннию стенку сосуда. Это стало возможным при создании ВОИС на основе эффекта сохранения фронта обратной волны когерентного источника с откликом биологических объектов на внешние условия измерения в реальном времени. В результате этих эффектов получены новые положительные результаты о кавитации жидкости в сосудах, автоколебании стенок сосудов, параметрическом резонансе жидкости и сосудов, что вошло в качестве рекомендаций по исследованию динамических характеристик и клиническим исследованиям человека в эстремальных средах.

5. Исследованы возможности созданного макета функционального волоконно-оптического аналога вестибулярного аппарата человека для практического применения в системах диагностики и управления. Сравнение скорости реакций вестибулярного аппарата человека и относительной скорости срабатывания ВОИС-аналога показало, что скорость реакции аналога вестибулярного аппарата человека превышает человеческую реакцию в 106 раз. Этот эффект может быть использован в различных задачах биомеханики: - В высокоточном управлении системами, основанными на эргономических принципах действия, при взаимодействии человека-машины, инструментов, других динамических воздействиях на человека, изучении поведения человека в космосе, под водой, и агрессивных средах. - В исследовании движений, изучения эргономических реакций человека-оператора и т.д.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скворчевский К.А. Исследование вестибулярных реакций человека методами волоконнооптических лазерных датчиков сосредоточенного и распределенного принципа действия. В отчете РФФИ «96-01-01225 под ред. К.В. Фролова «Фундаментальные задачи биомеханики в проблеме человеческого фактора», 1998г., 18 с.

2. Патент РФ №2018923 Волоконно-оптический микрогравиметр (авторы К.В.Фролов, А.Б.Новиков, КА. Скворчевский) Бюл.№ 37,1998.

3. Орел А.М., Скворчевский К.А. Проблемы лучевой диагностики в мануальной терапии //Бюллетень №5 Московского профессионального объединения мануальных терапевтов /Под общей редакцией А.Е.Саморукова, октябрь 2003, М., с. 47-51.

4. Орел А.М., Кузнецов А.Ю. Скворчевский К.А. Клшшко-лучевые параллели цервикобрахиалгии // Сборник научных трудов 1-го Российского конгресса «Реабилитационная помощь населению в Российской Федерации». - М., Общероссийский общественный Фонд «Социальное развитие России», 2003, с 196-197

5. Патент РФ № 2028013 Устройство коммуникации опорных поверхностей в биомеханике (авторы К.В.Фролов, К.А. Скворчевский, А.Б.Новиков) Бюл.№ 12,1999.

6. К.А. Скворчевский и др.В отчете № 095-4910-НИЗ РКА 4.1/12 «Проблемы микрогравитации на космических объектах: разработка методов и средств защиты и измерения. Под ред. академика К.В.Фролова. 199, М, 25.

7. К.А. Скворчевский, и др. Исследование проблемы болезней движения больших городов. В сб. «Экологические проблемы больших городов под Ред. академика К.В.Фролова, т. 1,198-199,1998.

8. Патент РФ №2238875, Способ измерения биомеханических сигналов, Принципы создания датчиков на основе ВОИС. (авторы М.А.Маркилов, К.А. Скворчевский и др.) Бюл.№ 28,2000.

9. Быковский Ю.А., Сизов В.В., Скворче вский К.А., Полякова О.В. Волоконно- оптический датчик ускорения и гравитации. Сб. "Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры"; Изд. МИРЭА, 1997;

10.Быковский Ю.А., Кабулов А.А, Скворчевский КА. Измерение микроперемещений на основе эффекта деформации плоского изгиба одномодового световода. Сб. " Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры"; Изд. МИРЭА, 1997;

11.Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Шутов А.В. Применение метода дискретного уравновешивания для измерения фазового сдвига в волоконно-оптическихдатчиках. Сб. "Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры". Изд. МИРЭА, 1997;

12. Быковский Ю., Минасян В.В., Скворчевский К.А., Хаустов В.В. Измеритель угловых перемещений на основе деформации кручения одномодового световода. Тезисы конф. "Динамика роторных систем", 21-23 мая 1996 г., г. Хмельницкий, Украина;

13.Быковский Ю.А., Минасян В.В., Полякова О.В., Скворчевский "КА. Волоконно-оптический датчик ускорения и гравитации. Тезисы конф.

"Динамика роторных систем", 21-23 мая 1996 г., г. Хмельницкий , -Украина

H.Bykovsky Y. A., Beskumikov A.Y., Grachev A.P., Scvorchevsky C.A. Fiber - optic accelerometer for a system of gravitational navigation of flying objects. Reports ofConf. SPIE Aerosense, Orlando, USA, april 1997.

15.Bykovsky Y. A., Cabulov A. A, Scvorchevsky C. A. Measurements of microdisplacements in mechanical systems by bend deformations of singlemode fibers. Reports of Conf. SPIE Optical Ingineering . San Diego, USA, august 1997.

16.Быковский Ю.А., Скворчевский КА., Яцеев В.А.. Влияние основных видов деформаций на параметры излучения в оптических волноводах типа "двужильная ПАНДА". Тезисы научной конференции МИФИ, январь 1998 г.

17. Фролов К.В., Быковский ЮА., Скворчевский К.А., Королева И.Н. Инженерная реализация биомеханики вестибулярного аппарата человека и области его применения.ГКачество: теория и практика" М., № 1,1999г

18.Быковский Ю.А., Нестерихин Ю.Е., Королева И.Н., К.А. Скворчевский. Волоконно-оптические датчики в задачах когерентной вестибулярной устойчивости космических аппаратов / Труды юбилейной конференции Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова., ноябрь 1998 года.

19.Быковский Ю.А., Нестерихин Ю.Е., Скворчевский К.А., Сизов В.В., Суятин Д. Применение волоконно-оптических датчиков в задачах устойчивости авиакосмических объектов/ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 1999 года.

20.Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Суятин Д.Б. Датчики для мониторинга окружающей среды на основе интегральной и волоконной оптики/ Тезисы научно-практической конференции "Экология, наука и образование", сентябрь 1998 года.

21.Bykovsky Y.A, Scvorchevsky CA., Beskurnikov A.Y., Poljakova O.V., Grachev A.P., Shutov A.V. System based on fiber - optic gravimeters for a measurement of gravitational field gradient vector for navigation of flying objects//Proc. SPIE , v. 3087, 1997, p. 45-53/

22.Фролов К.В., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж., Скворчевский К.А. Лазерные средства мониторинга окружающей среды больших городов \\ Доклады 4-ой международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности", Спб., июнь 1999 года;

23.Фролов К.В., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж... Тимофеев С.А, Скворчевский К.А. Портативные средства контроля экологической безопасности на автотранспорте // Доклады на 4-ой международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности", Спб., июнь 1999 года;

24.Фролов К.В., Скворчевский К.А., Быковский Ю.А., Королева И.Н. Технологическое развитие принципов биомеханики вестибулярного аппарата человека для уравновешивания вращающихся масс// "Автоматизация и современные технологии", №1,2000 г.

25.Быковский Ю.А., Сизов В.В., Степанов А.В., Скворчевский К.А.. Волоконно-оптические датчики на основе амплитудной модуляции оптического сигнала\\ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 2000 года;

26.Быковский Ю.А., Скворчевский КА., Суятин Д. Б.,. Яцеев В А Интегрально-оптические датчики (обзор)\\ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 2000 г.

27.Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Сизов В.В., Сергеев ВМ. "Экспериментальные исследования влияния основных видов деформаций на параметры излучения в садоводах типа "двужильная ПАНДА"// Сб. трудов 8-ой Международной Конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем"/ Москва, декабрь 2000 года;

28.Скворчевский К.А.. Влияние деформационных полей на параметры излучения в оптических лазерных волноводах// Тезисы 12-й Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов/ Институт машиноведения РАН, г. Москва, 20-21 декабря 2000 года;

29.Скворчевский К.А.. Исследование возможности создания волоконно-оптических датчиков для ориентации авиакосмических объектов в пространстве// Тезисы докл. 12-й Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов/ Институт машиноведения РАН, 20-21 декабря 2001 года, г. Москва;

30.Скворчевский К.А.. Физические основы волоконно-оптических датчиков микроускорений// Тезисы 12-й Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов/Институт машиноведения РАН, 20-21 декабря 2001 г., г. Москва;

31. Скворчевский К.А. Оптическая информатика и современная философия науки// - сессии МИФИ/январь, 2001 г.;

32.Быковский Ю.А., Сизов В.В., Скворчевский КА., Степанов А.В. Применение оптических и волоконно-оптических датчиков в исследовании вариации силы тяжести и микроускорений// Тезисы научной сессии МИФИ/ январь 2001 г.

33.. Быковский Ю.А., Акентьев А.В., Скворчевский К.А., Яцеев В.А. Волоконно-оптическая многоканальная система для измерения температуры и давления// Тезисы научной сессии МИФИ/ январь 2001 г.

34.Маркилов А.А., Скворчевский К.А. Применение оптических волноводов для измерения вибраций авиакосмических объектов //

Доклады 5-ой Международной конференции по проблемам вибрации / . Москва, октябрь 2001 г.

35.Скворчевский К. А. Волоконно-оптические датчики в задачах биомеханики // Тезисы научной сессии МИФИ / январь 2002 г.

36.Скворчевский К. А., Маркилов А. А. Лазерные волоконно - оптические системы в биомеханике Московская конференция молодых ученых «Научно- технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, ноябрь 2002 г.

37.Скворчевский К. А., Маркилов А. А Исследование нанопространтсва нейроволокон мозга на основе компьютерных информационных аналогов Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, ноябрь 2002 г.

38.Фролов К.В., Скворчевский К.А., Волоконно-оптические измерительные системы в задачах биомеханики Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса, ноябрь 2002 г.

39.Фролов К.В., Скворчевский К.А., Разработка современных информационных систем на основе элементов квантовых компьютеров Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, 2002 г.

40. Скворчевский К. А., Фролов К.В., Маркилов А. А Основные принципы применения волоконно-оптических систем в задачах биомеханики. Сб. докладов под ред. Академика К.В.Фролова «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва ,2003. 12с.

Типография ИМАЩ РАН, г. Москва, М. Харитоньевский пер., 4

Лиц. ПД № 00492 от 12.04.2000

Зак.№ ^ от ^ ■ О/ 200*1 тир. УСО экз.

Р- 2483

РНБ Русский фонд

2004-4 . 27955

Введение. Состояние проблемы и постановка задачи исследований

Глава 1. Концепция развития волоконно-оптических систем в медицине и биомеханике

1.1. Классификация основных принципов применения лазеров в биологии, медицине и биомеханике

1.2. Анализ современных волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) и использование их свойств в биомеханических исследованиях

1.3. Особенности схемных решений ВОИС для биомеханики

Глава 2. Исследование методов и средств поддержания позы человека при ходьбе

2.1. Медицинская статистика травматизма человека при ходьбе

2.2. Методы и средства исследования движений человека с использованием ВОИС

2.3. Методы и средства диагностики человека при локомоциях

Глава З.Возможности применения системы ВОИС для анализа биомеханики позвоночника

3.1. Актуальность исследования биомеханики позвоночника

3.2. Позвоночник как сложная биомеханическая система. Классификация для разработки методов и средств ВОИС

3.3. Задачи исследования динамики позвоночника

3.4. Методика исследования позвоночника методами ВОИС с распределенными параметрами

3.5. Экспериментальные исследования позвоночника с использованием ВОИС

Глава 4. Экспериментальные исследования гидродинамики сосудов и капилляров методом ВОИС

4.1. Методика исследования

4.2. Связь между измеряемыми параметрами и внешними условиями измерения

4.3. Особенности сопряжения и восстановления функций измеряемых величин при ВОИС-диагностике

4.4. Методика восстановления изображения через среды

4.5. Особенности взаимодействия пульсирующего потока жидкости со стенкой сосуда

4.6. Исследование рельефных структур внутри сосудов

Глава 5. Возможности ВОИС для построения функционального аналога вестибулярного аппарата человека

5.1. Общие положения

5.2. Функциональное описание вестибулярного аппарата человека

5.3. Особенности исследования биомеханики вестибулярного аппарата

5.4. Моделирование вестибулярного аппарата на основе ВОИС

5.5. Мультиплексирование двухплечевых ВОИС

5.6. Расчет функционального аналога полукружных каналов 160 Общие выводы 173 Заключение 176 Список литературы 185 Приложение

Состояние проблемы и постановка задачи исследования

Патенты живой природы традиционно являются побудительным мотивом для инженерной мысли, издавна стремящейся воплотить в технических аналогах их удивительные возможности. Функционирование систем человеческого организма способно подсказать ряд эвристических технических решений, воплощение которых в реальных моделях приводит к созданию принципиально новых систем, решающих насущные задачи медицины, техники и науки в целом. Разрешение проблемы создания высокоточных чувствительных исследовательских систем позволит не только решить традиционные задачи биомеханики, но также вскрыть пласт новых проблем, решение которых возможно только при использовании современных технических средств.

Решение задач биомеханики в системах «человек-машина-среда» остро нуждается в методах и средствах, основанных на измерительных системах, чувствительность, специфичность и точность которых соизмеримы с функционированием человеческого организма. Эти системы должны надежно работать в экстремальных условиях, быть малогабаритными, устойчивыми к действию разнообразных внешних условий и помех, таких, как сильные электромагнитные поля, взрыво- и пожароопасные факторы и пр.

Биологические объекты отличаются особой сложностью. Для живого организма характерны многофазовые переходы и кооперативные процессы, при которых множество частей ведет себя как единое целое. При создании сложных систем «человек-машина-среда» необходимо производить комплексные измерения не только биологической части систем, но, одновременно, и окружающей ее среды. Измерению подлежат физические характеристики из широкого перечня видов, включающего микроускорения, микрогравитацию, вибрацию, температуру, давление и т.д. Данные, в которых нуждаются исследователи, должны описывать сложные свойства биологических объектов и охватывать целый круг проблем распознания, регистрации и хранения индивидуальных особенностей каждого исследуемого, так, как морфологические характеристики, пространственное расположение каждого элемента, а также изменения всех характеристик в ходе исполнения двигательных актов, носит объективный характер.

Воздействия со стороны внешней среды зачастую развиваются по апериодическому закону, что затрудняет использование в качестве измерительных систем традиционных пъезорезонансных, магнитоиндукционных и емкостных датчиков. В области низкочастотных воздействий чувствительность электрических датчиков оказывается недостаточной для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния слабых физических полей на биологические процессы, что особенно ярко проявляется в случае микроускорений и микрогравитации.

Особую проблему представляет отсутствие соответствующих устройств - датчиков, способных воспринимать и фиксировать такого рода информацию. Разрешение этой проблемы видится в объединении волоконно-оптических систем с известными лазерными разработками [16].

В области комплексных измерений использование волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) имеет целый ряд преимуществ перед электрическими датчиками и является особо актуальным [7-15].

Успехи в области создания, дальнейшей разработки приборов на основе световолоконных преобразователей и применения их в биомеханике наряду с зарубежными исследователями и организациями, связаны с именами российских ученых: А.М.Прохорова, Е.М.Дианова, Н.Г.Басова, Ю.В.Гуляева, К.В.Фролова, А.К.Сенаторова, Х.С.Багдасарова, Ю.А.Быковского, Ю.Н. Кульчина, В.И .Бусурина, В.В.Смолянинова, С .А. Регирера, А.И.Миронова, А.А.Исакова, Б.Г.Горшкова, В.С.Летохова, АВ.Приезжева, В.В.Тучина, Л.П.Шубочкина, А.А.Маркилова, С.В.Петухова, А.Б.Новикова, Б.А.Потемкина; И.Н.Королевой и другими.

Для проведения абсолютных измерений физических величин широко используются волоконные интерферометры «белого света». Базовыми элементами для этих устройств служат волоконно-оптические интерферометры Фабри-Перо. Такие датчики позволяют с высокой точностью измерять температуру, усилие, давление, перемещение и многое другое [1-18].

Многие компании также успешно используют измерительные волоконно- оптические интерферометры Маха-Цендера, Майкельсона и Саньяка для создания чувствительных элементов датчиков [1-4].

Одними из наиболее распространенных типов волоконно-оптических датчиков, ввиду особой технологичности изготовления, в ближайшем будущем могут явиться датчики на; брэгговских решетках, записываемых непосредственно в материале сердцевины волоконных световодов [1-4,7-21].

Значительное место среди волоконно-оптических датчиков способны занять поляризационные датчики и датчики на основе одноволоконных многомодовых интерферометров, которые, как и волоконные интерферометры Фабри-Перо, нуждаются только в одном измерительном волоконном тракте и не требуют дополнительного опорного плеча, что значительно упрощает конструкцию измерительных систем [7-8].

Одной из важных характеристик света, используемых в волоконно-оптических системах является его поляризация. Эта характеристика существенна для живого вещества. Например, известно, что огромное число видов живых организмов способно к зрительному восприятию поляризованного солнечного света и строит свою деятельность с учетом такого света [Мазохин-Поршняков Г.А., 1965; Грибакин Ф.Г., 1969; Францевич Л.И., 1982, Дмитриевский, 1985, 1992и др.].

Вместе с тем применение одноволоконных многомодовых датчиков для исследования сложных задач биомеханики до сих пор не отмечалось.

Исследованию закономерностей локомоций человека уделяется огромное внимание в работах отечественных и зарубежных ученых.

Детальному изучению походки в норме посвящены работы Витензона

А .С. (1998). Широкую известность получили исследования локомоций компьютерных диагностических комплексов с помощью технологии клинического анализа движений [Скворцов Д.В.2001,2002, 2003 и др.]. Эти Ф технологии предусматривают построение моделей двигательного стереотипа больного в норме и при патологических изменениях. Вместе с тем детальное изучение движений больного с учетом всех нюансов локомоторных паттернов в режиме реального времени до сих пор не имело необходимых чувствительных элементов. ВОИС способны получать, регистрировать и обрабатывать большой объем разнообразных параметров пространственного положения двигательных элементов опорно-двигательного аппарата ф человека. Более того, ВОИС способна регистрировать все изменения в процессе перемещений. Подобных исследований до сих пор не проводилось.

Изучению пространственного положения и одновременно патоморфологических изменений позвоночника с учетом индивидуальных особенностей каждого больного применительно к нуждам мануальной терапии посвящены работы Орла A.M. (2001, 2002, 2003). Рентгенологический метод исследования дает обширные материалы для ш изучения морфологии и статики позвоночника больного. Однако, применение этого метода для широкого анализа динамики позвоночника и каждого позвоночного двигательного сегмента ограничивается высокой лучевой нагрузкой и отсутствием соответствующего компьютерного программного обеспечения. В связи с этим волоконно-оптические системы (ВОИС) с распределенными параметрами обладают несомненными преимуществами, поскольку они способны учитывать изменения большого количества параметров позвоночника, увидеть микроперемещения всех составляющих элементов позвоночника в режиме реального времени, что (ф позволит уточнить диагностику ег(^5иомеханики. Подобные исследования до сих пор не проводились.

ВОИС системы могут разрешить ряд проблем в исследовании гемодинамики. Разработанные лазерные методы применены в экспериментальных исследованиях гидродинамики сосудов и капилляров, что выявило ряд особенностей при пульсовом потоке жидкости и взаимодействия при разных биомеханических аспектах.

В диссертации дана оценка динамических характеристик потока жидкости в лазерных экспериментах гидродинамики капилляров методами ВОИС, особенности взаимодействия пульсирующего потока жидкости со стенкой сосуда, математическое описание явления и состояния гидродинамики сосудов, исследование явления кавитации в сосудах и автоколебаний стенки, определение условий возникновения автоколебаний, исследование параметрического резонанса сосудов, клинические исследования и рекомендации.

В настоящей работе также предпринята попытка построить с помощью волоконно-оптических средств функциональный аналог одной из биологических систем для применения в технических комплексах. Речь идет о вестибулярной системе организма человека и многих позвоночных, помогающей организму ориентироваться как в пространственном положении головы, так и в изменении направления движения тела. Волоконно-оптические функциональные аналоги вестибулярного аппарата являются основой для разработки перспективных систем управления движением сложных технических систем, в том числе авиационных и космических летательных аппаратов [8-10]. Проблемы биомеханики, которые может решить ВОИС, пока еще не решены.

Постановка задачи исследования.

Цель работы: создание методики и исследование возможностей волоконно-оптической измерительной системы для решения проблем биомеханики.

Задачи:

1. Разработка методов экспериментального исследования влияния основных видов деформационных полей на параметры излучения в одномодовых и многомодовых волоконных световодах, в одномодовых световодах типа "Двужильная Панда", с целью решения задач биомеханики, связанных с точными измерениями микроускорений, вибраций и ударных нагрузок, возникающих при работе человека-оператора, локомоций и исследования функциональных характеристик опрно - двигательного аппарата человека, а также реализации вестибулярной чувствительности человека в практических целях.

2. Определение условий возможности использования деформаций аксиального растяжения-сжатия, плоского изгиба и кручения волоконных световодов, а также изменений геометрии внешней оптической связи волноводов и эффекта туннельной оптической связи для разработки датчиков непосредственного восприятия микроперемещений при позных положениях человека, ускорений при воздействии элементов и частей тела человека при физических нагрузках и локомоциях.

3. Разработка системы измерения отклика биологических объектов в условиях внешних физических воздействий на различные рецепторы тела человека при изучении биомеханической подвижности позвоночника и его внутренней среды.

4. Экспериментальные исследования гидродинамики сосудов и капилляров за счет сопряжения обращенных фронтов квантовых потоков, фотонно-фононного преобразования в средах в реальном масштабе времени, измерения взаимодействия пульсирующего потока жидкости со стенкой сосуда, математическое описание явления и состояния гидродинамики сосудов, исследования явления кавитации в сосудах и автоколебании стенки, определения условий возникновения автоколебаний, исследование параметрического резонанса сосудов, клинические исследования и рекомендации.

5. Исследования возможности создания функционального волоконно-оптического аналога вестибулярного аппарата человека и системы управления движением технических систем на основе такого аналога.

Научная новизна работы заключается в следующем. 1. Разработаны экспериментальные методы изучения влияния деформационных полей аксиального растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба на амплитуду, фазу и состояние поляризации излучения, распространяющегося в одномодовых и многомодовых волоконных световодах.

2. Экспериментально исследован маломодовый, обладающий наибольшей точностью, режим распространения излучения в одномодовых волоконных световодах, сопряженных с элементами и рецепторами тела человека, подверженных микроускореням, ударам, локомоциям, при исследованиях позы и ходьбы человека.

3. С целью исседования биомеханических аналогов живых организмов и особенности работы вестибулярных рецепторов симметрии глаза человека и вибрации среднего уха, экспериментально проверено влияние деформации плоского изгиба малого радиуса измерительной системы и показана их линейность и индентичность. Для чего экспериментально исследован режим внешней пассивной оптической связи в одномодовых и многомодовых волоконно-оптических измерительных системах.

4. Предложена схема ВОИС с распределенными параметрами и использованием эффекта туннельной оптической связи между волоконными и планарными световодами для измерения биомеханических динамических характеристик подвижности позвоночника и его основных элементов в реальной среде.

5. Предложены экспериментальные методики исследования гидродинамики сосудов и капилляров с использованием ВОИС, сопряженных с внутреннимйринамическими процессами, протекающими в сосудах и капиллярах человека.

6. Разработан функциональный аналог вестибулярного аппарата человека для использования его в практических целях, например, для высокоточного управления центром тяжести авиакосмических объектов.

Полученные результаты могут быть использованы для:

1. Разработки волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) для измерения и управления параметрами физических полей в эргономических и иных экспериментальных стендах и установках, в которых исследуется задачи биомеханики (микроускорения, микрогравитация, вибрация, температура, давление) на отклик биомеханической системы, а также измерение параметров отклика исследуемой биомеханической системы: сосудов и капиляров, позвоночника и отдельных позвонков; их внутренней среды составляющих различных внутренних вестибулярных реакций при движении глаз и др.

2. Создания биомеханических волоконно-оптических датчиков микроускорений и микрогравитации для систем активной виброзащиты человека в среде орбитальных космических станций, а также для активного управления положением центра масс человека наорбитальных комплексах.

3. Разработки методов и средств для детальных исследований гидродинамики сосудов и капилляров человека,что может послужить в целях оценки количественных показателей пульсовых движений жидкости в сосудах и капиллярах, исследованию явлений кавитации, автоколебаний жидкости и стенок, сосудов, определения условий возникновения автоколебаний, параметрического резонанса в норме и патологии клинических исследований.

4. Разработки волоконно-оптических датчиков для измерения и контроля давления жидкости в биомеханических активных средах и материалах, практические рекомендации по применению ВОИС в клинических условиях и оборонной технике.

На защиту выносятся следующие положения:

• экспериментально показана возможность использования деформаций аксиального растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба одномодовых волоконных световодов для решения задач биомеханики, а именно, точного измерения микоускорений, локомоций, изучения функциональных характеристик опорно-двигательного аппарата, параметры работы позвоночника и отдельных его элементов, вестибулярных и глазных реакций человека с точностью и чувствительностью превышающих чувствительность сенсорных органов человека;

• экспериментально исследована возможность использования деформаций растяжения-сжатия, кручения и плоского изгиба для модуляции параметров излучения в двужильных волоконных световодах, для чего реализована схема волоконно-оптического датчика ускорений и гравитации, способного измерять модуль и направление вектора ускорения и силы тяжести при воздействии на позвоночник человека и отдельных позвонков, а также отдельных динамических параметров движения каждого позвонка;

• показана возможность использования волоконно-оптических ф датчиков для исследования гидродинамики сосудов и капилляров человека при изучении тонких элементов пульсового движения жидкости и крови, явления кавитации, автоколебаний стенок сосудов, параметрического резонанса в норме и патологии;

• разработан макет волоконно-оптического функционального аналога вестибулярного аппарата человека, определены условия возможности его использования для защиты человека в системах с ф экстремальными условиями, в том числе авиационных и космических летательных аппаратов.

Апробация работы и публикации. Получены Патенты РФ на эффекты, возникающие в ВОИС и нашедших применение в биомеханике. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на: 1 Российском конгрессе «Реабилитационная помощь населению в РФ» 2003 г., Научно-практической конференции биомеханики им. Н А. Бернштейна 19J8-2003 г., Н. Новгород, конференции "Динамика роторных систем", 21-23 мая 1996 г., г. Хмельницкий, Украина; конференции SPIE Optical Ingineering, Ш Denver, USA, august 1995; конференции SPIE Aerosense , Orlando, USA, april

1997; конференции SPIE Optical Ingineering . San Diego, USA, august 1997; научной сессии МИФИ, январь 1998 г.; юбилейной конференции Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова., ноябрь 1998 года.; научной сессии МИФИ, январь 1999 года; научно - практической конференции "Экология, наука и образование", сентябрь 1998 года , Краснодар; научной сессии МИФИ, январь 1999 года; научной сессии МИФИ, январь 2000 года; научной сессии МИФИ, январь 2001 года; Пятой международной конференции "Проблемы колебаний"(1 СОVP-2001), Москва, октябрь 2002 года; Московской конференции молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполюса», Москва, ноябрь 2002 г.; XII -ХП1 конференциях молодых ученых «Современные проблемы машиноведения» ИМАШ РАН; семинарах кафедры физики твердого тела и квантовой радиофизики МИФИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 43 печатных работах. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований возможностей волоконно-оптических измерительных систем (ВОИС) созданы методы и средства для решения задач биомеханики в системе «человек-машина-среда». Особенностью данных исследований является разработка измерительных систем с высокой разрешающей способностью и чувствительностью, соизмеримой с чувствительностью человека, за счет применения в этих системах лазерного когерентного излучения и оптических резонаторов типа Фабри-Перо и Маха-Цендера, интер--фере^ионных решеток на эффекте Брэгга, датчиков ВОБР, работающих на сосредоточенных и распределенных принципах действия с эксплуатационными параметрами: - точность измеряемых величин ускорения - 10"8 - 10"9 м/с2; - диаметр оболочки -125 мкм; - апертура -0,16 мкм;- длины волн лазерного излучателя - 0,685-0,9-1,0-1,06 мкм; - общая масса - 0,25 - 0,3 кг; - возрастание чувствительности измерения до 10"5 - 10"6 - пороговая чувствительность 10"8 - 10"9 мкв/мвт.

2. Определены основные параметры волоконно-оптических измерительных систем для разработки датчиков непосредственного восприятия микроперемещений при позных положениях человека, ускорений и физических нагрузках на отдельные части его тела, при локомоциях и различных положениях позвоночника. Применение ВОИС позволило по новому, более углубленно и с высокой разрешающей способностью приступить к решению задач биомеханики, связанных с высокоточным измерением микроускорений, вибраций и ударных нагрузок, возникающих при работе в экстремальных условиях, исследовать функциональные характеристики опорно-двигательного аппарата человека с учетом многих динамических факторов, анализ которых другими методами был просто недоступен.

3. Разработаны принципиально новые методики ВОИС на основе эффекта Брэгга и датчиков ВОБР для исследования позвоночника. При этом появилась возможность исследовать динамические свойства каждого позвонка в отдельности в норме и патологии.

-474:

Проведенные экспериментальные исследования ВОИС показали:-система ВОИС представляет возможность моделировать пространственное положение позвоночника в двух проекциях, смещения каждого позвонка в отдельности и одновременно всего позвоночника, как в статике, так и в динамике; - маркером пространственного положения и смещений служит ость остистого отростка; - появляется возможность исследовать макро- подвижность позвоночника в пространственной системе координат во фронтальной, сагиттальной и поперечной проекциях одновременно, а также изучать влияние смещений позвонка одного отдела на изменение положения позвонков во всех отделах одновременно и позвоночника в целом; - исследовать микро подвижность каждого позвонка в отдельности и взаимосвязи микро подвижности позвонков различных отделов при типичных движениях ротации, боковом наклоне «спандолиозе», что позволяет использовать систему ВОИС для изучения индивидуальных особенностей подвижности позвоночника каждого человека с учетом статики и динамики двигательных паттернов ПДС.

4. Использование ВОИС в качестве чувствительных приборов в экспериментальном исследовании сосудов и капилляров человека позволили получить уникальные сведения по распространению и взаимодействию пульсирующих потоков крови по сосудам и капиллярам. При этом впервые удалось проследить динамику пульсовой волны на заданном расстоянии от источника и запечатлеть ее воздействие на внутреннию стенку сосуда. Это стало возможным при создании ВОИС на основе эффекта сохранения фронта обр^|юй волны когерентного источника с откликом биологических объектов на внешние условия измерения в реальном времени. В результате этих эффектов получены новые положительные результаты о кавитации жидкости в сосудах, автоколебании стенок сосудов, параметрическом резонансе жидкости и сосудов, что вошло в качестве рекомендаций в методику по исследованию динамических характеристик и клиническим исследованиям человека в экстремальных средах.

5. Исследованы возможности созданного макета функционального волоконно-оптического аналога вестибулярного аппарата человека для практического применения в системах диагностики и управления. Сравнение скорости реакций вестибулярного аппарата человека и относительной скорости срабатывания ВОИС-аналога показало, что скорость реакции аналога вестибулярного аппарата человека превышает человеческую реакцию в 10б раз. Этот эффект может быть использован в различных задачах биомеханики: - в высокоточном управлении системами, основанными на эргономических принципах действия, при взаимодействии человека-машины, инструментов, других динамических воздействиях на человека; - изучении поведения человека в космосе, под водой, и агрессивных средах; - в исследовании движений, в процессе изучения эргономических реакций человека- оператора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перспективы развития ВОИС с распределенными и сосредоточенными параметрами для задач биомеханики находятся в тесной связи с развитием техники и технологии волоконно-оптических датчиков разрабатываемых в МИФИ и дугих организациях. Рассмотренные в данной диссертационной работе типы волоконно-оптических датчиков, методов мультиплексирования датчиков в распределенные волоконные измерительные линии и распределенные измерительные сети, на выходе которых биосигналы обрабатываются при помощи нейронных сетей, можно считать первым этапом на пути создания нового поколения измерительных устройств для биомеханики , которые со временем будут способны обладать признаками искусственного интеллекта.

Стремительное внедрение в практику медицины, биологии и биомеханики процессов и объектов, управление и контроль которых должны осуществляться в реальном времени, выдвигают на передний план требования по созданию измерительных устройств, которые обладали бы способностью адаптации к конкретным условиям их эксплуатации биообъектам, на которых они размещаются, способностью к обучению и восстановлению структуры распределения параметров взаимодействующего с ними поля при недостатке данных, а также не только обеспечивать распознавание конкретного образа изучаемого биообъекта или связанного с ним явления, но и прогнозировать ситуационные реализации при патологии и в норме.

Для вышеперечисленных задач существенно то, что в настоящее время волоконная оптика является технической основой для интенсивного развития систем передачи информации и достижений сенсорной оптоэлектроники. Волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все известные физические величины. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с иными типами датчиков - устойчивостью к влиянию электромагнитных помех, взрыво- и пожаробезопасностью, улучшенной возможностью распределенного в пространстве сбора информации и создания на основе отдельных датчиков распределенных сетей. Использование волоконно-оптических датчиков позволяет реализовывать высокоэффективные системы оптической обработки информации в реальном масштабе времени.

В то же время дальнейшее развитие сенсорной оптоэлектроники сдерживается, в частности, отсутствием единого физического подхода к разработке принципиальных схем волоконно-оптических датчиков, основанного на систематическом изучении влияния основных видов деформационных полей на параметры излучения в волоконных и планарных волноводах.

Одной из проблем разработки волоконно-оптических датчиков является определение условий применимости маломодового режима распространения излучения в одномодовых волоконных световодах. Использование маломодового режима позволяет применять коммерчески доступное оптическое волокно в системах с когерентными источниками излучения, работающими в видимой части оптического диапазона. Разработка этих возможностей является одной из актуальных задач обеспечения биомеханических исследований и включена в список задач настоящей диссертации. Получаемые здесь технические решения полезны, например, для изучения универсальных форм биомеханической активности солитонного типа в живом веществе, проявляющихся в организмах на разных линиях и ветвях биологической эволюции.

Одним из объектов, интересных для биомеханики, медицины и эргономики, является позвоночник человека. Некоторые направления восточной медицины даже утверждают, что все беды человека происходят от нарушений позвоночника. Многие эргономические системы, например, «оператор-сидение оператора» и «оператор-пульт управления» должны строиться с учетом конкретных знаний о положении позвоночника и его отдельных частей у человека на разных фазах трудовой деятельности. Известны средства неинвазивного наблюдения и диагностики позвоночника человека, прежде всего, рентгеновские, акустические и др. Однако они не дают исчерпывающих возможностей для наблюдения мягких

-471тканей, окружающих позвоночник.

С древних времен биомеханики решали задачи протезирования утраченных конечностей человека. В наше время в результате научно-технического прогресса биомеханики всего мира вместе со специалистами смежных наук решают проблему тотального протезирования человеческого организма. Наука и практика реально оперируют сейчас протезами едва ли не любых органов человека: органов зрения и слуха, печени, почек и т.д. Для исследовательских лабораторий этого направления человеческий организм становится по существу организмом-киборгом, которому, в частности, вживляются под кожу компьютерные чипы и на генетических молекулах ДНК которого строятся работающие варианты технических компьютеров. Данная область объединения организма человека и машинных устройств в единую систему «человек-машина» (киборга) признается во всем мире.

Лазерная биотехнология может быть также разделена на три главных направления: лазерная хирургия биотканей, клеток и биомолекул, лазерная терапия и фотобиохимия и, наконец, лазерная микро- и макродиагностика. В основе каждого из этих направлений лежат разнообразные эффекты взаимодействия лазерного излучения с биообъектом на микро- и макроуровнях, определяемые свойствами лазерного излучения и структурой биообъекта. Наиболее полно свойства лазерного излучения реализуются в фотобиохимии и особенно в диагностике, а также в биомеханике.

Несмотря на то что лазерная медицинская диагностика — одно из самых эффективных направлений применения лазеров в биомеханике, она пока не получила должного развития, что видно по приоритетам на мировом рынке и тем публикациям, которые упоминались выше. Это связано в основном со сложностью аппаратуры и высокими требованиями, предъявляемыми к выходным параметрам лазеров (примерно такие же требования, как в лазерной спектроскопии и контрольно-измерительной технике), и, конечно, со сложностью самих физических процессов, лежащих в основе методов лазерной диагностики. Развитие и применение ВОИС решает эту проблему. До конца этого столетия прогнозируется предпочтительный рост лабораторно

-479диагностической лазерной техники в клинических условиях и профилактике.

Диссертациия посвящена вопросам исследования методов поддержания позы человека при ходьбе с учетом его работы в космосе и в наземных условиях с использованием ВОИС.

Исследование ходьбы человека с помощью ВОИС позволяет решать эту задачу с точностью соизмеримой с точностью измерительных органов человека. При этом показано, что недостаточный запас устойчивости ходьбы, обусловленный взаимодействием стопы человека с внешними опорными поверхностями может приводить к падениям и травмам.

Согласно медицинским статистическим данным более 60% травм возникает вследствие падений. Опасность падений увеличивается с возрастом у 34% лиц старше 65 лет травмы, вызванные падением, заканчивались госпитализацией. Согласно данным официальной статистики в Швеции больше людей погибают в результате падения (43% всех несчастных случаев со смертельным исходом), чем вследствие дорожно-транспортных происшествий -31%.

Исследования ВОИС в эргономическом стенде дает возможность получить характерные картины воздействия на подвижное тело различных составляющих вибрации при ходьбе на бегущей дорожке. Диаграммы чувствительности в оптическом диапазоне при заданных исходных параметрах значительно выше традиционных.

При этом важно увидеть особенности ходьбы в норме и патологии. В ходе исследования установлено, что каждая постановка ноги на опору при локомоциях сопровождается кратковременным силовым возмущением, которое распространяется по всему телу. Такие динамические воздействия могут при определенных условиях привести к повреждениям опорно-двигательного аппарата человека.

Характер взаимодействия с опорой при локомоциях определяется действием многих факторов. Представление о характере возникающего при опорном взаимодействии силового возмущения и некоторых его параметрах получены на основе методов ВОИС.

ЧЬо

Проблема вибрации довольно серьезна, так как именно неудовлетворительные условия передвижения являются причиной того, что от 60 до 80% взрослых горожан имеют разнообразные патологические изменения позвоночника и связанные с ними неврологические заболевания. Объяснение данной ситуации, очевидно, состоит в том, что локомоторный аппарат человека, эволюционно приспособленный к ходьбе босиком по сравнительно мягкой земле, в условиях современного города оказался подверженным интенсивным механическим воздействиям, которые обусловлены движением человека в жесткой обуви по жесткой поверхности. В результате этого опорно-двигательный аппарат человека поглощает десятки миллионов механических ударов, источником которых изо дня в день и из года в год служит каждый шаг. Используя ВОИС можно получить кинограммы динамических процессов происходящих при локомоциях в трех различных направлениях: непосредственный анализ ударных нагрузок, испытываемых различными частями тела; экспериментальное определение патологических изменений, которые наблюдаются в двигательном аппарате при передвижении при эксимерных нагрузках; статистическая обработка динамики частей опорно-двигательного аппарата.

Замечательные возможности дает применения системы ВОИС для анализа биомеханики позвоночника.

Как известно позвоночник способствует передвижению организма во внешней среде, осуществляет синхронное смещение разных частей туловища и конечностей. Это - уникальная система, объединяющая, казалось бы, не совместимые вещи: гибкость пружины и надежную прочность панциря для защиты спинного мозга, длительную устойчивость в вертикальном положении и максимальное расслабление при отдыхе в горизонтальном положении.

Важно отметить, что помимо высочайшей структурной сложности как отдельного элемента, так и всего органа в целом, позвоночник обладает высокой динамической сложностью в силу осуществления им функции перемещения в пространстве. Все его элементы при любых двигательных актах изменяют свое пространственное расположение, а с течением времени, приспосабливается к наиболее привычным состояниям его морфологическое строение.

Проведенные экспериментальные исследования ВОИС показали: система ВОИС представляет возможность моделировать пространственное положение позвоночника в двух проекциях, смещения каждого позвонка в отдельности и одновременно всего позвоночника, как в статике, так и в динамике;

- маркером пространственного положения и смещений служит ость остистого отростка;

- появляется возможность исследовать макро- подвижность позвоночника в пространственной системе координат во фронтальной, сагиттальной и поперечной проекциях одновременно, а также изучать влияние смещений позвонка одного отдела на изменение положения позвонков во всех отделах одновременно и позвоночника в целом;

- исследовать микро подвижность каждого позвонка в отдельности и взаимосвязи микро подвижности позвонков различных отделов при типичных движениях ротации, боковом наклоне спондилолистезе», что позволяет использовать систему ВОИС для изучения индивидуальных особенностей подвижности позвоночника каждого человека с учетом статики и динамики двигательных паттернов ПДС.

Проведенные экспериментальные исследования гидродинамики сосудов и капилляров в биомеханике человека представляют большой интерес, т.к. распространение пульсовых волн давления вызывает изменения гидромеханических процессов взаимодействия стенок сосуда с потоком жидкости (крови). Экспериментальные исследования проводились на эргономическом стенде методом ВОИС. Исследования показали, что пульсовая волна давления на пути своего движения претерпевает значительные искажения, это связано не только с влиянием вязкоупругих свойств материала стенок, но и с другими явлениями, которые другими методами выявить сложно. чьг

Любой участок сосуда, на котором изменяются его свойства, является местом частичного отражения волны давления. В каждом реальном сосуде на всем его протяжении имеются многочисленные неоднородности (шероховатость, изгибы, рельеф внутренней поверхности), приводящие к отражению пульсовых волн. Именно отражение волн ответственно за наиболее значительное изменение формы распространяющейся пульсовой волны давления.

Суть новой методики сопряжения динамических процессов с когерентными приборами заключается в том, что тончайшим индикатором физических явлении в момент времени является изоэнергетический объем фотонов, образованный когерентным сфокусированным лучом, передающим исходную и последующую информацию об адекватно происходящем физическом явлении из объема с точностью до минимального искажения моды и восстанавливаемого до реального неискаженного изображения на мониторе .

Как показали исследования с использованием ВОИС пульсовая волна давления в реальном сосуде испытывает отражение от многочисленных препятствий. Поэтому форма пульсовой волны в месте измерения имеет значительные искажения. Для излучения влияния повторных отражений на форму пульсовой волны был поставлен эксперимент на созданной когерентной; установке ВОИС.

Экспериментальное изучение потерь механической энергии потоком жидкости в зависимости от динамического состояния механической системы представляет большой интерес. Это объясняется тем, что в некоторых гидроупругих линиях значительная доля энергии потока (до 25 %) расходуется на преодоление сопротивления движению, поэтому учет вопросов уменьшения потерь энергии потоком имеет актуальное значение.

В данном разделе рассматриваются следующие вопросы: влияние вибрации сосуда на гидравлическое сопротивление трения; влияние пульсации жидкости в сосуде на гидравлическое сопротивление трения; влияние упругих свойств материала стенок сосуда на его полное сопротивление (гидравлический импеданс).

Анализ полученных результатов показал, что действие вибрации сосуда на коэффициент гидравлического сопротивления трения сосуда сказывается в диапазоне частот (4-45 Гц). Данный диапазон частот характеризует динамические свойства человека. В этом диапазоне частот при продольной вибрации гидравлическое сопротивление трения Cf уменьшается на (30-40 %), при. поперечной форме вибрации увеличивается на (45-50 %).

Исследована задача использования ВОИС для построения функционального аналога вестибулярного аппарата человека. Речь идет о построении такой технической системы, которая по своим характеристикам -чувствительности, габаритам, весу и надежности - была бы сопоставима или превосходила натуральный вестибулярный механорецептор. Последний, как известно, включает в себя систему полукружных каналов и систему отолитов, в совокупности дающих организму информацию о характере угловых и линейных движении головы и ее ориентации относительно вектора гравитации. Построение такого функционального аналога вестибулярного аппарата находится в русле общей для современной биомеханики: проблемы тотального протезирования организма человека, расширения возможностей частичной или полной замены тех или иных органов человека в зависимости от требовании медицинского, биотехнологического, военного или иного характера.

В попытках разработать такой функциональный аналог вестибулярного аппарата автор диссертации обратился к средствам сенсорной оптоэлектроники, располагающей привлекательными возможностями построения высокочувствительных, малогабаритных, легких и надежных сенсоров на основе физических особенностей взаимодействия световых лучей, в том числе нелинейного характера. Как известно, в области нелинейной оптики существует широкий класс физических эффектов, носящих когерентный (кооперативный) характер и являющихся с точки зрения классической линейной динамики парадоксальными, невозможными в принципе. Именно на использовании этих феноменов нелинейной оптики построены многие современные оптические приборы, например, лазеры.

-AM

Световые феномены из этого класса были использованы в настоящей работе как основа для решения сформулированной проблематики на стыке биомеханики и техники. В публикациях диссертанта они зачастую для краткости называются феноменами когерентности, а построенные на них приборы, виды диагностики и т.д. - «когерентными приборами», «когерентной диагностикой» и т.д.

Разработанный лабораторный макет функционального аналога вестибулярного аппарата,работающий на вестибулярном принципе действия (ВПД), созданный в настоящей диссертационной работе уже заинтересовал представителей космонавтики и авиации в качестве перспективного средства ориентации в системах навигации авиакосмической техники.

Важным здесь является то, что волоконные измерительные сети обеспечивают сбор и передачу информации используя световое излучение, что позволяет легко подключать их к существующим волоконно-оптическим сетям связи и использовать для обработки сигналов быстродействующие оптические вычислительные системы, что выгодно отличает их от других типов измерительных устройств.

Важным достоинством в деле развития ВОИС является возможность их адаптации к конкретным условиям эксплуатации за счет обучения посредством использования обучающих эталонов. В данном случае перспективным видится применение на их выходе не только оптических нейрокомпьютеров, но и устройств, принцип действия которых базируется на использовании аппарата нечеткой логики, что позволяет за счет накопления конкретной биоинформации, через расширение базы данных, придать совокупной измерительной системе свойства, характерные для природных биологических объектов, обладающих интеллектуальными способностями.

1. Патент РФ №2018923 Волоконно-оптический микрогравиметр (авторы К.В.Фролов, А.Б.Новиков, К.А. Скворчевский) Бюл.№ 37,1998.

2. Орел А.М., Скворчевский К.А. Проблемы лучевой диагностики в мануальной терапии //Бюллетень №5 Московского профессионального объединения мануальных терапевтов /Под общей редакцией А.Е.Саморукова, октябрь 2003, М., с. 47-51.

3. Орел А.М., Кузнецов А.Ю. Скворчевский К.А. Клинико-лучевые параллели цервикобрахиалгии // Сборник научных трудов 1-го Российского конгресса «Реабилитационная помощь населению в Российской Федерации». М.,

4. Общероссийский общественный Фонд «Социальное развитие России», 2003, с196.197

5. Патент РФ № 2028013 Устройство коммуникации опорных поверхностей в биомеханике (авторы КЛЗ.Фролов, К.А. Скворчевский, А.Б.Новиков) Бюл.№ 12,1999.

6. К.А. Скворчевский и др.В отчете № 095-4910-НИЗ РКА 4.1/12 «Проблемы микрогравитации на космических объектах: разработка методов и средств защиты и измерения. Под ред. академика К.В.Фролова. 199, М., 25.

7. К.А. Скворчевский, и др. Исследование проблемы болезней движения больших городов. В сб. «Экологические проблемы больших городов под Ред. академика К.В.Фролова, т. 1,198-199, 1998.

8. Патент РФ №2238875, Способ измерения биомеханических сигналов, Принципы создания датчиков на основе ВОИС. (авторы М.А.Маркилов, К.А. Скворчевский и др.) Бюл.№ 28,2000.

9. Быковский Ю.А., Сизов В.В., Скворчевский К.А., Полякова О.В. Волоконно-оптический датчик ускорения и гравитации. Сб. "Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры"; Изд. МИРЭА, 1997/

10. Быковский Ю.А., Кабулов А.А., Скворчевский К. А. Измерение микроперемещений на основе эффекта деформации плоского изгиба одномодового световода. Сб. " Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры"; Изд. МИРЭА, 1997,

11. Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Шутов А.В. Применение метода дискретного уравновешивания для измерения фазового сдвига в волоконно-оптическихдатчиках. Сб. "Конструирование и производство элементов радиоэлектронной аппаратуры". Изд. МИРЭА, 1997; •

12. Быковский Ю., Минасян В.В., Скворчевский К.А., Хаустов В.В. Измеритель угловых перемещений на основе деформации кручения одномодового световода. Тезисы конф. "Динамика роторных систем", 21-23 мая 1996 г., г. Хмельницкий, Украина.

13. Быковский Ю.А., Минасян В.В., Полякова О.В., Скворчевский К.А. Волоконно-оптический датчик ускорения и гравитации. Тезисы конф. "Динамика роторных систем", 21 23 мая 1996 г., г. Хмельницкий , Украина .

14. Bykovsky Y. A., Beskurnikov A.Y. , Grachev А.Р., Scvorchevsky С.А. Fiber -optic accelerometer for a system of gravitational navigation of flying objects. Reports of Conf. SPIE Aerosense, Orlando, USA, april 1997.

15. Bykovsky Y. A., Cabulov A. A., Scvorchevsky C. A. Measurements of microdisplacements in mechanical systems by bend deformations of single-mode fibers. Reports of Conf. SPIE Optical Ingineering . San Diego, USA, august 1997.

16. Быковский Ю.А., Скворчевский K.A., Яцеев В.А. Влияние основных видов деформаций на параметры излучения в оптических волноводах типа "двужильная ПАНДА". Тезисы научной конференции МИФИ, январь 1998 . .

17. Фролов К.В., Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Королева И.Н. Инженерная реализация биомеханики вестибулярного аппарата человека и области его применение ./"Качество: теория и практика" М., № 1,199 ft.-AVI

18. Быковский Ю.А., Нестерихин Ю.Е., Скворчевский К.А., Сизов В.В., Суятин Д. Применение волоконно-оптических датчиков в задачах устойчивости авиакосмических объектов/ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 1999.П д-о.

19. Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Суятин Д.Б. Датчики для мониторинга окружающей среды на основе интегральной и волоконной оптики/ Тезисы научно-практической конференции "Экология, наука и образование", сентябрь 1998*гэдя.

20. Фролов K.B., Новиков А.Б., Сахвадзе Г.Ж., Скворчевский К.А. Лазерные средства мониторинга окружающей среды больших городов \\ Доклады 4-ой международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности", Спб., июнь 1999.

21. Фролов К.В., Скворчевский К.А., Быковский Ю.А., Королева И.Н. Технологическое развитие принципов биомеханики вестибулярного аппарата человека для уравновешивания вращающихся масс// "Автоматизация и современные технологии", №1 ,2000;

22. Быковский Ю.А., Сизов В.В., Степанов А.В., Скворчевский К.А. Волоконно-оптические датчики на основе амплитудной модуляции оптического сигнала\\ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 2000., .-AW

23. Быковский Ю.А., Скворчевский К.А., Суятин Д. Б.,. Яцеев В.А Интегрально-оптические датчики (обзор)\\ Тезисы научной сессии МИФИ, январь 2000 .*.

24. Скворчевский К.А. Влияние деформационных полей на параметры излучения в оптических лазерных волноводах// Тезисы 12-й Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов/ Институт машиноведения РАН, г.Л

25. Москва, 20-21 декабря 20001 о.

26. Скворчевский К.А. Физические основы волоконно-оптических датчиков, микроускорений// Тезисы 12-й Конференции молодых ученых, аспирантов и студентов/Институт машиноведения РАН, 20-21 декабря 2001 г., г. Москва. ,

27. Скворчевский К.А. Оптическая информатика и современная философия науки// Тезисы Научной сессии МИФИ/ январь, 2001./.

28. Быковский Ю.А., Сизов В.В., Скворчевский К.А., Степанов А.В. Применение оптических и волоконно-оптических датчиков в исследовании вариации силы тяжести и микроускорений// Тезисы научной сессии МИФИ/ январь 2001 л.

29. Быковский Ю.А., Акентьев А.В., Скворчевский К.А., Яцеев В.А. Волоконно-оптическая многоканальная система для измерения температуры и давления// Тезисы научной сессии МИФИ/ январь 2001^г.

30. Маркилов А.А., Скворчевский К.А. Применение оптических волноводов для измерения вибраций авиакосмических объектов // Доклады 5-ой Международной конференции по проблемам вибрации / Москва, октябрь 2001 »1. Ч$9

31. Скворчевский К.А. Волоконно-оптические датчики в задачах биомеханики // Тезисы научной сессии МИФИ / январь 2002. .

32. Скворчевский К. А., Маркилов А. А. Лазерные волоконно — оптические системы в биомеханике Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, ноябрь 2002 г.

33. Фролов К.В., Скворчевский К.А., Волоконно-оптические измерительные системы в задачах биомеханики Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса, ноябрь 2002 V.

34. Фролов К.В., Скворчевский К.А., Разработка современных информационных систем на основе элементов квантовых компьютеров Московская конференция молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва, 2002

35. Скворчевский К. А., Фролов К.В., Маркилов А. А Основные принципы применения волоконно-оптических систем в задачах биомеханики. Сб. докладов под ред. Академика К.В.Фролова «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса», Москва ,2003. 12с.

36. Рубин А. Б. Биофизика.— М.: Высшая школа, 1987,кн. 1,2.

37. Алейников В. С., Беляев В. П., Девятков Н.Д., Масычев В.И.

38. McCordR. С. Laser and Appl.—1986. V. 11: P.

39. Бакуткин В. В., Максимова И. Л., Сапрыкин ПИЖПС.—1987. Т. 46. С. 104.

40. Максимова И. Л., Тучин В. В., Шубочкин Лазерные пучки.— Хабаровск: Изд-во Хабар, политехи, ин. с. 91.

41. YoonG., Welch A. J., Motamedi M., Van GemertM П. 26.—1987. P. 1721; Bolin F. P., Preuss L. E., TaySandu T. S. Я P. 1734; Van Gemerl M. C. // Ned/Naturkunde. —1987. V. A53. P. 18.

42. Pedu Дж. Промышленное применение лазеров.—М., Мир ,1981.

43. Аскарьян Г. А. // Квант, электроника.— 1982. Т. 9, с.1379.

44. Parrish J. A., Deutsch Т. F. // П. 26.— 1984. Р. 138.

45. Конев С. В., Волотовский И. Д. Фотобиология.— Минск Белорус, ун-та, 1974.

46. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике.— М., Наука, 1988.

47. Справочник по лазерам/Под ред. А. М. Прохорова. М., Сов-радио, 1978. Т. 1,2.

48. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента.— М.: Наука, 1985.

49. Звелто О. Принципы лазеров.— М: Мир, 1984.

50. Тучин В. В. Флуктуации в газовых лазерах.— Саратов Сарат. ун-та, 1981. Ч. 1,2.

51. Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С. Оптика фемтосекундных импульсов.— М.: Наука, 1988.

52. Новые физические методы в биологических исследованиях. М.: Наука, 1987. С. 65—79.

53. Tuchin V. V., Shubochkin L. P., Maksitnova I. L. // 611—620.

54. Кару Т. И. П ДАН СССР. —1986. Т. 291. С. 1245.

55. Каг Т. I.//П. 26.— 1987. Р. 1703; Жаров В. Квант, электроника — 1987. Т. 14. С. 2135.

56. Улащик В. С. Новые методы и методики физической медицины г. Минск: Беларусь, 1986.

57. Абакумов А. О., Алейников В. С., Артюшенко В. Г Квант, электроника.— 1985. Т. 12. С. 2476.

58. Акопян В. С., Данилейко Ю. К., НаумидиЛ. П., Про I/ Там же.— 1987. Т. 14. С.1291.-49164. Абильсиитов Г. А., Беляев А. Т, Враган. М. А. и др. // Там же.— 1985. Т.12. С. 1991.

59. FurzikovN. Р. I/ П. 26.—1987. Р. 1751.

60. Вертепа И. А., Дмитриев А. К., Фурзиков Н. П. // Квант электроника — 1987. Т. 14. С. 2377.

61. Singleton D. L., Paraskevopoulos G., Taylor R. S., Higginson L. A. J. Я П. 26.—1987. P. 1772.

62. Тучин В. В. Динамические процессы в газоразрядных лазерах.— М.: Энергоатомиздат, 1989.

63. Привалов В. Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах.— Л.: Судостроение, 1989.

64. Тучин В. В. Флуктуации в лазерах на парах металлов.—М.:ЦНИИ «Электроника», 1985.

65. Алексеев В. А., Тринчук Б. Ф. Лазеры на растворах органических соединений с ламповой накачкой.— М.: ЦНИИ «Электроника», 1985.

66. Басаев Т. Т., Карпушко Ф. В., Кулащик С. М. и др. // Квант электроника. — 1987. Т. 14. С. 1726.

67. Борников Н. В. Инжекционные гетеролазеры видимого диапазона.— М.: ЦНИИ «Электроника», 1987.

68. Тучин. В. В. Флуктуации в инжекционных полупроводниковых лазерах.— М.: ЦНИИ «Электроника», 1986.

69. PratesiR.// П. 26. —1984. Р. 1433.

70. Херман И., Вильгельма Б. Лазеры ультракоротких импульсов.—М.: Мир, 1987.

71. Нехаенко В. А., Перпган С. М., Подшивалов А. А. // Квант электроника.—1986. Т. 13. С. 453.

72. Баранов В. Ю., Борисов В. М., Степанов Ю. Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов.— М.: Энергоатомиздат, 1988.

73. Левшина Е.С., Новицкая П.В. Электрические измерения физических величин. -Л.: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.-492-80. Ristic. L. Sensor technology and devices. Chapter one. Boston: Artech House, 1994.-520 p.

74. Jones M.E., Duncan P.O., Crotts R., Shinpaugh K., Grace J.L., Murphy K.A., Claus R.O., Pulliam W.J., and Schetz A. Multiplexed optical fiber-based pressure sensor for smart wings // Proc. SPIE. 1996. - V.2838; - P.230-236.

75. Hjelme D.R., Вакке В., Rembech J.S., and Neegard S. Multiplexed fiber optic Bragg-grating strain sensor system for use in marine vehicle testing // Proc. SPIE. -1996.-V.2838,P.40-51.

76. Voet M.R;, Barel A.R., and Boschmans L.M. Optical fiber sensor arrays to detect impact and damage assessment on board spacecraft and manned platforms // Proc. SPIE.-1994.-Vol.2210.-P. 126-135.

77. Knowles S.F., Jones B.E., Purdy S., and France C.M. Multiple microbending optical-fibre sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fuel tanks // Sensors and Actuators A. 1998. - Vol.68. - P.320-323.

78. Kruschwitz В., Claus R.O., Murphy K.A., May R.G., and Gunther M.F. Optical fiber sensors for the quantitative measurement of stain in concrete structures // Proc. SPIE. 1994. - Vol.2361. - P.241-244.

79. Measures R:, Alavie Т., Maaskant R., Huang S., and LeBlanc M. Bragg grating fiber optic sensing for bridges and other structures // Proc. SPIE. 1994. - Vol.2361. -P.162-167.

80. Measure R. Advances toward fiberoptic based smart structure // Optical Engineering. 1992. - Vol.31(l). - P.34-47.

81. Dexiu H., Jianliang Y. Etched fiber optic sensing network in smart compositestructure and its signal processing technology // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4357. -P.87-91.

82. Кульчин Ю.Н., Воробьев Ю.Д., Витрик О.Б., Петров Ю.С., Кириченко О .В., Каменев О.Т., Максаев О.Г. Датчик температуры на основе волоконно-оптических интерферометров Фабри-Перо с внешними резонаторами // Оптическая техника. -1997.-т.12.-№1.-С.24-25.

83. Bock W.J., Eftimov T.A., and Wisniewski R. A differential fiber-optic transducer for hydrostatic pressure measurement // Sensors and Actuators A. 1998. - Vol.70. -P.238-242.

84. Bownass D.C., Barton J.S., Jones J.D.C. Detection of high humidity by optical fibre sensing at telecommunications wavelengths // Optics Communications. 1998. -Vol.l46.-P.90-94.

85. Marvin D.C., Ives N.A. Wide range fiber optic strain sensor // Applied Optics. -1984.-Vol.23.-No.23.-P.4212-4217.

86. Takahashi N., Yoshimira K., and Takahashi S. Vibration sensing with fiber Bragg grating // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4513. - P. 1-6.

87. Wang Zh., Liao Ya., Lai Sh., Zhao H., Chen X. A novel method for simultaneous measurement of current and voltage using one low-birefringence fiber // Optics & Laser Technology. 1998. - Vol.30. - P. 257-262.

88. Kim M.H., Lee K.Sh., Lim S.H. Magnetostriction measurements of metallic glass ribbon by fiber-optic Mach-Zehnder interferometry // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999. - Vol.191. - P.107-112.

89. Валиев У.В., Джабер Хусейн А.Р.Аль-Асади, Микулин И.Р., Хайдаров А.В. Простой волоконно-оптический датчик для измерения слабых магнитных полей на основе гомодинного интерферометра Маха-Цендера // Квантовая электроника. -1993. -т.20. -№5. С.517-519.

90. Биомеханика. Ред. С.Г.Бажанова. Рига, Изд."Циня" ГК Сов Мин. Латв.ССР,1975,692 С.

91. Витензон А.С. Закономерности нормальной и патологической ходьбы человека, М.: ЦНИИПП, 1998.-271 с.

92. Фарбер Б.С., Витензон А.С., МорейнисИ.Ш. Теоретические основы построения протезов нижних конечностей и коррекции движений, в 3-х томах, М.: ЦНИИПП, 1994-2995

93. Т.Т, Батышева, ДР. Русина, Функциональная симптоматика поясничной дорсопатии по данным биомеханических исследований 7ПВЛ, НМФ МБН (г. Москва)

94. И.Г. Алексеев, Т.С. Некрасова, Д.Н. Свирида, Д.В. Скворцов Научно-медицинская фирма МБН, г. Москва Программно-аппаратный комплекс клиническо1 анализа движений "мбн-биомеханика"

95. Stagnara P., DeMauroy J.C., Cran G. Reciprocal angulation of the vertebral bodies in the sagittal plan: approach to references for the evaluation of kyphosis and lordosis// Spine.- 1982.-7.-P. 335.

96. Sorenson K.H. Scheuermann's juvenile kyphosis. Copenhagen, Munksgaard, 1У64. Tanner JM. Growth and endocrinology in adolescent. В кн. Gardner (ed.) Endocrine andGenetic diseasesof Childhood and Adolescence. Philadelphia, WBSaunders, 1975.— P 14

97. Tanner J.M., Whitehouse R.H. Clinical longitudinal standards for height, weight, height velosity, weight velosity and stages of puberty// Arch. Dis Childh. — 1976. — 51. —P. 170-179.

98. Terminology Committee, Scoliosis Research Society. A glossary of scoliosis terms//Spine. 1976. - № 1. - P. 57-S&The Upper Cervical Spine. Ed. von Torclus D., Genie W. Grime & Strattion. NY. 1972.

99. Tomita K, Kawahara N., Baba H., Tsuchiya H., Fujita P, Tonbatake Y. Total en block spondylectomy// Spine. 1997. - 3. - P. 324-333.

100. Wiltze LL, Newman P.H., Macnab L Classification of spondylolysis and spondylol isthesis//y Clin Orthop. 1976. - 117. - p. 23-29.

101. White in A. A., Panjabi M.M. The clinical biomechanics of the ,spim>,7 Philadelphia: JB Lippincott Company. 1978. — 350 p,

102. Winter R.B., MoeJ.H,, WangJ F. Congenital kyphosis//J Bone Joint Surg. 1973. -55-A. - 2. - P. 223-256.

103. Winter R.B., MoeJ.H., Eilers V.E. Congenital scoliosis. A study ot 23-1 patients treated and untreated ( part II. Treatment)//.). Bonejt. Surg. 1908. - 50-JI. - p. 1.

104. Winter R.B. Classification and terminology. In Moe's textbook of scoliosis and other spinal deformities. 3-rd ed. WB Saunders company, Philadelphia. 1995 P. 39-43.

105. Аруин А. С. Вопросы создания САПР рабочего места конструкто-ра//Докл. науч техн. конф «Автоматизация конструкторского проектирования РЭА и ЭВА». Пенза ПДНТП, 1986 С 81—83:

106. Аруин А. С., Зациорский В. М. Перспективы развития эргономической биомеханики. Киев Знание, 1987 16 с.

107. Ильин В. Н., Коган В: JI. Разработка и применение программ автоматизации схемно-технического проектирования. М. Радио и связь, 1984.368 с.

108. Капустин Н. М. Разработка технических процессов обработки деталей на станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1976, 287 с.

109. Капустин Н. М., Васильев Г. Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования М. Высшая школа, 1986. 189 с.

110. Копылов Д. В., Аруин А. С. Использование биомеханических критериев при разработке САПР рабочего места//Тр II Всесоюз школы-семинара «Перспективы развития эргономической биомеханики» М 1988 С 72—81.

111. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем М Высшая школа, 1986 303 с.

112. Петренко А. И, Основы автоматизации проектирования Киев Техника, 1982. 295 с.

113. Петренко А. И., Семенков О. И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. Киев Вища школа, 1984 296 с.-{96125. Полюшкевич JI. Избранные вопросы соматометрииЮргономика. М/. Мир, 1971. С. 253—281.

114. Aruin A. S Aktuelle Probleme der ergonomischen BiomechaniW/ Vor-tragsreihe 30 Intern. Wiss. Koll Т. H Ilmenau, 1985, S. 187—190.

115. Вари P et al. Users' guide for COMBIMAN programs. Dayton: University of Dayton Research Institute 1980

116. Bittner A. Computerized accomodated percentage evaluation (CAPE)model for cockpit analysis and other exclusion studies TP-75-49 PactificMissile Test Center. Pto Mugu California, 1975

117. Bonney M. C., Blunsdon C. A., Case K., Porter J. M. Man-machine interaction in work systems/flnt. J. Prod Res, 1979 V. 17. P. 619—629.

118. Cahill H. E., Davids R. C. AD AM-A computer aid to maintainability design//Proc. Annu Rehab and Mamtainab Symp, New-York. 1984. P. 12—16

119. Coblentz A., Steck R., Renaud C., Ignazi J. La conception et revaluation de sistemes homme-machine par la representation tridimensmnelle en CAO//Travail Humain 1985. V. 3. P. 265—278

120. Атунбаев Р.А. Клинико-компьютерно-томографическая оценка закономерностей формирования вертеброгенных пояснично-крестцовых синдромов. Автореф. дисс.к.м.н. Казань 1995,22 с

121. Анатомия человека. В 2 томах. Т 1./ Авт.: Э.И.Борзяк,

122. Е.А.Добровольская, В.С.Ревазов, М.Р.Сапин, Под ред. М.Р.Сапина. -М.: Медицина, 1986.-288 с.

123. Аникин Ю.М. Прочность, позвонков человека в возрастном аспекте. Автореф. канд. дис. Казань, 1972,17 с

124. Аникин Ю.М., Обысов А.С. Структура и прочность позвонков; человека., в кн.: Биомеханика. Ред. СГ.Бажанова. Рига, Изд."Циня" ГК Сов. Мин. Латв.ССР, 1975, с 45-46

125. Беленький В.Е., Витензон А.С. О взаимозависимости ротационных движений плечевого пояса и таза при ходьбе. //В кн.: Биомеханика. Ред. С.ГБажанова. Рига, Изд-во"Циням ПС Сов. Мин. Латв.ССР, 1975,с.247-251.

126. Буолдинг К. Общая теория систем как скелет науки //Исследования по общей теории систем. М., Прогресс 1969, с 106-124.

127. Берталанфи Л. Общая теория систем критический обзор //В кн.: Исследования по общей теории систем. М, 1969, с. 23-24.

128. Ю.Дьяченко В.А. Рентгеноостеология (норма и варианты костной системы в рентгеновском изображении) Пособие для изучающих рентгенологию. М., Медгиз, 1954,-298с

129. П.Жарков П.Л. Остеохондроз и другие дистрофические изменения позвоночника у взрослых и детей, М., Медицина, 1994, 191 с.

130. Клиническая рентгеноанатомия. Антонова Р. А., Васильев НА. Загородская М.М., Коваль Г.Ю., Литвинова Г.С., Нестеровская В.И.,

131. Розенфельд Г.И., Сизов В.А., Симонова З.Н //Под ред. д.м.н., проф. Коваль Г.Ю., Киев : "Здоровья", 1975, 599 с.

132. Коваль Д.Е., Крыжный Б.К. Способ измерения угла торсии позвонков //Ортопед, травм, протезир, 1978. №9, с. 64-68.

133. Королюк И.П. Рентгеноанатомический атлас скелета (норма, варианты, ошибки интерпретации), М, Видар, 1996, 191 с.

134. Корниенко В.Н., Тиссен Т.П. Миелография с амипаком в диагностике заболеваний и повреждений спинного мозга и позвоночника //Вестник рентгенол. и радиологии. 1985., № 3, с. 24-30.

135. Кузнецов В.Ф. Справочник по вертеброневрологии: Клиника, диагностика. Минск., «Беларусь», 2000, - 351 с.

136. Лагунова И.Г. Рентгеноанатомия скелета М., Медицина, 1980, - 67с.

137. Левит К., Захсе И., Янда В. Мануальная медицина, М. Медицина, 1993,-511 с.

138. Левит К. Мануальная терапия в рамках врачебной реабилитации: Пер. с чешек. Винница, Винницкий государственный медицинский университет, 1997,-440 е., ил. 20.

139. Луцик А.А. Компрессионные синдромы остеохондроза шейного отдела позвоночника. Новосибирск, Издатель, 1997, 400 с.

140. Маркс В.О. Ортопедическая диагностика. Минск, 1978, 510 с.

141. Майкова Строганова B.C., Финкельштейн М.А. Кости и суставы в рентгеновском изображении (общие установки в трактовке снимков внорме и патологии). Туловище. Под .321. и при участии чл. - корр. АМН СССР проф. Д.Г Рохлина, Л., Медгиз, 1952. - 219 с.

142. Никитин Г.Д., СалдунТ.П., Корнилов II.В., Коваленко К.Н., Рак А.В., Тиходеев С.А., Михайлов С.А. Костная и металлическая фиксация позвоночника при заболеваниях, травмах и их последствиях. СПб., ЗАО ИКФ «Русская графика», 1998, 448 с.

143. Орел А.М. Системный анализ рентгенограмм позвоночника // Вестник рентгенорадиологии № 6,2002, с.

144. Тагер И.Л.,Дьяченко В.А. Рентгенодиагностика заболеваний позвоночника. М., Медицина, 1971,344 с.

145. Тагер И.Л. Рентгенодиагностика заболеваний позвоночника. М., Медицина, 1983,-208с.

146. Тагер И.Л., Мазо И.С. Рентгенодиагностика смещений поясничных позвонков. М., Медицина, 1979, 160 с.

147. Тюлькин Е.П. К методике измерения ротации позвоночника. //Ортопед, травматол., 1965, N10, с79-81

148. Ульрих Э.В. Аномалии позвоночника у детей (руководство для врачей), Спб., «Сотис», 1995, 336 с.

149. Ульрих Э.В., Мушкин А.Ю. Вертебрология в терминах, цифрах, рисунках. -СПб.: ЭЛБИ-СПб, 2002 187 с.

150. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. М, Мысль,1978,-123 с.

151. Урманцев Ю.А. Общая теория систем: состояние, приложения и перспективы развития //Система, симметрия, гармония. М., Мысль, 1988, с.38-123. 36.

152. Фармер Э. Подходы к развитию и изменениям в менеджменте //The Open University Business School курс профессионального диплома BZR 751 «Управление развитием и изменением», Книга 2. Адаптированный русский перевод МИМ ЛИНК, под ред. З.Ш. Атаян., Жуковский

153. Финкелынтейн С.И., Мачковская Г.К. К рентгенологической морфологии унковертебральных суставов в норме и при артрозах

154. Вестник рентгенологии и радиологии, 1976, № 3, с. 18-24.

155. Хвисюк Н.И.,Продан Д.И., Волков Е.Б. и др. Клинические варианты остеохондроза поясничного отдела позвоночника //Ортопед., травматол. и протезиров. -1987. N12. - С. 1-5.

156. Холин А.В. Магнитно-резонансная томография при заболеваниях центральной нервной системы. СПб., Гиппократ. 1999, - 192 е., ил.

157. Цывкин М.В. Рентгенодиагностика заболеваний спинного мозга, М., Медицина, 1974, 191 с.

158. Aaro S, Dahelborn М. Estimation of vertebral rotation in structural scoliosis by computer tomografy. Z.Ortop., 1980,Bd. 118, S.676 43.Cobb J.R. Outline for the study of scoliosis. //Am. Acad. Ortop. Surg.,1948, v.5,p. 261 -275.

159. Coestier M., Vercautern M., Moerman P. A new radiographic method for measuring vertebral rotation in scoliosis //Acta Orthop. Btlg., 1977, t.43, N5, p. 598605.

160. Fait M., Janovec M. Esteblisching on the rotation angle in the vertebra. //Sci.med.Fac.Med.Brun. 1970, v. 43, p. 207-215. 46. Maigne R: Douleurs d'origine vertebrate et traitments par manipuletions. Expansion scientifique, Paris, 1968, 174 p.

161. Schmorl Ch. G., Junglians H. Die gesunde und die kranke Wirbels4ule in Rentgenbild und Kiinik/ 7 Aufl. Stuttgart, 1954.

162. Механика кровообращения K.Kapo, Т. Перми, Р. Штротер, У. Сид (перевод с англиского Е.В.Лукашевой и А.М. Рогозь) под ред. Регирера С.А. и В.М.Хаютина.

163. Попель А.С. , Регирер С.А., Скобелева Н.М. Об уровнениях описывающих движение крови. В кн.: 4 международный биофизический конгресс. Доклады симпозиумов, т.4, ч.П, Пущено, 1973, с. 419-437.

164. Регирер С.А., Руткевеч И.М. Волновые движения жидкости в трубках извязко-упругого материала. Волны малой амплитуды.- Известия АН СССР, МЖГ, 1975,№1, с.45-53.

165. Регирер С.А., Усик П.И., Чернова И.В. Математическое описание свойств мышечной ткани.- Механика полимеров, 1975, №4, с. 579-584.

166. Регирер С.А., Рудкевич ИМ., Усик П.И. Модель сосудистого тонуса.-Механика полимеров, 1975, №4, с. 585-589.

167. Регирер С.А., Усик П.И. Некоторые вопросы механики сосудистой мускулатуры.- В кн. XII Съезд Всес. Физиол. Общества им. ИХШавлова , Тбилиси,1975, т.1,1, 1975, с 182-184.

168. Регирер С.А., Цатурян А.К. Основные проблемымеханики мышечного сокращения . -В кн.: Современные проблемы биомеханики. Вып. 1,Рига, с. 17-39.

169. Teichgraeber R.D., Fischer C.L., Abernathy D.S., and Berning S. Application of the Hollow Core Optical Sensors to measurement of structural bending // Proc. SPIE. -1996. Vol.2838. - P.159-168.

170. Grattan K.T.V., Sun T. Fiber optic sensor technology: an overview // Sensors and Actuators A. 2000: - Vol.82. - P.40-61.

171. Senior J.M., Moss S.E., Cusworth S.D. Multiplexing techniques for noninterferometric optical point-sensor networks: A review // Fiber and Integrated Optics. 1998. -Vol.17. -No.l. - P.3-20.

172. Tudor M.J., Anders M.V., Foulds K.W.H., and Naden J.M. Silicon resonator sensors: interrogation techniques and characteristics // IEE Proc. part D. 1988. -Vol.13 5(5).-P.364-368.

173. Kersey A.D. A review of recent developments in fiber optic sensor technology // Optical Fiber Technology. 1996. - Vol.2. - P.291-317.

174. Xu M.G., Reekie L., Chow Y.T., and Dakin J.P. Optical in-fibre grating high pressure sensor//Electronics Lett. 1993. - Vol.29(4). - P.398-399.

175. Dunphy J.R., Meltz G., Lamm P.P., and Morey W.W. Multi-function distributed optical fiber sensor for composite cure and response monitoring. // Proc. SPIE. -1990.-Vol.l370.-P.116-118.

176. Crespo A. AOTF interrogation scheme for FBG // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2722. -P.107-110.-^cfL

177. Sasther J., and Bletekjaer K. Noise performance of multiplexed fiber-optic sensor systems with optical amplifiers // Optical Review. 1997. - Vol.4. - P. 138.

178. Spillman W.B.Jr., LaClair R.D., Kuhns W.W. Wavelength multiplexed multimode fiber optic sensor system // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P.208-216.

179. Jarret В., and Burn E. Network for optical fiber sensors using the wavelength division multiplexing technique // Proc. SPIE. 1992. - Vol.1586. - P.164-173.

180. Senior J.M., and Cusworth S.D. Wavelength division multiplexing in optical fiber sensor systems and networks: a review // Optics and Laser Technology. 1990. -Vol.22(2).-P.113-125.

181. Meltz G. Overview of fiber grating-based sensors // Proc. SPIE. 1996. -Vol.2838.-P.2-22.

182. Vasiliev S.A. Photoinduced fiber gratings // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4357. -P.I-12.

183. Kersey A.D., Davis M.A., Patrick H.J., LeBlanc M, Koo K.P., Askins C.G., Putnam M.A., and Friebele E.J. Fiber grating sensors // Journal of Lightwave Technology. 1997. - Vol.l5(8) . - P.1442-1463.

184. Kersey A.D., and Berkoff T.A. Dual wavelength fiber interferometer with wavelength selection via fiber grating elements // Electronics Letters. — 1992. -Vol.28(13).-P. 1215-1216.

185. Kersey A.D., Berkoff T.A., and Morsey W.W. Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter // Optics Letters. -1993VoU8(l 6).-P. 1370-1372.

186. James S.W., Dockney ML., and Tatam R.P. Demodulation of in fibre Bragg grating sensors using volume holograms // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P.52-57.

187. Ferreira L.A., and Santos J.L. Demodulation scheme for fibre Bragg sensors based on source spectral characteristics // Pure and Applied Optics. 1996. - Vol.5. - P.257.

188. Lobo Ribeiro A.B., Ferreira L.A., Tsvetkov M., and Santos J.L. All-fibre interrogation technique for fibre Bragg sensors using a biconical fibre filter // Electronics Letters. 1996. - Vol.32. - P.382.

189. Zhang L., Fallen R., Everall L.A., Williams J.A.R., and Benion I. Large-dynamic-range and high resolution from a strain sensing system using long-period gratinginterrogating FBG strain sensor // Proc. of ECOC'98. 1998. - P.609.

190. Vohra S., Johnson G., Todd M., Danver В., and Althouse B. Distributed strain monitoring with arrays of fiber Bragg grating sensors on in-construction steel box-girder bridge // IEICE Transactions on Electronics. 2000. - Vol.E83-C. -No.3. -P.454-461.

191. Dakin J.P., and Volanthen M. Distributed and multiplexed fibre grating sensors, including discussion of problem areas // IEICE Transactions on Electronics. 2000, Vol.E83-C. - No.3. - P.391-399.

192. Walker J.C., Holms R., and Jones G.R. Nine element optical sensor matrix using a spatial light modulator // Electronics Letters. 1992. - Vol.28(17). - P. 1627-1628.

193. Mlodzianowski J., Uttamchandani D., and Culshow B, A simple frequency domain multiplexing system for optical point-sensors // IEEE Journal of Lightwave Technology.- 1987. Vol.5(7), P.1002-1007.

194. Juskaitis R., and Shatalin S.V. Multiplexing of fiber optical sensors using scanning microscopy // Proc. SPIE. 1994. - Vol.2360. - P.538-540.

195. Jarret В., and Brun E. Network for optical fiber sensors using the wavelength division multiplexing technique // Proc. SPIE. 1992. - Vol.1586. - P.164-173.

196. Hu Y., and Chen S. Dual-wavelength operation of digital spatial domain multiplexed fibre sensor arrays for dynamic strain monitoring // Proc. SPIE. 1996. -Vol.2779.-P. 192-197.

197. Davis M.A., Bellemore D.G., Putnam M.A. and Kersey A.D. Interrogation of 60 fibre Bragg grating sensors with microstrain resolution capability // Electronics Letters. -1996. Vol.32. - No.15. - P.1393-1394.

198. Marvin D.C., Ives N.A. Wide range fiber optic strain sensor // Applied Optics. -1984. Vol.23. - No.23. - P.4212-4211.

199. Rogers A.J. Polarization-optical time domain reflectometry: a technique for the measurement of field distribution// Applied Optics. 1981. - Vol.20. - P.1060-1074.

200. Dakin J.P. Distributed optical fiber sensor // Proc. SPIE. 1992. - Vol. 1797. -P.76-108.

201. Zhang Z., Kirn I.S., Wang J., Feng H., Quo N., Yu X., Liu H., Wu X., and Kirn Y. Distributed optical fiber sensors and networks // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4357.-2с4 1. Р.35-53.

202. Dakin J.P., and Pratt D.J. Temperature distribution measurement using Raman ratio thermometry//Proc. SPIE. 1985. - Vol.566. - P.249-256.

203. Dhliwayo J., Webb D.J., and Pannell C.N. Statistical analysis of temperature measurement errors in a Brillouin scattering based distributed temperature sensor // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P.276-286.

204. Bao X., Dhliwayo J., Heron N., et al. Experimental and theoretical studies on a distributed temperature sensor based on Brillouin scattering // Journal of Lightwave Technology.- 1995.-Vol. 13.-P. 1340-1347.

205. Horiguchi Т., et al. Distributed temperature sensing using stimulate Brillouin scattering in optical silica fibers // Optics Letters. 1990. - Vol.15. - P. 1038-1040.

206. Wallace P.A., Yang Y., Campbell M., Shelia Holmes-Smith A. Characterization of a quasi distributed optical fibre sensor // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P.153-158.

207. Giles I.P., Uttamchandi D., Culshaw В., and Davies D.E.N. Coherent optical-fiber sensors with modulated laser sources // Electronics Letters. 1983. - Vol.19. - P.14-15.

208. Franks R.B., Torruellas W., and Youngquist R.C. An extended fiber optic stress location sensor//Optica ACTA. 1986. - Vol.33. - P. 1505-1518.

209. Zheng G., Campbell M., Wallace P.A., and Shelia Holms-Smith A. Distributed FMCW reflectometric birefringent fiber stress sensor // Proc. SPIE. 1996. -Vol.2838. -P.291-295.

210. Spillman Jr. W.B., and Huston D.R. Impact detection, location and characterization using spatially weighted distributed fiber-optic sensor // Proc. SPIE. -1996. Vol.2838. - P. 143-152.

211. Spillman Jr. W.B., Huston D.R., and Wu J. Seismic event monitoring using very long guage integrating fiber optic sensors // Proc. SPIE. 2001. - Vol.4357. - P.54-65.

212. Spillman Jr. W.B., and Huston D.R. Pattern detection through the use of long length spatially weighted fiber optic sensors // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P. 178-187.

213. Бусурин В.И., Семенов A.C., Удалов Н.П. Оптические и волоконно-оптические датчики // Квантовая электроника. 1985. - Т.12. - №5. - С.901-943.

214. Окоси Т., Окамото К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики / Пер. с яп.- Л.: Энергоатомиздат, 1991. 256 с.

215. Udd Е. Sagnac distributed sensor concepts // Proc. SPIE. 1991. - Vol.1586. -P.46-52.

216. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990; - 255 с.

217. Lee С.Е., and Taylor H.F. Interferometric optical fiber sensors using internal mirrors // Electronics Letters. 1988. - Vol.24. - P. 193.

218. Murphy K.A. Extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensor // Proc. OFS-8, Monterey, CA.-1992.-P.193.

219. Быковский Ю.А., Кульчин Ю.Н., Обух В.Ф., Смирнов В.Л. Коррелированная перестройка картины спеклов в интерферометре на многомодовом волоконном световоде // Квантовая электроника. 1990. - Т.17. - № 8. - С.1080-1083.

220. Matsuhara М., Hill К.О., and Watanabe A. Optical waveguide filters: synthesis // Journal of Optical Society of America. 1975. - Vol.65. - P.804.

221. Measures R.M., Huang S., LeBlanc M., Lowery M., Ohn M., and Maaskant R. Distributed fiber optic strain sensing based on spectral integration of Bragg grating reflection // Proc. SPIE. 1996. - Vol.2838. - P.31-39.

222. Малеханов А.И. О волоконно-оптической томографии акустических полей // Изв. Вузов «Радиофизика». 1988. -т.31. -№1. -С. 1388-1393.

223. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Многомерная обработка сигналов с использованием волоконно-оптической распределенной измерительной сети // Квантовая электроника. 1993. - Т.20. - №5. - С.513-516.

224. Ginevsky S.P., Kosareva L.I., Kotov O.I., Medvedev A.V., and Nikolaev V.M. Fiber optic tomographic sensor // Proc. of 2-nd Int. Rus. Fibre Optics and Telecommunications Conf. ISFOC-92, St.Petersburg. 1992. - P.328-329.-QOG"

225. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Каменев О.Т., Кириченко О.В., Петров Ю.С. Восстановление векторных физических полей оптическим томографическим методом // Квантовая электроника. 1995. - Т.22. - №10. - С.1009-1012.

226. Гиневский С.П., Котов О.И., Николаев В.М., Петрунькин В.Ю. Применение методов реконструктивной вычислительной томографии в волоконно-оптических датчиках // Квантовая электроника. 1995. - Т.22. - №10. - С.1013-1018.

227. Ценсор Я. // Труды ИИЭР. 1983. - т.71. - №3. - С.148.

228. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа, 1976. -288 с.

229. Быковский Ю.А., Витрик О.Б., Кульчин Ю.Н. Амплитудная пространственная фильтрация в обработке сигналов одноволоконного многомодового интерферометра // Квантовая электроника. 1990. -т. 17. -№10. -С.1377-1378.

230. Kulchin Yu., Vitrik О., Kirichenko О., Kamenev О., Petrov Yu., Maksaev О. Method of single fiber multimode interferometer speckle signal processing // Optical Engineering. 1997. -Vol.36. -No.5. -P.1494-1499.

231. Kersey A.D., Berkoff T.A., and Morey W.W. Fibre-optic Bragg grating strain sensor with drift-compensated high-resolution interferometric wavelength-shift detection // Optics Letters. 1993. - Vol.18. - P.72-74.

232. Davis M A., and Kersey A.D. Simultaneous measurement of temperature and strain using fiber Bragg gratings and Brillouin scattering // Proc. SPIE. 1996. -Vol.2838.-P.114-123.

233. Козлова Н.Д. Способы электронной обработки сигнала в фазовых волоконно-оптических датчиках // Измерительная техника. 1991. — N11. -С.31-33.

234. Фролов К.В. Развитие модели человека-оператора для биомеханического согласования характеристики системы "человек-машина-среда". Отчет РФФИ, 1995.- 150 с.

235. Фролов К.В. Фундаментальные задачи биомеханики в проблеме активизации человеческого фактора. Отчет РФФИ, 1998. 250 с.-207"

236. Человеческий фактор. Под ред. Г.Салвеньди. В 6-ти томах. М.: Мир, 1991. -1224 с.

237. Грейбол А.А. Лабораторные исследования отолитового аппарата человека. Лондон, 1988.-125с.

238. Человек в космическом полете. Том Ш, кн. 1,2. Под ред. В.В.Антипова, И.Г.Григорьева и КЛич Хантуна. М.: Наука, 1997. 1040 с.

239. Магнус Р. Установка тела. М.-Л., 1962. 680 с.

240. Отчет РКА. Под ред. акад. К.В.Фролова. Т. 1 -3.262. Патент РФ № 2000923.263. Патент РФ №2000913.

241. На пути к теоретической биологии. М.: Мир, 1970, 181 с.

242. Нейман Дж. фон. Теория самовоспроизводящихся автоматов. М.: Мир, 1971,230с.

243. Нелинейные волны. Динамика и эволюция/отв.ред. А.В.Гапонов-Грехов, М.И.Рабинович. М.: Наука, 1989, 398с.

244. Нелинейныйявления/отв. ред. К.В.Фролов. М.: Наука, 1991, 214с.

245. Ньюэлл А. Солитоиы в математике и физике. М.: Мир, 1989, 324 с.

246. Словников A.M. (Olovnikov А.М.) A theory of marginotomy.— J. theor. Biology, 1973,41(1), p.181-190.

247. Островский Л.А. Солитон. В кн.: Физический энциклопедический словарь, М., Сов. энциклопедия, 1984, с. 698-699.

248. Отелин А.А., Машанский В.Ф., Миркин А.С. Тельце Фатер-Пачи-ни. Л.: Наука, 1976,210с.

249. Охнянская Л.Г., Мишин В.П., Спектор Э.Л. А.А.Ухтомский, и раз витие идей теории нелинейных колебаний в области физиологии. — В сб.: Учение А.А. Ухтомского о доминанте и современная нейрофизиология. Л.: Наука, 1990, с. 60-84.

250. Петухов С. В. Биомеханика, бионика и симметрия. М.: Наука, 1981,239с.

251. Петухов С. В. О геометрической теории полей объемного роста живых тел и ростовой биомеханике. Депонировано в ВИНИТИ, № 1842—84 Деп., 1984,33с.

252. Петухов С. В. Высшие симметрии в биомеханике формообразования. — Автореферат диссертации д.ф.-м.н., М., Ин-т кристаллографии им. А.В.Шубникова, 1987,39с.

253. Петухов С. В. Геометрия живой природы и алгоритмы самоорганизации. М.: Знание, 1988,48 с.

254. Петухов С. В. Солитоны в биомеханике. — Депонировано в ВИНИТИ РАН 12.02.99г., № 471-В99, 12 с. , Указатель ВИНИТИ Депонированные научные работы», 1999 № 4.

255. Петухов С. В. Надмолекулярные биосолитоны. — Депонировано в ВИНИТИ РАН 18.05.99г., № 1554-В99, 36 с. , Указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 1999, № 7.

256. Поглазов Б.Ф., Бурнашева С. А. Немышечные двигательные системы. — В кн.: Итоги науки и техники, серия «Биологическая химия», 1989, т.29, 171с.

257. Регирер С. А., Штейн А.А. Механические аспекты процессов роста, развития и перестройки биологических тканей//Итоги науки и техники. Серия «Комплексные и специальные разделы механики». М.: ВИНИТИ, 1985, с.3-142.

258. Ройтбурд A.JI. Известия АН СССР, серия физическая, 1983, т.47, с. 435.

259. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математичес кая биофизика. М.: Наука, 1984,304 с.

260. Рудяк В.М. Процессы переключения в нелинейных кристаллах. М.\ Наука, 1986.

261. Савин А.В., Маневич Л .И., Христиансен П. Л., Золотарюк А.В. Нелинейная динамика загзагообразных молекулярных цепей. — УФН, т. 169, 3, 1999, с. 255-270.

262. Серавин Л.Н. Двигательные системы простейших. Л.: Наука, 1967, с. 332.

263. Серавин Л.Н. Амебоидное движение. — В кн.: Движение немышечных клеток и их компонентов. Л.: Наука, 1977, с. 121-132.

264. Синнот Э. Морфогенез растений. М.: Изд. иностр. лит.,1963,480 с.

265. Скотт Э. Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике. М.: Сов.Радио, 1977,368с.

266. Смолянинов В.В., Карпович А.Л. Нормальная локомоция многоножки Julus

267. Sp. — Журнал, эволюц. биохимии и физиологии, т. 8, М» 5,1972, с. 523-528.

268. Смолянинов В.В., Карпович A.JI. Кинематика метахрональной ходьбы,-Биофизика, т.20,1975, с. 527-532, 709-714,925-930.

269. Смолянинов В.В. Локомоторная теория относительности. М.: Препринт ИППИ АН СССР, 1984, 75 с.

270. Солитоны/ред. Р.Буллаф, Ф.Кодри. М.: Мир, 1983, 407с.

271. Солитоны в действии/ред. КЛонгрен, Э.Скотг. М.: Мир, 1981, 312 с.

272. Солитоны и инстантоны, операторное квантование/отв. ред. В.Л.Гинзбург. М.: Наука, 1986, 229с.

273. Татаринов Л.П. Морфологическая эволюция териодонтов и общие вопросы филогенетики. М.: Наука, 1976, 256с.

274. Тахтаджян Л.А., Фаддеев Л.Д. Существенно-нелинейная одномерная модель классической теории поля.— ТМФ, т. 21,1974, № 2, с. 160-174.

275. Уизем Дж.Б. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир.,1977, 623 с.