Оптико-электронное устройство формирования динамического визуального изображения для целей светотерапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Сапунова Наталия Петровна

• Сапунова Наталия Петровна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Сапунова Наталия Петровна

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Анализ и синтез оптико-электронных устройств светотерапии с системами формирования визуальных полей

1.1 Обзор развития оптических устройств для задач светотерапии

1.1.1 Фототерапия

1.1.2 Визуально-звуковая или аудиовизуальная стимуляция

1.1.3 Оптические устройства формирования плоских изображений пространственного типа

1.1.4 Оптические устройства формирования визуального стимула окулярного типа

1.1.5 Выводы по анализу оптико-электронных устройств и систем формирования визуальных полей для целей светотерапии

1.2 Постановка задачи исследования

1.3 Обоснование применения свойств естественного визуального окружения в оптико-электронном устройстве формирования динамических визуальных изображений для целей

светотерапии

1.3.1 Экономические преимущества применения свойств восстановительной визуальной среды на рабочем месте

1.4 Анализ способов предоставления визуального стимула

1.5 Техническое задание

Выводы по главе

Глава 2. Визуальная сложность изображения

2.1 Основные характеристики визуального изображения, способные оказывать влияние на эффективность их воздействия при восприятии

2.2 Фрактальная размерность как показатель визуальной сложности изображения

2.3 Фрактальный метод оценки визуальной сложности изображения

2.4 Метод оценки и анализ визуальной сложности динамических визуальных изображений

2.4.1 Алгоритм анализа динамических визуальных изображений, особенности обработки и используемые операторы программного обеспечения Matlab для вычисления визуальной сложности изображения

2.4.2 Особенности работы с динамическим изображением (видео-контентом)

2.4.2.1 Требования к универсальности работы алгоритма с динамическими изображениями

2.4.2.2 Операторы ПО Matlab для работы с массивом данных из видео-контента

2.4.3 Особенности анализа абстрактных динамических визуальных изображений, полученных с

применением оптико-электронного устройства

2.5 Модификация алгоритма детектирования контуров (границ) изображения стандартного оператора Канни

2.5.1 Предлагаемый алгоритм анализа и сравнение с предыдущими реализациями

2.5.2 Операторы программного обеспечения Matlab для работы с контурами в изображении 110 2.6. Оценка коэффициента фрактальности динамического визуального окружения

2.7 Требования к оборудованию видеорегистрации и видео-контенту

2.8 Результаты применения нового усовершенствованного алгоритма анализа структуры динамического визуального изображения на примере городской, естественной среды и лазерных абстрактных динамических изображений, полученных с применением оптико-электронного устройства

2.9 Выводы по главе

Глава 3. Разработка оптико-электронного устройства и метод формирования сложной визуальной среды

3.1 Оптическое оптико-электронное устройство формирования визуального окружения с восстановительными свойствами

3.2 Определение номинального диапазона оптических мощностей лазерных излучателей с учетом требований безопасности

3.2.1 Предельно допустимые значения облученности глаза лазерным излучением в соответствии с СанПиН №5804-91

3.2.2 Значение облученности глаза лазерным излучением в зарубежной системы-аналоге

3.3 Фотометрический расчет оптической мощности излучения лазерных источников

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Моделирование оптического элемента (оптической системы)

4.1 Анализ получения формы изображения в зависимости от геометрии тестового оптического

элемента

4.1.1 Получение изображения с использованием простых оптических элементов

4.2 Оптический элемент сложной формы (геометрии) поверхности - нетрадиционный оптический элемент

4.2.1 Композиционное решение моделирования оптического элемента для получения изображений с заданным диапазоном значения коэффициента фрактальности изображения

4.2.2 Обоснование применения композиционного способа нахождения формы поверхности моделируемого оптического элемента

4.3 Моделирование оптической системы формирования изображения

4.4 Формирование изображения с помощью экспериментальной лабораторной установки и компьютерного моделирования

4.5 Анализ значения коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью экспериментальной лабораторной установки и компьютерного моделирования в ПО Zemax

4.5.1 Оценка коэффициента фрактальности изображений, полученных с применением экспериментальной установки

4.5.2 Оценка коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью компьютерного моделирования в ПО Zemax

4.6 Сравнение и анализ полученных изображений

4.7 Выводы по главе

Глава 5. Экспериментальное исследование оптико-электронного устройства

5.1 Электроэнцефалограмма (ЭЭГ)

5.1.1 Анализ электроэнцефалограммы

5.2 Функциональное состояние

5.3 Экспериментальное исследование

5.3.1 Метод и техническая база исследования

5.3.2 Постановка задачи эксперимента

5.3.3 Описание эксперимента

5.3.4 Анализ данных ЭЭГ исследования

5.3.5 Результаты экспериментального исследования

5.4 Статистический анализ достоверности результатов экспериментального исследования

5.5 Выводы по главе

Вывод по диссертации

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение - 1 - Сравнительные характеристики способов предоставления визуального

стимула

Приложение 2 - Листинг программы оценки значения коэффициента фрактальности D динамических визуальных изображений программного обеспечения Matlab и функции

«boxcount.m»

Приложение 3 - Выборка примеров результатов применения усовершенствованного алгоритма оценки коэффициента фрактальности D динамического визуального изображения, демонстрирующие его зависимость от длительности видеофрагмента. (На примерах городской

ГХХУХ^/ХХ VIII! V1VX V/!! 1 ._/1. V ± V 1. У-/± ± ± ± ± \_/ у V X ЧУ X X V X Х-» \Л}

выдержки из СанПиНа №5804-91

Особенности изготовление нетрадиционного оптического элемента. диционного оптического элемента

роцесса изготовления

диционного оптического элемента

роцесса изготовления

геского элемента

исследования

Приложение А. Акт о внедрении результатов в практику научной работы Приложение В. Тексты публикаций

226

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронное устройство формирования динамического визуального изображения для целей светотерапии»

Общая характеристика работы

Сохранение и поддержание состояния здоровья человека на достаточном уровне показателей качества жизни человека в условиях повышенных психосоциальных нагрузок и

связанных с ними последствий для общей функциональной деятельности организма человека путем реализации различных мероприятий по их управлению, являются на сегодняшний день одним из актуальнейших направлений исследований, развития технологий и проектов.

В диссертационной работе рассматривается имитация свойств естественного визуального окружения с помощью оптико-электронного устройства для формирования и проекции изображений в виде абстрактных изображений с заданными восстановительными характеристиками, аналогичными характеристикам естественной визуальной среды, за счет которых осуществляется эффективное воздействие на общее функциональное состояние (ФС) человека.

Актуальность темы исследования

Накопление усталости и ограниченность ресурса функциональной активности свойственны любой деятельности человека. Это естественная реакция организма на нагрузку, в том числе трудовую, что может привести к снижению работоспособности. Кроме того, под действием неблагоприятных факторов жизненной среды, повышенных требования к когнитивным ресурсам возникает утомление мозга и нарушения ФС человека, и как следствие -различные заболевания.

Когда между актуальным ФС человека и необходимым для эффективной работы и жизнедеятельности возрастает, то возникает необходимость его регуляции - коррекции. Если этого не происходит или происходит в недостаточной степени, то возрастает истощение сил организма, что в конечном итоге оказывает отрицательное влияние на состояние здоровья. Следовательно, необходимо ФС привести к оптимальному уровню - оптимальному ФС, при котором деятельность человека становится активной и наиболее продуктивной.

Кроме этого, актуальной проблемой современной экономики является профессиональное выгорание, которое является так же следствием перегрузки ФС человека, последствия которой отражаются как на работоспособности (следовательно, приводит к экономическим убыткам), так и на состоянии здоровья сотрудника. Все эти факты свидетельствуют о важности и необходимости поиска способов коррекции ФС человека, развития и внедрения новых немедикаментозных методов регулирования подобных состояний, в частности, с использованием свойств естественной визуальной среды (терапевтическое действие которой достаточно давно известно) для создания искусственного аналога - световой среды с подобными свойствами и эффектом воздействия. Такая световая среда способна улучшить ФС

человека, повысить эффективность труда и качество жизни. Задачи указанного типа решает светотерапия.

Разработка оптико-электронного устройства формирования визуальной среды для светотерапевтического воздействия (светотерапии) на основе предъявления динамических визуальных управляемых изображений с заданными восстановительными характеристиками естественной визуальной среды и метода формирования таких изображений с применением специально изготовленного нетрадиционного оптического элемента является перспективным направлением в рамках немедикаментозных и неинвазивных методов коррекции ФС человека.

Известно, что естественная природная визуальная среда является более предпочтительным источником для комплексного воздействия на физическое, психологическое и социальное благополучие, которое определяет качество жизни1 и здоровье человека в целом2. В условиях ограниченных возможностей контакта с естественной средой современного общества создание искусственного аналога - естественной визуальной среды, обладающего ее восстановительными свойствами, предназначенного для преодоления утомления и снижения уровня нагрузки систем восприятия, а также восстановления функционального состояния человека особенно актуально.

Предлагаемый метод светотерапии - это имитация естественной визуальной среды, в которую помещается человек для оказания на него положительного восстановительного эффекта. При создании искусственной визуальной среды важно, чтобы коэффициент фрактальности (подобия) изображений приближался к значениям, характерным для естественной среды. Следует отметить, что значение коэффициента фрактальности визуальной среды, которая окружает человека в повседневной жизни (в офисе, в городской среде), более низкая, чем у естественных ландшафтов, которые имеют более высокие значения этого показателя.

Визуальная стимуляция, являясь светотерапевтическим методом, предполагает воздействие на респондента световым контентом (изображением). Устройство и способ может представлять собой прототип кабинета психоэмоциональной разгрузки или релаксационного кабинета. Возможность и важность целевого воздействия света на человека обусловлены перспективой широты применения данного вида терапии.

1 Качество жизни - интегральная характеристика физического, психологического и социального функционирования человека, основанная на его субъективном восприятии. // Новик А. А., Ионова Т. И.. Руководство по исследованию качества жизни в медицине. 2-е издание / Под.ред. акад. РАМН Ю.Л.Шевченко,— М.:ЗАО «ОЛМА Медиа Групп», 2007.-320с.

2 Здоровье - это полное физическое, социальное и психологическое человека, а не просто отсутствие заболевания. // World Health Organization. Cancer pain relief.-Geneva: WHO, 1986.

Учитывая тот факт, что зрительная система является главной сенсорной системой человека, визуальная стимуляция является наиболее эффективным методом воздействия.

Разработка метода и устройства формирования динамического визуального изображения для целей светотерапии с помощью оптико-электронного устройства с нетрадиционным оптическим элементом, способствующая повышению активности и продуктивности трудовой деятельности за счет коррекции ФС, являются АКТУАЛЬНЫМИ, так как позволят расширить высокотехнологичное здравоохранение и технологии здоровьесбережения.

Степень разработанности темы исследования

Научная разработанность темы представлена в нескольких направлениях исследований. Существенный вклад в исследование и развитие воздействия визуального окружения естественной среды на когнитивные функции внесли такие ученые как Kaplan, S., Kaplan, R., Berto, R., Laumann, K., Gärling, T., Stormark, K. M., Hartig, T, Taylor, A. F.,E., Tennessen, C. H., Cimprich, B., Van den Berg, Herzog, T.R., Staats, H., Berman, M. G. и другие. Вклад в анализ ее воздействия на различные физиологические показатели человека внесли ученые Ulrich, R. S., Gärling, T., Thompson, C. W., Berman, M., Agyemang, C., Miyazaki, Y., Lee, J., Park, B. J., Ottosson, J., and Grahn, P., Donovan, G. H., Raanaas, R. K., Maas, J., Groenewegen, P. Развитие направления исследований и анализа психологического и социокультурного влияния естественного визуального окружения на человека принадлежит ученым Nisbet, E., Zelenski, J., Beyer, K. M., Richardson, M., Maspero, M., Alcock, I., McMahan, E. A., Estes, D., Kuo, F.E., Sullivan,W.C., de Vries, S., А.Е., Capaldi, C. A., Cervinka, R., Van den Berg, A. E. и другим. Вопросы визуального восприятия природных форм рассмотрены в исследованиях Valtchanov, D., Hagerhall, C.M., Ткачевой Л.О., Филина В.А. Результаты сравнения реальной природной среды и ее симуляции проанализированы в работах Kjellgren, A., De Kort, Y. A., Valtchanov, D., А. Кьелгрен и других. В работах ученых отражены основные направления и возможности воздействия естественной среды на человека. Рассматриваются условия и факторы, влияющие на уровень и эффект подобного воздействия, оцениваются результаты воздействия. Дается оценка полезности, важности и необходимости контакта с естественной средой, обладающей целым рядом восстановительных характеристик по улучшению функциональных, психоэмоциональных и социальных сфер жизнедеятельности человека. Однако в этих работах недостаточно подробно рассмотрены вопросы реализации альтернативных методов взаимодействия с подобной средой, систем аналогов, способных обеспечить эффект воздействия естественной визуальной среды в условиях ее недостаточности или ограниченности доступа. Предложенные решения ограничиваются демонстрацией виртуальных, фото- и видео-изображений, обеспечивающих недостаточный уровень эффективности воздействия, который связан с прямым копированием визуального изображения

естественной визуальной среды, включением подобных изображений или реальных объектов живой природы в рабочую или повседневную жизненную среду человека.

В диссертационной работе рассматривается имитация свойств естественного визуального окружения с помощью оптико-электронного устройства формирования и проекции изображений в виде абстрактных изображений с заданными характеристиками, которыми обладает естественная визуальная среда, за счет которых и осуществляется эффективное воздействие на ФС человека.

Гипотеза исследования - световая имитация естественных форм в условиях недостаточности взаимодействия с ней в городской и рабочей среде положительно влияет на ФС человека: способствует восстановлению когнитивных функций, эмоционального фона, благоприятна для целого ряда физиологических систем организма человека.

Объектом исследования является оптико-электронное устройство формирования визуальных динамических изображений с заложенными характеристиками фрактальности (значениями коэффициента фрактальности), имитирующих восстановительные свойства естественных форм.

Предмет исследования - процесс формирования оптического изображения с заданными значениями фрактальности, определяемыми взаимосвязью оптической толщины, формы и геометрии поверхности оптического элемента и значения коэффициента фрактальности, формируемого с его помощью изображения; алгоритм анализа изображения, определяющего степень эффективности влияния изображения на ФС человека; оценка эффективности воздействия оптико-электронной системы для задач светотерапевтического влияния световой имитации естественных форм на ФС человека по средствам оптико-электронной системы их формирования.

Целью диссертационной работы является разработка принципа проектирования оптических элементов и оптико-электронного устройства на их основе, позволяющих создавать эффективные динамические управляемые визуальные изображения для задач светотерапии.

В результате выполнения работы разработано лабораторное оптико-электронное устройство с нетрадиционным оптическим элементом для создания визуальной среды, способствующей коррекции ФС человека.

Задачи диссертационной работы:

- анализ существующих оптико-электронных приборов светотерапии и систем формирования визуальных полей;

- определение параметра, характеризующего восстановительные свойства визуальной среды, т.е. оценка сложности структуры визуального изображения, с помощью значения

коэффициента его фрактальности с целью повышения эффективности светотерапии и коррекции ФС человека;

- усовершенствование метода фрактального анализа визуальной сложности, основанного на детектировании контуров изображения, отражающих через их структуру, количественную оценку его визуальной сложности, выраженную через коэффициент D для статических и динамических лазерных визуальных изображений;

- разработка метода проектирования оптического элемента, позволяющего формировать визуальную среду в заданном диапазоне значений ее фрактальности;

- выявление взаимосвязи между визуальной средой с заданными значениями коэффициента фрактальности, полученной с помощью оптико-электронного устройства с нетрадиционным оптическим элементом и ФС человека, с использованием методов электрофизиологических исследований: - регистрации и анализа колебаний электрических потенциалов мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ).

В результате решения данных задач разработано лабораторное оптико-электронное устройство с нетрадиционным оптическим элементом для создания визуальной среды, способствующей коррекции ФС человека. Научная новизна работы:

- доказана возможность применения фрактального метода количественной оценки визуальной сложности структуры лазерных изображений для ранее не рассматриваемого типа изображений, теоретически и экспериментально подтверждена достоверность оценок, полученных при его использовании;

- усовершенствован алгоритм фрактального метода для оценки коэффициента фрактальности лазерных изображений;

- предложен метод светотерапевтического воздействия с применением лазерных динамических визуальных изображений с заданным диапазоном значений коэффициента их фрактальности;

- предложен метод формирования лазерных динамических визуальных изображений с заданным диапазоном значений коэффициента их фрактальности при помощи оптико-электронного устройства с нетрадиционным оптическим элементом, формирующим визуальную среду для целей светотерапии и способствующий коррекции ФС, новизна которого заключается в способе формирования визуальных динамических изображений.

Теоретическая и практическая значимость работы

Выполнено обобщение теоретического материала по тематике диссертационной работы на единой методологической базе.

Предложен ранее не использованный метод формирования визуальной среды с помощью лазерной оптико-электронной системы и нетрадиционного оптического элемента.

Предложен усовершенствованный алгоритм определения сложности визуального изображения на основе фрактального метода анализа изображений.

Разработан метод проектирования нестандартных оптических элементов для оптико-электронных систем формирования визуальной среды, аналогичной естественной по воздействию на ФС человека, состоящий в эмпирическом подборе набора объектов-примитивов по критерию достижения итогового моделируемого визуального ряда с требуемыми свойствами.

Спроектирован, изготовлен и экспериментально апробирован нетрадиционный оптический элемент формирования визуального изображения с заданным диапазоном значения фрактальности;

Разработано оптико-электронное устройство формирования визуального изображения, обладающего свойствами восстановительной визуальной среды.

Экспериментально апробирована лабораторная модель оптико-электронного устройства с нетрадиционным оптическим элементом для целей светотерапии и коррекции ФС человека. Произведена оценка эффективности ее применения на группе респондентов.

Определена взаимосвязь между визуальной средой с заданным диапазоном значений ее фрактальности, полученной с помощью оптико-электронной системы и нетрадиционного оптического элемента и ФС человека.

Предложен новый вариант применения и технического решения для формирования световых полей для задач светотерапевтического воздействия, использования их в качестве визуальной световой среды для коррекции ФС человека, осуществляемой путем демонстрации визуального стимула для визуального наблюдения респондентом.

Предложено светотерапевтическое решение, способное качественно повысить общий уровень ФС человека, его жизненный тонус и уровень качества жизни в целом.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались базовые традиционные методы моделирования неизображающих систем, основанные на недетерминированной трассировке луча с учетом геометрических эффектов. Математические методы анализа структуры распределения интенсивности лазерного излучения, формирующего изображение на основе фрактального анализа, в программной среде, предназначенной для решения задач технических вычислений и программирования - МайаЬ . Экспериментальные исследования проводились методами компьютерного моделирования в программной среде автоматизированного проектирования оптических систем 2ешах, с предварительным

моделированием 3D модели тестового оптического элемента в программном обеспечении предназначенном для трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor. Практическая проверка полученных результатов моделирования осуществлялась с применением экспериментальной лабораторной установки совместно с тестовой лабораторной моделью нетрадиционного оптического элемента, изготовленного по технологии вакуумного выдувания из натрий-кальций-силикатного стекла с предварительным изготовлением обратной модели-матрицы, которая, в свою очередь, была изготовлена по 3D прототипу, выполненному с применением технологии 3D печати из PLA-пластика на оборудовании MakerBot Replicator 2.

Практическое подтверждение результатов применения предложенного в диссертационной работе оптико-электронного устройства для задач светотерапии получено методами анализа активности альфа-ритма мозга с применением электроэнцефалографа экспертного класса Мицар-ЭЭГ-202, рекомендованного для клинического применения и научных исследований совместно с пакетом программного обеспечения «WinEEG» для регистрации и обработки электроэнцефалограммы.

Подтверждение достоверности полученных результатов применения предложенного в диссертационной работе оптико-электронного устройства для задач светотерапии получено статистическими методами анализа данных в программном обеспечении Statistica, предназначенном для статистического анализа.

Положения, выносимые на защиту

1. При создании искусственной световой среды для светотерапии с помощью оптико-электронного устройства, включающего лазерные источники монохроматического излучения трёх основных цветов (длины волн Х1=445 нм, Х2=520 нм, Х3=630 нм), систему их цветового сложения и оптический элемент, трансформирующий их структуру в стохастическое световое поле, оптимальным параметром для оценки его адекватности естественной визуальной среды является коэффициент фрактальной размерности D. При этом подтверждено, что позитивной критериальной оценке соответствуют значения D в интервале 1.3-1.5.

2. Для анализа структуры искусственно формируемой оптико-электронным устройством визуальной среды, оценки яркости её составляющих и выделения фрагментов, в наибольшей степени отвечающих по значению коэффициента фрактальной размерности D критерию адекватности создаваемого изображения естественной визуальной среде (1.3<D<1.5), алгоритм фрактального анализа на этапе обработки изображений, формируемых матричным фотоприемником системы контроля, должен включать не менее 256 градаций яркости, с пятью нарастающими пороговыми уровнями с шагом 50 градаций.

3. Моделирование оптического элемента, образованного входными и выходными поверхностями, последовательно расположенными по оси проходящего через него

параллельного по структуре светового пучка, апертура которых образована группами преломляющих и дифрагирующих областей различной гомологии с возможностью изменения их действующей композиции посредством вращения элемента относительно оси, перпендикулярной проходящему пучку, позволяет сформировать искусственную визуальную среду, состоящую из совокупности изображений с коэффициентом фрактальной размерности, значения которого находятся в требуемом интервале 1.3<0<1.5.

4. Использование для визуальной стимуляции оптико-электронного устройства с разработанным оптическим элементом формирования изображений улучшает функциональное состояние человека в отношении разгрузки функций внимания (до 40%), понижения систолического и диастолического давления крови (до 8% и 5% соответственно) и частоты сердечных сокращений (до 10%), что подтверждает эффективность использования предложенного устройства и адекватность формируемого им светового пространства естественной визуальной среде.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается результатами компьютерного моделирования и экспериментальным исследованием подтверждающим, что предложенное оптико-электронное устройство формирования и проектирования абстрактных лазерных динамических визуальных изображений с заданным диапазоном значений их фрактальности для задач светотерапии (коррекции ФС человека) оказывает эффективное положительное воздействие.

Практическая реализация результатов работы

Предложенное и разработанное в диссертации оптико-электронное устройство в настоящее время используется при выполнении научно-исследовательских работ в области диагностики и коррекции эмоциональных состояний для лиц с тревожными расстройствами на базе Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета имени академика И.П. Павлова.

Апробация работы

Наиболее значимые результаты, показанные в диссертационной работе, были представлены на нижеперечисленных научных конференциях:

• IV Международная научно-практическая конференция «Инновации на транспорте и в машиностроении» Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», (Санкт-Петербург, 2016);

• ХЬУ1, ХЬУП, ХЬУШ Научная и учебно-методическая конференции Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2017, 2018, 2019);

• У, VI, VII Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2018);

• XXIV, XXV, XXVI Международная конференция «Лазерно-информационные

технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте» (Новороссийск, 2016,

2017, 2018);

• Международная конференция «Третьи Орловские чтения» (Санкт-Петербург, 2018);

• Международная научно-практическая конференция «Искусство звука и света» (Санкт-

Петербург, 2018).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатные работы, 4 из них статьи в изданиях из перечня ВАК, 1 статья в издании, включенном в систему цитирования Web of Science и Scopus, 12 публикаций в иных изданиях.

Личный вклад автора

Приведенные результаты исследований, экспериментальные результаты в диссертации, составляющие ее научную новизну и основные положения, выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Основные задачи и цель диссертационной работы были сформулированы автором совместно с научным руководителем. Публикации научных статей, докладов на конференциях, а также их подготовительная работа осуществлялась в сотрудничестве с соавторами.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, заключение, список литературы и приложений, включая 80 рисунков, 14 таблиц. Список литературы состоит из 243 наименования. Общий объем работы - 269 страниц машинописного текста.

Диссертационная работа Сапуновой Н. П. выполнена на факультете прикладной оптики Санкт-Петербургского Университета ИТМО.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю - Заслуженному деятелю науки Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Виктору Трофимовичу Прокопенко за неоценимую помощь и всестороннюю поддержку на протяжении всего периода подготовки диссертации. Благодарность сотрудникам факультета прикладной оптики кандидатам технических наук Матвееву Николаю Вадимовичу и Романовой Галине Эдуардовне, а также декану факультета прикладной оптики, кандидату технических наук Бахолдину Алексею Валентиновичу. Отдельная благодарность кандидату технических наук Резникову Станиславу Сергеевичу и Олейнику Роману Владимировичу за помощь в проведении экспериментальных исследований, а также сотрудникам факультета прикладной оптики и факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО за ценные советы, помощь и поддержку при написании диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, научная новизна, практическая значимость работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, описаны методология и методы исследования, обоснована достоверность научных и практических результатов диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ, синтез и классификация существующих оптико-электронных устройств светотерапии и систем формирования визуальных полей. Результат анализа показал, что существует достаточное количество методов, позволяющих с тем или иным эффектом оказывать светотерапевтическое воздействие, однако, несмотря на имеющийся задел в разработке лазерных оптико-электронных устройств формирования визуального изображения, их общим недостатком является способ получения визуального изображения. Получаемые изображения трудно подвергаются фиксации, имеют непредсказуемый характер формирования и, как правило, отсутствует невозможность повторного воспроизведения. Кроме этого к недостаткам рассмотренных систем и устройств можно отнести: использование узкого диапазона длин волн видимой его части, что ограничивает эффект воздействия; применение импульсного воздействия, что сужает круг пользователей подобных устройств как из-за возможных противопоказаний у людей к данному виду воздействия, так и особенности восприятия частотного воздействия; применение различного рода трафаретов для формирования визуальных изображений в проекционных системах, что значительно ограничивает возможности получения вариативности визуальных изображений, что ведет к снижению внимания, а, следовательно, и эффекта воздействия для пользователя. Общим недостатком рассмотренных устройств и методов, является незначительная область их применения и низкий терапевтический эффект.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сапунова Наталия Петровна, 2021 год

источников

При определении оптической мощности отдельных лазерных излучателей и общей мощности их излучения будем исходить из следующих допущений. Глаза респондента и обслуживающего персонала подвергаются облучению, диффузно отраженному от плоского экрана. Экран отражает свет равномерно в полусфере радиусом r, площадь которой при этом равна S = 2nr2. Если респондент находится на расстоянии 3 м от экрана, то площадь полусферы

2 5 2

равна 56.52м или 5.652 х 10 см . Отношение площадей полусферы и зрачка определит коэффициент деления мощности, который составит величину 1.5 х 106. Следовательно, предельно допустимая суммарная мощность на основании формулы (8) от трех лазерных источников излучения при этом составит 4.93мкВт х 1.5 Х106 = 7,3 х 106мкВт =7,3Вт. Согласно таблице 4, стр.122 суммарная максимальная мощность выбранных лазерных излучателей составляет 4.5Вт, в то время как предельно допустимый уровень мощности согласно СанПиНу составляет 7,3 Вт. Следовательно, разработанное оптико-электронное устройство является безопасным при эксплуатации в реальных условиях.

3.4 Выводы по главе 3 На основании результатов исследований представленных в данной главе, можно сделать следующие выводы:

1. Определен диапазон предельно допустимых оптических мощностей лазерных излучателей с учетом требований СанПиН.

2. Определены предельно допустимые значения облученности глаза лазерным излучением в соответствии с СанПиН.

3. Проведено сравнение значений допустимой облученности глаза лазерным излучением с зарубежной системой-аналогом.

4. Проведен фотометрический расчет оптической мощности устройства. Разработанное оптико-электронное устройство формирования динамических визуальных

изображений, имеющих свойства естественной восстановительной визуальной среды, и разработанным метод синтезирования формы оптических элементов, которые при помещении в ход лазерного пучка смогут обеспечить генерацию необходимого визуального изображения восстановительного свойства, позволяют получить реальное безопасное оптико-электронное устройство для использования в светотерапии.

Глава 4. Моделирование оптического элемента (оптической системы)

При разработке методов расчета нетрадиционных лазерных проекционных систем необходимо выявить взаимосвязь сложности результирующего изображения и формы оптического элемента. С этой целью будет проведен анализ результатов моделирования нетрадиционных оптических элементов способами изображающей и неизображающей оптики, и определена их релевантность.

4.1 Анализ получения формы изображения в зависимости от геометрии тестового

оптического элемента

Для разработки метода формирования визуальной среды с определенным диапазоном значения коэффициента ее фрактальности D, необходимо выявить взаимосвязь формы оптического элемента и степени изменения значения коэффициента фрактальности D результирующего изображения.

Для решения этой задачи будет выполнено моделирование оптической системы и генерируемого ею изображения в ПО Zemax. Для полученных изображений произведен расчет коэффициента фрактальности D. В работе использовались традиционные методы моделирования неизображающих систем, основанные на недетерминированной трассировке луча с учетом геометрических эффектов.

Методы расчета оптических систем, позволяющие определить конфигурацию требуемой оптической системы, можно разделить на следующие группы: численные методы, основанные на многократной трассировке лучей, и аналитические. Еще одним методом получения изображения сложной структуры является проекция маски нужной степени самоподобия [219], однако недостатком этого, наиболее очевидного способа, является сложность получения динамического изображения.

Аналитические методы проектирования элементов неизображающей оптики позволяют восстановить геометрию оптического элемента при известном распределении освещенности на целевой поверхности. Однако проблема применения аналитических методов для рассматриваемой задачи состоит в том, что изображения могут иметь сложную структуру и в этом случае аналитическое решение занимает большой временной интервал и требуется большое количество машинного времени. Поэтому рациональней использовать численные методы и методы оптимизации - автоматизированной коррекции. Результат оптимизации для неизображающей оптики сильнее зависит от выбора стартовой точки, чем для классической изображающей системы, поэтому при поиске исходной геометрии объекта можно использовать методы композиции. В случае изображающей оптики это означает, что изучение свойств отдельных простых оптических компонентов позволяет на следующих этапах проектирования составлять композиции из этих элементов, получая нужный результат.

Задачу получения сложной структуры распределения освещенности в изображении можно решать поэтапно:

^ исследовать возможности простых оптических элементов;

> использовать композицию нескольких из них;

> оптимизировать структуру для получения требуемого результата.

В ходе работы предполагается постепенное усложнение геометрии используемых объектов. Для определения релевантности моделирования необходимо сопоставить изображения, получаемые в ходе моделирования нетрадиционного оптического элемента, и изображения, полученные после прохождении излучения лазера через реальный нетрадиционный оптический элемент, соответствующий модели.

4.1.1 Получение изображения с использованием простых оптических элементов Моделирование оптической системы выполняется в два этапа:

1. моделирование источника излучения;

2. моделирование объекта - оптического элемента.

В первую очередь необходима соответствующая модель лазерных источников. Рассмотрим процесс моделирования с использованием зеленого лазерного источника. Согласно спецификации лазерного источника (табл.4, стр. 122) расходимость пучка излучения составляет 0.5 х 0.2 мрад и сечение пучка 3.5 х 3.5 мм , поэтому при расчетах в качестве источника можно выбрать модель диода [220]. Исходный диодный источник дает возможность моделировать гауссову форму пучка в угловой и пространственной форме.

В качестве первого этапа моделирования для получения тестового изображения с использованием простого объекта, который можно смоделировать с помощью простых стандартных объектов программного обеспечения оптического проектирования - ПО 2ешах и доказать общую идею (концепцию) был использован объект относительно простой геометрии, представляющий собой массив пирамид с гладкими вершинами (Рисунок 31).

Рисунок 31 - Простой нетрадиционный оптический элемент, используемый совместно с лазерной установкой в качестве тестового объекта и генерируемое с его помощью изображение. Тестовый объект - массив пирамид с гладкими вершинами (слева); полученное

изображение (справа).

На рисунке 32, схематично показан лазерный источник, моделируемый элемент и сгенерированное с помощью данного элемента изображение. В рассматриваемой ситуации не нужен полный массив объектов, достаточно 2-6 элементов в зависимости от их размера, если они заполняют диафрагму лазерного пучка. Если использовать только один лазер и объект, как показано на рисунке 32 слева, можно получить изображение, созданное на цветном детекторе (на экране), приведенном на рисунке 32 справа.

Рисунок 32 - Моделирование оптической системы формирования изображения. Модель источника излучения и тестового объекта (слева); полученное изображение (справа).

Форма светового пятна, полученного с использованием реального оптического элемента совместно с оптико-электронной системой (Рисунок 31, справа) и с помощью его моделирования (Рисунок 32, справа) в целом одинаковая, но различна в деталях. На этом этапе моделирования нет возможности учесть все факторы, например, такие как рассеяние на поверхности и другие. Аналогичную форму светового пятна (рисунок 32, справа) можно получить не только с объектом, показанным на рисунке 32 слева, но и с массивом конусов с гладкой вершиной, как показано на рисунке 33, слева. Полученное изображение показано на рисунке 33, справа. В последнем случае необходимо отметить, что сечение лазерного пучка имеет прямоугольную форму.

Рисунок 33 - Моделирование оптической системы формирования изображения. Модель источника излучения и тестового объекта в виде массива конусов с гладкими вершинами (слева); одиночный элемент массива тестового объекта (врезка); полученное изображение (справа). Сечение лазерного пучка в модели имеет прямоугольную форму.

Как видно на рисунке 34, слева, форма реального лазерного пучка не округлая, на рисунке показан пример - форма пучка красного лазера, такой же эффект со всеми излучателями лазерного проектора. Для более четкого просмотра этого эффекта в реальном проекторе был применен дополнительный объектив, который позволил получить на экране изображение, показанное на рисунке 34, справа.

Рисунок 34 - Фоторегистрация устройства лазерного проектора и формы пучка лазера. Форма пучка на зеркале лазерного проектора (слева); форма пучка на экране, полученная с

помощью дополнительного объектива (справа).

Перемещение тестового объекта, вдоль поперечного сечения лазерного пучка и его смещение по другим осям, позволяет получить разнообразный ряд изображений (Рисунок 35,36).

Рисунок 35 - Модель источника излучения, тестового объекта и изображений, полученных

при перемещении тестового объекта по осям относительно источника излучения. Слева направо и сверху вниз, смещение по осям: у = - 0.5мм; у = - 0.8мм и поворот вокруг

оси ъ = 10°; у = -1.6мм, поворот вокруг оси = 10° и наклон относительно оси х = 3°.

Рисунок 36 - Изображения, полученные при перемещении тестового объекта относительно

источника излучения. Слева направо и сверху вниз, перемещения по осям: х = - 0.5 мм, у = - 0.4 мм; х = - 0.5 мм, у = - 1.5 мм; х = - 0.5 мм, у = 1 мм; х = 0 мм, у= 0.7 мм.

В рассматриваемых вариантах тестовых объектов моделирования изображения в качестве тестовых объектов были использованы примитивы в форме массива пирамид с гладкой вершиной. При использовании иных форм примитивов, например, с того же размера, но с другой формой вершины, можно получить изображения, показанные на рисунке 37.

Рисунок 37 - Модель источника излучения, тестового нетрадиционного оптического элемента в виде массива линз гексагональной формы и формируемые ими изображения. Слева-направо и сверху вниз: -

тестовый элемент в виде массива линз; - модель оптической системы; - изображения, сформированные элементом, состоящим из массива примитивов со следующими типами вершин: сферической формы поверхности линзы с радиусом поверхности г = - 0.5мм; -гиперболической формы с конической константой к = - 2мм, с радиусом поверхности г = - 0.8мм; -гиперболической формы с конической константой к = -10мм, с радиусом поверхности г = - 0.5мм.

Примитив в виде тороидальной линзы с вершиной прямоугольной формы позволяет получить изображение, показанное на рисунке 38,слева. В качестве тестовых элементов были также рассмотрены объекты, состоящие из массивов гексагональных линз, со сферической и гиперболической формой. Были использованы гексагональные линзы, со сферической поверхностью линз шириной равной 1мм, радиусом 1 мм и получены изображения, представленные на рисунке 38.

Рисунок 38 - Изображения, полученные с тестовыми элементами: с примитивами: тороидальная линза с вершиной прямоугольной формы (слева); стандартная линза с вершиной гиперболической формы (справа).

В качестве тестовых объектов были использованы и гексагональные линзы, с гиперболической поверхностью линз (рисунок 39,слева), толщиной 1 мм, радиусом - г, где г =-0,5мм, коническим сечением- к, где к=-4 мм, а также, толщиной 1 мм, г =0.5мм, к=-10 мм. Были получены изображения, показанные на рисунке 39, в центре и справа.

Рисунок 39 - Модель источника излучения, тестового элемента и формируемые изображения.

Модель источника излучения и тестового элемента в виде массива линз гиперболической формы (слева); полученное изображение для тестового элемента с конической константой k = -4мм, с радиусом поверхности г = -0,5 мм (в центре); полученное изображение для тестового элемента с конической константой k = -10мм, с радиусом поверхности г = -0,5мм (справа).

Как можно увидеть, форма изображения одного массива линз позволяет получить широкую вариативность форм получаемого изображения, от гексагональной с прямыми линиями до почти округлой.

Для создания оптического элемента сложной геометрии, способного формировать изображения с заданным диапазоном значений коэффициента фрактальности Б были рассмотрены ряд форм оптических элементов, что важно для понимания и контроля

формирования изображения при помощи оптического элемента сложной формы, моделирование которого описывается далее.

4.2 Оптический элемент сложной формы (геометрии) поверхности -нетрадиционный оптический элемент

В оптико-электронном устройстве, взятом за аналог, используются оптические элементы, при использовании которых контроль над формированием визуального изображения обеспечить невозможно, так как нет достоверной модели оптического элемента для расчетов в ПО Zemax. Поэтому, возникает необходимость создания нового тестового оптического элемента, с помощью которого будет возможно обеспечить контролируемое моделирование изображения с заданными значениями коэффициента фрактальности изображения.

В качестве тестового оптического элемента для задачи формирования визуального изображения в заданном диапазоне значений коэффициента фрактальности изображения с помощью ПО Autodesk Inventor [221] был смоделирован элемент произвольной формы, в целом повторяющий цилиндрическую форму оптического элемента системы аналога и имеющий в своей геометрии поверхности элементы различных простых форм.

Компромиссное решение для полученных количеств исследований на изображениях для обеспечения заданной сложности изображения и возможностей изготовления.

4.2.1 Композиционное решение моделирования оптического элемента для получения изображений с заданным диапазоном значения коэффициента фрактальности

изображения

Подход к методу синтеза абстрактных изображений сложной структуры с заданным диапазоном значения показателя коэффициента фрактальности D, где 1.3<D< 1.5 основывается на процедуре нахождения формы объектов, которые при помещении в ход лазерного пучка обеспечивают необходимую генерацию визуального изображения с заданными условиями. Форма поверхности оптического элемента, формирующего изображение, определяет структуру получаемого изображения и чем сложнее поверхность оптического элемента, тем сложнее структура визуальные характеристики изображения.

Алгоритм проектирования получения оптического элемента формирования визуального

изображения для задач светотерапии:

У выделение зон тестового оптического элемента, формирующих будущие изображения, которые отвечают требованию по значению коэффициента фрактальности D;

У получение набора подобных зон при моделировании;

У применение композиционного принципа для объединения найденных при моделировании зон для формирования итоговой геометрии оптического элемента.

Таким образом, композиционное моделирование оптического элемента, формирующего изображения со значением 1.3<D<1.5, заключается в выделении зон тестового оптического элемента, зоны поверхности которого позволяют формировать визуальные изображения значение коэффициента фрактальности D которых, попадает в заданный диапазон значений.

Выделенные зоны тестового оптического элемента, отвечающие данным характеристикам, могут быть объединены композиционным способом и составить новую геометрию поверхности оптического элемента, что позволит исключить из поверхности такого оптического элемента зоны, формирующие изображения вне искомого диапазона значений D. Это позволит обеспечить получение изображений заданного диапазона значений коэффициента фрактальности D (1.3 <D< 1.5) для получения оптимального эффекта светотерапевтического воздействия.

4.2.2 Обоснование применения композиционного способа нахождения формы поверхности

моделируемого оптического элемента

Конечной целью исследования является разработка принципов проектирования оптических элементов оптико-электронного устройства, то есть метода нахождения формы оптического элемента, которая будет способна обеспечить необходимую структуру изображения. Для решения подобной задачи могут быть предложены два способа.

Первый способ основан на применении методов неизображающей оптики [222], где по заданному распределению освещенности можно восстановить геометрию поверхности, преобразующей излучение от лазера в нужное распределение. Однако проблема использования данного метода заключается в том, что в случае получения изображений со сложной структурой результат оптимизации для неизображающей оптической системы сильнее зависит от выбора стартовой точки, чем для классической изображающей оптической системы. Поэтому при поиске геометрии объекта можно использовать принципы композиции и лучевой метод. То есть фактически использовать геометрию объектов, для которых известен получаемый эффект, а сложный оптический элемент проектировать на основе сочетания найденных геометрических решений отдельных зон.

Второй способ заключается в использовании метода оптической визуализации, где задачи осветительной оптики обычно гораздо более просты: получение равномерной освещенности и/или максимальной эффективности, концентрированного светового пятна и другие. Для получения принципиальной геометрии объекта, можно путем оптимизации и изменения параметров освещаемого объекта попытаться получить желаемое освещение. То есть, фактически в качестве объекта - оптического элемента используется маска или шаблон с необходимым распределением потока излучения, а подсвеченная маска проецируется на экран с помощью любой, даже самой простой оптической системы. Это означает, что необходимо

использовать слайды с изображениями нужных структур, освещаемые источником излучения, а также использовать дополнительную проекционную систему, чтобы иметь возможность демонстрировать изображение со слайда на экране.

На рисунке 40, показан пример применения метода оптической визуализации. В примере проецирования изображения фрактальной структуры на экран была использована плосковыпуклая линза с фокусным расстоянием 50 мм. Подобная система имеет достаточно большие аберрации, но, как визуальный эффект изображения они могут стать художественным дополнением или дополнительным визуальным эффектом изображения.

Рисунок 40 - Модель метода оптической визуализации. Модель источника излучения и плоско-выпуклой линзы (слева); полученное изображение на экране (справа).

Однако одна из особенностей и сложностей метода оптической визуализации заключается в необходимости наличия маски исходного изображения, которое можно было бы использовать для проецирования. И если применять данный способ оптической визуализации совместно с лазерным оптико-электронным устройством, то есть размер маски должен соответствовать размеру диаметра пучка лазера.

Кроме этого, создание маски изображения со сложной структурой имеет определенные производственные сложности, связанные с материалами для ее изготовления, пригодными для использования с лазерной системой. Кроме того, исходя из необходимости сопоставления размера маски с диаметром пучка лазера, изготовление маски может стать технически невозможным, где из-за необходимости получения маски изображения сложной структуры и малого физического размера самой маски. Также появляется необходимость использовать дополнительную проекционную систему для возможности наблюдения и демонстрации изображения с маски (слайда) на экран. Эту задачу можно решить с помощью сложной оптической системы с большим увеличением, которая сможет преобразовать лазерный пучок оптической установки для освещения необходимой площади маски, однако приведет к усложнению конструктивной части оптического устройства в целом. Важно отметить также, что создание динамического, то есть изменяющегося во времени изображения, крайне осложняется тем, что движение и любое перемещение объекта и линз крайне ограничено. Все указанные недостатки не позволяют использовать метод оптической визуализации и говорят в пользу выбора композиционного способа моделирования оптического элемента.

Также важно отметить, что при такой сложной геометрии тестового оптического элемента (рисунок 41 , слева) необходимо учитывать сложную картину распределения интенсивности излучения лазера (Рисунок 41, справа).

Рисунок 41 - Модель тестового оптического элемента (слева); смоделированное изображение на экране с использованием тестового оптического элемента (справа).

Тестовый элемент имеет сложную структуру, следовательно, можно предположить, что аналитическое решение задачи может занять большой временной период и не иметь точного решения.

4.3 Моделирование оптической системы формирования изображения

Для реализации предложенного способа формирования изображения с помощью тестового нетрадиционного оптического элемента необходимо:

^ провести компьютерное моделирование оптической системы получения изображения; ^ оценить точность моделирования путём сопоставления теоретических результатов моделирования с реальными экспериментальными изображениями. Основная задача - проанализировать данные с помощью компьютерного моделирования, которые показывают предполагаемые результаты экспериментов. Для этого необходимо:

> повторить компьютерное моделирование на экспериментальной лабораторной установке и провести исследование, в котором будут зафиксированы получаемые изображения;

^ сравнить эти изображения с результатами расчётов оптического моделирования. По итогам 3Б моделирования была получена тестовая модель нетрадиционного оптического элемента (рисунок 42, слева). Полученная модель была конвертирована в поддерживаемый формат - «^оБ» для возможности дальнейшей работы с ней в ПО 2ешах (рисунок 42,справа), которое предназначено для моделирования и анализа оптических системы, что позволит работать с тестовой моделью нетрадиционного оптического элемента в рамках моделирования и анализа оптической системы.

Имея возможности компьютерного моделирования проекций изображений, формируемых нетрадиционным оптическим элементом после прохождения через него лазерного излучения в заданных точках, можно на экспериментальной лабораторной установке смоделировать аналогичные положения оптического элемента и точки падения на него луча

лазера, получив при этом реальные изображения с помощью лазерной установки и физической тестовой модели нетрадиционного оптического элемента.

Рисунок 42 - 3D модель оптического элемента ПО Autodesk Invertor (слева); 3D модель

оптического элемента в ПО Zemax.

Таким образом, есть возможность получить серии по два изображения: первое -изображение, полученное с помощью компьютерного моделирования оптической системы в ПО Zemax; второе - изображение, полученное с помощью экспериментальной лабораторной установки. Полученные парные серии изображений будут использованы для сравнения, определения их соответствия и доказательства принципиальной возможности моделирования подобных нетрадиционных оптических систем.

В итоговой геометрии тестовый оптический элемент состоит из различных геометрических элементов, которые объединены в единую поверхность цилиндрической или близкую к цилиндрической форму со сквозным отверстием диаметром - 41,84 мм, а также с отверстиями переменного сечения и выступами конусообразной формы. Высота элемента -49.35 мм, ширина - 50 мм, внешний диаметр - 50 мм.

Поверхность тестового оптического элемента - цилиндра состоит из геометрических элементов имеющих формы трех выдавленных внутрь отверстий овальной формы и двух конусообразных выступов в форме пирамид с неправильной формой основания с гладкими вершинами и различной высотой внешнего выступа и размерами оснований.

Элементы поверхности (объема) имеют следующие размеры: высота отверстия №1 - 6.3 мм, ширина - 21.2 мм; высота отверстия №2 - 4.3 мм, ширина - 8 мм; высота отверстия №3 -4.7мм, ширина - 17.2 мм; конус №1 с высотой вершины - 49.4 мм и основанием конуса №1 -овал высотой - 7.2 мм и конус №2 с высотой вершины - 10,4 мм и основанием конуса №2 - овал высотой - 21.2 мм (Рисунок 43,44).

4.4 Формирование изображения с помощью экспериментальной лабораторной установки

и компьютерного моделирования

Используя лабораторную лазерную установку и физическую модель нетрадиционного оптического элемента как результат 3D моделирования (Рисунок 45), были получены серии изображений при регистрации распределения освещенности на плоском экране. (Рисунок 46),

АО

8.9

30,7

г

й

17,2

Рисунок 43 - Проекции тестового оптического элемента с размерами элементов поверхности тестовой модели оптического элемента.

Описание технологий изготовления и материалов тестовых моделей нетрадиционного оптического элемента приведены в приложении 5.

Рисунок 44 - Тестовый оптический элемент. 3D визуализация элемента и его проекции.

Рисунок 45 - Тестовый оптический элемент и его проекции, изготовленный по макету 3-0

модели.

В экспериментальной лабораторной установке был применен полноцветный лазерный модуль KVANT [213], характеристики которого указаны в таблице 4, стр. 122.

Рисунок 46 - Изображения, полученные с помощью экспериментальной лабораторной

установки.

Схема экспериментальной установки и процесс регистрации изображений с плоского экрана показан на рисунках 47,48, соответственно.

Рисунок 47 - Схема экспериментальной установки регистрации изображений с использованием лазерного модуля и модели оптического элемента (вид сверху).

Рисунок 48 - Фотоизображение экспериментальной лабораторной установки регистрации изображений с использованием лазерного модуля и физической модели оптического элемента

Параллельно, используя возможности компьютерного моделирования в ПО 2ешах, были

получены изображения с использованием компьютерной модели нетрадиционного оптического

элемента по заданным координатам положения оптического элемента относительно лазерного

пучка совпадающими с экспериментальной установкой. Координаты и положения оптического

элемента относительно положения лазерного луча в компьютерной модели ПО Zemax

приведены в приложении 6. Примеры получаемых моделей изображений в ПО 2ешах показаны на рисунке 49.

Рисунок 49 - Изображение, полученное с применением компьютерной модели тестового

оптического элемента в ПО Zemax.

4.5 Анализ значения коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью экспериментальной лабораторной установки и компьютерного моделирования в ПО

Zemax

Качественное сравнение изображений, формируемых реальным оптическим элементом, и изображений, полученных в результате моделирования, позволяет заключить, что предложенный способ расчета нетрадиционных оптических элементов обеспечивает формирование изображений идентичных реальным.

Далее необходимо выполнить сравнение значений коэффициента фрактальности данных изображений, поскольку именно этот показатель является ключевым и определяющим соответствие изображений требованиям светотерапии.

Для того, чтобы полученные изображения отвечали задачам светотерапии, значения их коэффициента фрактальности должны соответствовать диапазону значений оптимальных для наиболее эффективного терапевтического воздействия.

Дальнейшее сравнение значений коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью экспериментальной установки и компьютерного моделирования при их соответствии, позволит определить области в геометрии формы модели нетрадиционного оптического элемента, отвечающие за формирование визуального изображения в заданном диапазоне значений коэффициента фрактальности изображения. Изменяя геометрию поверхности модели оптического элемента, есть возможность изменять фрактальную размерность формируемого изображения.

4.5.1 Оценка коэффициента фрактальности изображений, полученных с применением

экспериментальной установки

На основе ранее описанного метода и алгоритма анализа коэффициента фрактальности изображений с применением детектора границ Канни, в ПО МайаЬ была произведена оценка этого показателя для изображений, полученных с применением экспериментальной

лабораторной установки. Пример работы алгоритма приведен на рисунке 50. Листинг программы оценки коэффициента фрактальности изображения представлен в приложении 7.

Рисунок 50 - Результат оценки коэффициента фрактальности изображений, Б = 1.4.

Фотоизображение, полученное в условиях экспериментального исследования (слева); результат работы алгоритма выделения контуров изображения (справа).

4.5.2 Оценка коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью компьютерного моделирования в ПО Zemax

Аналогично оценке показателя коэффициента фрактальности изображений, полученных с применением экспериментальной установки, для оценки коэффициента фрактальности изображений, полученных с помощью компьютерного моделирования в ПО Zemax, был применен аналогичный алгоритм с применением детектора границ Канни. Однако в него был включен ряд операций, связанных с обработкой данных, полученных программой моделирования, которые позволили провести оценку коэффициента фрактальности изображений моделирования. Цикл работы с данными программы моделирования для определения значения коэффициента фрактальности Б изображений, полученных при моделировании показан в виде блок-схемы на рисунке 51, пример результатов приведен на рисунке 52.

4.6 Сравнение и анализ полученных изображений

После получения изображений с применением экспериментальной лабораторной установки и компьютерного моделирования были получены пары изображений, соответствующие одинаковым условиям позиционирования нетрадиционного оптического элемента относительно лазерного пучка, что позволило провести анализ фрактальности данных изображений и дать оценку их соответствия, оценив, таким образом, точность моделирования путем сопоставления теоретических результатов моделирования с реальными изображениями эксперимента. На рисунке 53 показана одна из пар изображений для дальнейшего их анализа сравнения.

Результаты сравнения значений коэффициента фрактальности Б изображений, состоящие из выборки - 19 пар изображений, полученных при экспериментальном

исследования и компьютерном моделировании, показали незначительные визуальные расхождения.

Начало

Ввод данных в ПО Zemax: положение оптического элемента в установке -

x,y,z,tiltX, tiltY, tiltZ

Трассировка лучей в ПО Zemax для заданных условий

Экспорт результатов моделирования в виде двумерного массива данных в файл Excel: величина освещенности на детекторе по координатам х,у

Адаптация данных для последующей обработки в ПО Matlab

Импорт данных в ПО Matlab

Логарифмирование данных в ПО Matlab: set(gca,'ColorScale','log')

Добавление шкалы освещенности:

colorbar('AxisLocationVout')

Определение значения фрактальной

размерности (D),полученного изображения сторонней библиотекой -оператором boxcount после определения контуров внутри изображения стандартным оператором Canny: edge(lmage, 'canny')

Сохранение изображения со шкалой освещенности, а также полученных

контуров внутри изображения с указанием значения фрактальной размерности, (О)

Конец

Рисунок 51 - Блок-схема алгоритма вычисления значения коэффициента фрактальности для изображений, полученных с помощью компьютерного моделирования в ПО Zemax.

Результаты моделирования Zemax

Коэффициент фрактальности, D=1.315

f'----£ V"

V

X<\v

Рисунок 52 - Результат оценки коэффициента фрактальности, Б = 1.3. смоделированное изображение (слева); результат работы алгоритма выделения контуров изображения (справа).

Данные о коэффициентах фрактальности экспериментальных изображений и проекции оптического элемента с координатами положения оптического элемента относительно пучка лазера представлены в приложении 8. При выявленных различиях необходимо установить их

причину, что позволит либо исключить ошибки моделирования, либо установить погрешность при моделировании и в дальнейшем устранить ее.

I* I t-

Рисунок 53 - Изображение, полученное экспериментально (слева); смоделированное изображение, полученное в ПО Zemax (справа).

Анализ значений показателя фрактальной размерности D в сравниваемых изображениях выявил погрешности значений коэффициента фрактальности изображений, полученных при моделировании эксперимента, составляющую 3%, средняя разница в числовом значении коэффициента фрактальности составила D = 0.036.

В нашем случае данная погрешность результатов связана с особенностями производства тестового образца нетрадиционного оптического элемента, который был изготовлен методом вакуумного выдувания (Приложение 5, раздел 5.3). Объемы поверхностей элемента содержат некоторые включения воздуха - пузырность, что может создавать на экспериментальном изображении дополнительные визуальные эффекты, в виде артефактов структуры получаемого изображения, которых можно избежать, исключив пузырность. Кроме того, тестовый оптический элемент имеет некоторые расхождения в физических размерах, например, толщины стенок (объемы, которые проходит лазерный пучок, формируя структуру изображения), отличается от трёхмерной модели оптического элемента, которая применялась при моделировании в ПО Zemax. Кроме этого существуют некоторые систематические и случайные погрешности при проведении самого эксперимента, такие как погрешности установки и оборудования фоторегистрации, а также погрешность при самой фоторегистрации. Данные погрешности в дальнейшем можно устранить для получения изображения, наиболее приближенного к модели ПО Zemax. Например, попытаться применить другие методы изготовления физической модели оптического элемента, более точно повторяющего его трехмерную модель. Кроме того, в ПО Zemax не учитывается возможная дифракция тоже может влиять на результат эксперимента. Поскольку создание и в дальнейшем апробация экспериментальной модели нетрадиционного оптического элемента имеют цель подтвердить принципиальную возможность, как моделирования, так и производства оптических элементов сложной геометрии поверхности, то данными погрешностями возможно пренебречь.

Анализируемые данные для сравнения значения коэффициента фрактальности изображений, полученных в экспериментальном исследовании и компьютерном моделировании, приведены в таблице 5, пример представлен на рисунке 54, данные выборки сравнения изображений приведены в приложении 9.

Коэффициент фрактальности, Б = 1.317 Коэффициент фрактальности, Б = 1.172

Рисунок 54 - Значения коэффициента фрактальности, (р) изображений, полученных в экспериментальном исследовании и компьютерном моделировании: фотоизображение, полученное в результате экспериментального исследования (слева); результат моделирования

в ПО Хешах (справа).

На рисунке 55 представлен график, иллюстрирующий степень сходства коэффициента фрактальности изображений моделирования и эксперимента. Значения коэффициента фрактальности сравниваемых изображений, указанные в таблице 5, показывают различия в данных, которая связана с погрешностями, описанными выше.

Значения Коэффициента Фрактальности Изображений

1,600 о 1,550 £ 1,500 о 1,450

5 1,400 1,350

£ 1,300

6 1,250

е 1,200

Н 1,150 ¡и 1,100 Ц 1,050 5 1,000 Ф 0,950 ¡5 0,900 * 0,850 0,800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Изображения

-Эксперимент -Моделирование

— —Линейная (Эксперимент) — —Линейная (Моделирование)

Рисунок 55 - График значений коэффициента фрактальности изображений, полученных экспериментально и с помощью моделирования

! /

! У = - 0,00 )5х + 1,27 17 /

! /

! у = С ,004 2Х + 1,189 1

! у у /

! — — \ ./ _

I г

I

\

!

!

!

!

!

|

Подтверждением данного предположения являются графические данные рисунка 55, которые подтверждают принципиальное сходство картины сопоставления значений коэффициента фрактальности, сохраняющей общий характер, несмотря на отклонения в числовом эквиваленте коэффициента фрактальности, линейная аппроксимация демонстрирует общую картину. Эти данные могут свидетельствовать в пользу корректности моделирования и возможности считать результаты сравнения сопоставимыми и подтверждающими принципиальную возможность моделирования нетрадиционных оптических элементов, имеющих сложную геометрию поверхности.

Таблица 5 - Значения коэффициента фрактальности, (D) изображений, полученных в экспериментальном исследовании, компьютерном моделировании и их разность.

№ изображения Значение коэффициента фрактальности, D изображений

эксперимент моделирование разница значений D эксперимента и моделирования

1 1.317 1.172 0.145

2 1.029 1.036 -0.007

3 1.435 1.315 0.120

4 1.328 1.185 0.144

5 1.085 1.156 -0.071

6 1.406 1.324 0.082

7 1.305 1.170 0.135

8 1.368 1.528 -0.160

9 1.390 1.200 0.190

10 1.357 1.484 -0.128

11 1.092 1.084 0.008

12 1.186 1.094 0.092

13 1.064 1.098 -0.034

14 1.103 1.085 0.018

15 1.394 1.347 0.047

16 1.376 1.313 0.063

17 1.446 1.115 0.331

18 1.031 1.093 -0.063

19 1.365 1.591 -0.226

Среднее значение 1.267 1.231 0.036

В дальнейшем возможность моделирования и анализа значений коэффициента фрактальности D, полученных при моделировании изображений позволит получать различные формы итоговой геометрии сложного оптического элемента и значениям фрактальности изображений без необходимости изготовления физической модели оптического элемента.

Кроме этого, на этапе моделирования появляется возможность получить необходимую структуру визуальных изображений, вносить изменения, корректируя и модифицируя компьютерную модель, исключая временные и экономические потери, а также технологические и производственные сложности, связанные с изготовлением физической модели оптического элемента, его экспериментальной апробацией и необходимостью изготовления целого ряда подобных объектов при внесении изменений в физическую модель.

Сравнение выборки изображений позволило подтвердить принципиальную корректность моделирования и сопоставимость полученных значений коэффициента фрактальности Б, следующим шагом является выявления областей оптического элемента, позволяющих получить визуальные изображения в заданном диапазоне коэффициента фрактальности: 1.3 < Б < 1.5.

Для моделирования итоговой формы оптического элемента, позволяющего получать визуальные изображения в заданном диапазоне значений их коэффициента фрактальности, можно композиционно составить геометрию, то есть итоговую форму оптического элемента из зон отвечающих заданным требованиям.

В тестовой модели оптического элемента областям, позволяющим получить изображения в заданном диапазоне значений коэффициента фрактальности соответствуют 80 % от общего числа - 60 исследованных зон.

Общий вид распределения диапазонов значений коэффициента фрактальности изображений исследованных областей тестового оптического элемента показан на рисунке 56.

Распределение Изображений Тестовой Модели Оптического Элемента По Значению Коэффициента Фрактальности, Э

И 1.3^<1.5 □ 0<1.3

Рисунок 56 - Диаграмма распределение значений коэффициента фрактальности изображений в исследованных областях тестового оптического элемента.

Координаты позиционирования лазерного пучка на тестовой модели оптического элемента в

экспериментальном исследовании и моделировании, а также значения коэффициента

фрактальности полученных изображений эксперимента в соответствии с координатами

положения оптического элемента относительно пучка лазера представлены в приложении 8.

В дальнейшем выявленные зоны модели нетрадиционного оптического элемента, отвечающие требованиям к диапазону значений коэффициента фрактальности D получаемого визуального изображения, могут быть объединены в единую поверхность оптического элемента, что позволит завершить этап моделирования нетрадиционного оптического элемента для задач светотерапии.

4.7 Выводы по главе 4

Проведен анализ произвольных форм, составляющих геометрию поверхности тестового нетрадиционного оптического элемента, с точки получения визуальных изображений.

Создана модель оптической системы в ПО Zemax для подтверждения принципиальной возможности моделирования нетрадиционных оптических систем.

Проведено экспериментальное исследование получения и фоторегистрации изображений с использованием экспериментальной лабораторной установки.

Изображения, полученные с помощью моделирования и экспериментального исследования, были обработаны с помощью ПО Matlab. По результатам было выявлено, что существуют различия модели и экспериментального изображения, которые возникают из-за погрешностей, связанных с технологическим процессом изготовления физической модели тестового оптического элемента, которые в дальнейшем можно устранить путем изменения технологии изготовления, использования более качественного сырья и дополнительного контроля процесса получения итоговой формы оптического элемента. Высокий уровень контроля к установке лабораторного оптико-электронного устройства позволит устранить погрешности, связанные с процессом фоторегистрации и использованием фотооборудованием в условиях эксперимента.

Проведен анализ изображений, полученных с помощью моделирования и экспериментального исследования на предмет совпадения значений коэффициента их фрактальности, который с учетом погрешностей тестового оптического элемента и возможных погрешностей при процессе фоторегистрации показал единую общую картину сопоставления результатов.

Проведен анализ областей поверхности тестового оптического элемента, формирующих визуальное изображение, которые показал значительный процент (80% от общего числа исследованных областей) формирования изображений, соответствующих требованию к значениям их коэффициента фрактальности и которые могут составить итоговую форму нетрадиционного оптического элемента формирования визуального изображения с заданными значениями коэффициента фрактальности изображения для задач светотерапии.

На основе предложенного метода моделирования нетрадиционного оптического элемента для задач светотерапевтического назначения возможно включать в итоговую геометрию оптического элемента или исключать из нее зоны для формирования структуры динамических визуальных изображений с различными заданными значениями коэффициента фрактальности получаемых изображений в зависимости от поставленной задачи светотерапии в будущем.

Определение значений коэффициента фрактальности D изображений соответствующим различным зонам тестового оптического элемент даст возможность формирования некой базы данных значений коэффициента фрактальности изображений и зон поверхности оптического элемента, позволяющих формировать оптические элементы. Такая база данных может быть использована для создания нетрадиционных оптических элементов для различных целевых направлений светотерапии, так как позволит формировать изображения с любыми диапазонами значений коэффициента фрактальности D получаемых визуальных изображений и их вариативными решениями.

Глава 5. Экспериментальное исследование оптико-электронного устройства

Релаксационный, восстановительный эффект естественных сцен подтверждается данными исследований активности головного мозга с применением электрофизиологических исследований, которые позволяют дифференцировать, например, стрессовые или восстановленные состояния. Критерием, позволяющим дифференцировать различные состояния, является амплитуда ритмов мозговой деятельности, где высокая активность (амплитуда) и выраженность альфа-ритма (а-ритма) связана с более низким уровнем физиологического возбуждения, ощущением характерным для релаксации, состоянием активного бодрствования. В свою очередь низкая активность а-ритма связывается с тревожными состояниям, с высоким уровнем возбуждением.

Для оценки эффективности применения оптико-электронного устройства формирования визуального динамического изображения, содержащего фрактальные структуры для оказания светотерапевтического воздействия необходимо провести экспериментальное исследование с применением лабораторной модели оптико-электронного устройства и современных методов электрофизиологических исследований.

5.1 Электроэнцефалограмма (ЭЭГ)

Наиболее эффективным в анализе деятельности мозга в условиях психофизиологических реакций является индивидуальный подход. Он позволяет получить и проанализировать электрическую активность мозга с учетом динамики, а также с учетом индивидуальных особенностей человека [72]. Применение физиологических методов позволяет получить базу экспериментальных данных для обширного диагностического анализа, предоставляет возможность проведения сравнения психологических факторов с биологической обусловленностью, кроме того, способствуют количественной оценке наблюдаемых изменений в работе организма человека как единой системы.

Среди методов электрофизиологических исследований наибольшее распространение получил метод регистрации и анализа колебаний электрических потенциалов мозга (биопотенциалов15 или биоэлектрических потенциалов, которые являются энергетической характеристикой взаимодействия зарядов в исследуемых тканях, например, в областях мозга), отводимых с кожных покровов головы — электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Данные ЭЭГ отражают низкочастотные биоэлектрические процессы, длительность которых составляет от 10 мс до 10 минут.

Регистрация ЭЭГ осуществляется с применением отводящих электродов, которые накладываются на кожные покровы головы. Все электроды объединены специальной

15 Измеряется не абсолютный потенциал, а разность потенциалов между двумя точками ткани, отражающая биоэлектрическую активность анализируемой области.

усилительной техникой в единую цепь. Полученные с выхода усилителей сигналы можно записать в память персонального компьютера для анализа и последующей статистической обработки [107].

В данном исследовании применялся референциальный (монополярный) способ регистрации ЭЭГ. В данном способе регистрируется разность потенциалов между точками проводящих электродов по отношению к одной индифферентной точке. В таком варианте проведения исследования регистрируются изменения потенциала с конкретного участка мозга. Функцию индифферентной точки выполняет участок поверхности лица (сосцевидный отросток височной кости черепа) или головы (в случае экспериментального исследования данной диссертационной работы - это мочки ушей.). В этой точке электрические процессы минимальны и их можно принять за ноль. В отличие от монополярного в биполярном способе, регистрируется разность потенциалов (в основном для локального анализа области патологии мозга) между двумя активными электродами. Активность мозга позволяет выделить ритмические колебания определенной частоты - ритмы.

• Альфа-ритм (а-ритм) — наиболее распространенный ритм. Характерная частота а-ритма 8-13 Гц со средней амплитудой 30-70 мкВ (может достигать 50-100 мкВ). Регистрируется у 8595% здоровых взрослых людей. В первую очередь он появляется и лучше всего выражен в затылочных отделах. Наблюдается и имеет наибольшую амплитуду в состоянии так называемого спокойного бодрствования, медитации, особенно когда глаза закрыты и в помещении обеспечено затемнение. Данный ритм может быть заблокирован или достаточно ослаблен в процессе повышения уровня внимания (особенно зрительного) и выполнении мыслительной задачи.

• Бета-ритм (Р-ритм) — характеризуется колебаниями ограниченными диапазоном от 14 до 30 Гц с амплитудой 5-30 мкВ. Данный вид ритма распространяется во всех зонах мозга и определяется во время различных видов интенсивной деятельности. Блокируется или редуцируется при двигательной активности или тактильной стимуляции.

• Гамма-ритм (у-ритм) — характеризуется колебаниями выше 30 Гц. Наблюдается при активной мыслительной деятельности, при максимальном уровне внимания, обучении.

• Тета-ритм (9-ритм) - характеризуется диапазоном частот 4-8 Гц с амплитудой 20-100 мкВ и выше. Выраженность ритма связана с поисковым поведением и выбором действий.

• Дельта-ритм (5-ритм) - характеризуется высокоамплитудными (сотни микровольт) волнами, сотнями микровольт и частотой 1-4 Гц. Обычно возникает во сне, также характерен для мозговой комы, наркотического сна и границ опухоли.

5.1.1 Анализ электроэнцефалограммы В ЭЭГ человека при его деятельности выделяют два направления анализа результатах.

Первое из направлений анализа - это сопоставление ритмов или частотного спектра ЭЭГ, которое определяет выраженность того или иного ритма относительно деятельности человека в настоящей момент времени. Это могут быть задания по выполнению задач мыслительной деятельности, ассоциативного тестирования, зрительных и слуховых ощущений, задания на запоминание и другие.

Второе из направлений - прямое сопоставление данных с развивающейся в условиях реального времени деятельности человека. То есть сопоставление амплитудно-временных характеристик полученных компонентов ЭЭГ, которые связанны с событием потенциалов (ССП) и с конкретными характеристиками процесса, который происходят в данный момент времени.

Во многом определяющее значение имеет сравнительный анализ биоэлектрических потенциалов, которые регистрируются одновременно в разных зонах мозга.

Сегодня программное обеспечение способно определить амплитуды ЭЭГ в каждом конкретном диапазоне частот (от - альфа - до дельта-ритмов) для каждого из отведений. Полученные в цифровом виде данные представляются в виде черно-белых или реже цветных шкал, переносятся на соответствующие области поверхности головы, где данные потенциалы были получены. Таким образом, можно определить в какой зоне мозга, в какой степени выраженности зафиксирована та или иная частота колебаний биопотенциалов.

Выбор визуальной стимуляции как способа воздействия также обусловлен эволюционной приспособленностью зрения человека к восприятию видимого света - узкой части диапазона электромагнитного излучения, однако позволяющего мозгу получать до 90% сенсорной информации.

5.2 Функциональное состояние

Понятие функциональное состояние16 (ФС) часто применяется в различных областях науки, которые не ограничиваются медицинскими направлениями - нейрофизиология, физиология и распространяются шире, охватывая психологию, эргономику и другие. В первую очередь это объясняется тем, что в любой из сфер жизнедеятельности человека любой вид его деятельности, и профессиональная - трудовая, и эмоциональная или физическая, успешность реализации любого из них зависит от ФС человека. ФС является неотъемлемой составляющей любой деятельности человека, эффективность которой всегда зависит от ФС. Иными словами

16 Функциональное состояние как термин, появился в сфере физиологии труда как описательная характеристика активирующих возможностей организма и сопряженных с его работой энергозатрат.

под ФС человека понимается комплекс функций человека . Эти функции напрямую или косвенным образом обусловливают реализацию деятельности человека [223]. Иными словами ФС является результатом взаимодействия человека с внешней средой. Оно отражает потенциал человеческого организма, который в свою очередь непосредственно определяет его деятельность. Кроме этого ФС может использоваться для характеристики эффективности деятельности человека [224].

Важной особенностью в системе взаимосвязи окружающей среды и человека является возникновение процессов в структурах мозга, которые отражают характерные для объектов и явлений среды свойства [225], то есть, являются реакцией на происходящее. На этом и на эволюционном процессе биофилии основывается влияние визуального окружения на человека [229].

Следовательно, определяющим фактором успешной жизнедеятельности человека является его ФС, которое отражает активность нервных центров, в частности фоновую активность, то есть активность нервных центрах на фоне которой осуществляется любая из видов деятельности. ФС - важнейшая и неотъемлемая часть абсолютно любой активности, в том числе и поведения человека в его повседневной жизни. ФС - коэффициент, определяющий эффективность выполнения различной активной деятельности человека, как отношение степени мозговой активности к степени эффективности активной деятельности человека.

Особо важно подчеркнуть, что высокая активность нервной системы не приводит к достижению более высоких результатов деятельности. Подобные результаты являются как раз показателем наиболее низкой ее активации, получившей название оптимальное ФС.

5.3 Экспериментальное исследование

Для подтверждения выдвинутой гипотезы исследования эффективности работы оптико-электронного устройства и метода формирования динамического визуального изображения было проведено экспериментальное исследование. Ожидаемые результаты успешности эксперимента - рост выраженности а-ритма испытуемых.

Проведенный исследовательский эксперимент является линейным. В такого рода экспериментах участвует одна группа испытуемых без контрольной группы и анализ основан

17

Понятия функциональных и психофизиологических состояний близки, так как развиваются у человека в процессе деятельности и затрагивают как его физиологические, так и психические стороны [226], а в конечном итоге определяют производительность деятельности и работоспособность человека [227]. Поскольку психофизиологическое состояние отражает уровень функционирования, как отдельных систем организма, так и всего организма в целом, поэтому целесообразно говорить не о психических или физиологических состояниях, а о функциональных состояниях человека [228].

на сравнении состояния контролируемых и зависимых переменных «до» и «после» экспериментального воздействия. Анализ проводится для той же группы.

Целью эксперимента является подтверждение расчетов моделирования и принципиальной возможности создания оптических элементов способных формировать световые поля адекватные по своим характеристикам фрактальности и свойствам естественной визуальной среды, а также оказания светотерапевтического воздействия по средствам применения предложенного оптико-электронного устройства для достижения эффекта схожему визуальному взаимодействию с естественной средой. Данный эксперимент не является клиническим исследованием, поскольку это не входит в экспериментальные задачи работы.

5.3.1 Метод и техническая база исследования

В качестве метода исследования влияния динамических визуальных изображений, содержащих фрактальные структуры, на физиологическое состояние человека в данной диссертационной работе был выбран метод электроэнцефалографических исследований. Метод позволяет качественно и количественно провести анализ деятельности головного мозга, его реакций при воздействии визуальных стимулов. Выбор продиктован прежде всего широким применением данного метода при изучении активности мозга, связанной с функцией восприятия.

В экспериментальном исследовании был применен электроэнцефалограф Мицар-ЭЭГ-202Ь (Рисунок 57) производства компании ООО «Мицар» и ПО '^пЕЕО (версия 2.11) [230]. Электроэнцефалографы экспертного класса Мицар-ЭЭГ-202 рекомендованы как для клинического применения, так и для научных исследований. Данное оборудование и ПО позволило произвести регистрацию данных ЭЭГ, ее обработку и анализ.

Ж я

©V

001 О' €

Рисунок 57 - Электроэнцефалограф Мицар-ЭЭГ 202 (слева);электроэнцефалограф в процессе его использования в экспериментальном исследовании[230].

Используемый в данной работе прибор оснащен 31 каналом ЭЭГ и 8-ю полиграфическими каналами. При регистрации данных ЭЭГ сигналы от каналов передаются в цифровом виде на компьютер и выводятся на дисплей устройства в виде кривых (Рисунок 58).

Рисунок 58 - Окно ПО '^пЕЕО. Запись, визуальный контроль и анализа ЭЭГ.

По завершении регистрации сигналов ЭЭГ сохраненные данные доступны для дальнейшего анализа. Выбранные для экспериментального исследования устройство и метод позволяют максимально полно и объективно провести анализ и оценить процесс восприятия визуальной среды, выявив и проанализировав активность работы ритмов мозга. Методика исследования, основанная на изучении характера активности ритмов мозга, и в первую очередь, а-ритма как основного оценочного показателя, дает возможность с высокой точностью оценивать и анализировать состояние и реакцию на стимуляцию респондента во время сеанса воздействия визуальным стимулом. Преимущество данной методики заключается в том, что запись данных ЭЭГ, регистрируемых в условиях реального времени, дает возможность последующего анализа всей активности мозга респондента с учетом временной статистики.

После регистрации проводится обработка полученных данных. В зависимости от характера и этапа регистрации данных эксперимента (фаза открытых глаз, закрытых глаз, фазы восприятия визуальной стимуляции) в программном обеспечении задаются временные интервалы показаний ЭЭГ для последующего сравнительного анализа.

5.3.2 Постановка задачи эксперимента

По полученным результатам данных ЭЭГ необходимо провести сравнительный анализ полученных данных, то есть сравнить количественные показания а-ритма в определенных отрезках: «до» сеанса визуальной стимуляции, «во время» и «после» нее при помощи построения спектров мощности или процентного соотношения распределения ритмов при помощи индексов ЭЭГ, сделать вывод о результате экспериментального исследования и сформировать заключение об эффективности применения оптико-электронной системы формирования динамического визуального изображения для задач светотерапии коррекции ФС.

5.3.3 Описание эксперимента В исследованиях использовалась система размещения электродов «10-20%», [231] с наложением на поверхность головы (скальп) 21 электрод (Рисунок 59). Система «10-20%» определяет стандартизированное размещение электродов на поверхности кожи головы. Данная

система рекомендована к применению международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии и международной федерацией клинической нейрофизиологии (IFCN). В ходе проработки методики эксперимента было решено использовать не все отведения по предложенной схеме, а ограничиться электродами, несущими максимальный объем информации о состоянии выраженности а-ритма.

Рисунок 59 - Схема расположения электродов по системе «10-20%».

Расположения электродов на поверхности головы: Б - лобная часть; С - центральная; Р-теменная; Т - височная; О - затылочная. Нечетные индексы - левая половина головы, четные индексы - правая, Ъ - средняя линия (слева, в центре).

Установка электродов на респондента по системе «10-20%» (справа).

Исследование проводилось на группе здоровых молодых людей в возрасте от 20 до 26 лет в количестве 20 человек. Согласно опросу респондентов на момент проведения эксперимента они имели хорошее самочувствие, не имели проблем со зрением и со здоровьем в целом. Запись ЭЭГ проводили от 18-ти отведений (Б7, Б8, Б3, Б4, С3, С4, Т3, Т4, С2, Т5, Т6, Р3, Р4, 01, 02, Fz, Оz) и двух референтных электродов, закрепляемых на мочки ушей и земляного соединения («земля»).

Всего использовался 21 электрод на установке, состоящей из усилителя с дополнительными полиграфическими каналами. Дополнительные средства включали: шлем головной для крепления электродов, токопроводящий медицинский гель, электроды в необходимом количестве, штатив для крепления усилителя и персональный компьютер с предустановленным ПО для визуализации и обработки сигнала электроэнцефалографа. Как отмечалось выше, в эксперименте осуществлялся монополярный способ регистрации, а референтными электродами являлись раздельные ушные электроды.

Экспериментальная часть исследования проводилась в помещении, оборудованном полусферическим экраном с диаметром 3 метра, что позволило полностью погрузить респондента в световую среду и задействовать механизмы периферийного зрения согласно оптимальным условиям зрительного восприятия.

В процессе эксперимента каждый из респондентов поочередно находился в кресле, в положении полулежа, которое обеспечивало комфортное восприятие визуальной стимуляции и минимизировало количество артефактов при регистрации данных ЭЭГ (Рисунок 60,61).

□I

Оптозлектронная система

Управление системой с ПК

\ /

Фрагмент экрана (купола)

Кресло для респондента 100x50x67 (поролон) Положение респондента - полулежа

\

Рисунок 60 - Принципиальная схема размещения оборудования и респондентов в

эксперименте

Рисунок 61 - Респонденты во время эксперимента (сверху); фотографии демонстрируемой светотерапевтической визуальной среды эксперимента (снизу).

Для создания светотерапевтической визуальной среды была применена лабораторная модель оптико-электронного устройства формирования динамического визуального изображения для задач светотерапии, созданная на основе использования описанного в главе 4 нетрадиционного оптического элемента сложной формы.

Эксперимент проводился в следующем порядке:

^ фоновая запись ЭЭГ (любая активность мозга, запись которой необходима для понимания состояния, находясь в котором обнаруживается либо нормальный, либо аномальный рисунок ЭЭГ) продолжительностью 120 секунд, при этом глаза респондента закрыты; ^ запись данных ЭЭГ, продолжительностью 120 секунд каждая (кроме описанных отдельно) проводилась в следующих состояниях респондентов:

• глаза открыты;

• глаза закрыты;

• глаза открыты, воздействие визуальной стимуляции в течение 120 секунд;

• глаза закрыты.

5.3.4 Анализ данных ЭЭГ исследования

Для корректной оценки данных ЭЭГ необходима фильтрация сигнала. Цель фильтрации - усиление или ослабление определенных частотных составляющих сигнала, то есть ритмов. Проведение фильтрации необходимо, так как распознавание в потоке данных ЭЭГ состояний возникновения и подавления определенных ритмов осложняется тем, что сигнал, регистрируемый с электродов, содержит помимо потенциалов, генерируемых мозгом, различного рода артефакты. Артефакты разделяют по типу их происхождения на физические (помехи от электрических полей, которые создаются устройствами передачи и эксплуатации промышленного электрического тока) и физиологические (мышечная активность, движения глаз).

Минимизация влияния физиологических артефактов на результаты экспериментов была достигнута за счет удобного, комфортного, физиологически правильного положения респондента, что позволило исключить случайные мышечные сокращения, связанные с неудобным положением тела.

Для подавления сетевой помехи (физических артефактов) и формирования полосы пропускания в пакете ПО '^пЕЕО был реализован цифровой метод фильтрации ЭЭГ с использованием режекторных фильтров, что позволило выделить сигнал в заданном частотном диапазоне.

В ходе исследования были выбраны и применены параметры предварительной фильтрации сигнала (режекторный 45-55 и 95-105 Гц, фильтр нижних частот и фильтр верхних частот 15Гц и 0,53Гц соответственно18). Применение данных фильтров позволило избежать большинства артефактов от электрических полей без потери полезного сигнала.

В каждой ЭЭГ за редким исключением обнаруживается несколько выраженных частотных составляющих, где энергию каждой из составляющих отражает спектр мощности

18 Фильтры верхних и нижних частот смоделированы на основе временного окна Ханна, что является частным случаем оконной функции при осуществлении преобразования Фурье.

ЭЭГ. С помощью определения этой энергии (спектра мощности) можно выделить частотные характеристики ЭЭГ и тем самым определить соотношение в ЭЭГ ее частотных компонент. Так же как при проведении частотного корреляционного анализа при проведении анализа спектральных характеристик ЭЭГ необходимо определить временной отрезок ЭЭГ и точность вычисления спектра.

После проведения записи для каждого респондента в каждом состоянии для анализа выбраны временные отрезки ЭЭГ в отрезках «до», «во время» и «после» воздействия визуального стимула, затем проводился их спектральный анализ, осуществляемый путем разложения сигнала на гармонические составляющие с помощью алгоритма быстрого

преобразования Фурье19 и применением методики перекрывания окон с параметром

20

длительности эпохи - 2 секунды , перекрывание эпох - 50%, и фильтрацией частот на основе временного окна Ханна.

На следующем этапе проводилось усреднение полученных спектров каждого временного отрезка по всем респондентам, то есть для результатов каждого респондента строилось три спектра мощности (по трем заявленным ранее временным промежуткам), затем спектры первого временного промежутка усреднялись между собой, аналогично усреднялись второй и третий временной промежуток. В итоге были получены три спектра мощности, отображающие мощность выраженности ритмов ЭЭГ для всех респондентов по трем временным промежуткам. Для каждого из этих промежутков представляется возможным построить график изменения мощности.

5.3.5 Результаты экспериментального исследования

Анализ полученных при эксперименте ЭЭГ позволил получить данные, демонстрирующие мощность выраженности а-ритма ЭЭГ для трех анализируемых промежутков («до», «во время» и «после» визуальной стимуляции), (Таблица 6,7,8), данные анализируемых промежутков для наглядности приведены на рисунках 62,63,64 соответственно.

После построения графиков отдельных отрезков, для полного анализа результатов эксперимента показано изменение выраженности а-ритма для всех трех промежутков для каждого электрода одновременно (Рисунок 65). На рисунке 66 показан график значений прироста мощности а-ритма по каждому электроду.

19 Быстрое преобразование Фурье - частный случай дискретного преобразования Фурье, которое широко применяется в алгоритмах цифровой обработки сигналов, а также в областях, связанных с анализом частот в дискретном сигнале.

20 Эпоха - произвольно выбранный период времени в записи ЭЭГ.

На рисунке 65 видно, что в анализируемом временном отрезке «после» визуальной стимуляции интенсивность а-ритма изменилась, мощность его выраженности возросла, что свидетельствует о положительном влиянии визуальной стимуляции на процесс формирования данного ритма и его стабилизацию.

Таблица 6 - Данные спектральной мощности ЭЭГ и частот максимума диапазонов для временного отрезка «до» визуальной стимуляции.

Отд Mfc ИЩ F7-A1 Ритмы

Дмьта (Delta) Тега (ТЬе1а) Альфа (Alpha) Бета! (Betal) Бета! (Beta2) Гамма (Gam та)

Мощность. 31кВЛ2 Частота Гц Мощность мкВ*2 2.41 Частота Гц 3.91 Мощность икВ2 3,47 ЧаСГОТа Гц 3.79 Мощность лкВ*] 0.55 Частот а. Гц 13.67 Мощность мкВ'2 0.24 Частота Гц 19.53 Î'IKE-I акт Частота Гц 75J9

146

F3-A1 S.26 146 467 3.91 3,06 3.79 0.93 13.67 0.34 19.53 0.05 29.79

Fz-Al 10.20 146 6.91 3.91 10,73 3.79 1 10 13.67 0..31 19.53 0.0.3 29.79

F4-A2 8J4 146 5.37 3.91 3,92 3.79 0.95 13.67 0.30 19.53 004 29.79

F3-A2 6.30 146 2.32 3.91 3,94 3.79 054 13.67 0.23 19.53 0.05 30.27

ТЗ-А1 1.S4 146 090 3.91 1,7 9.23 045 13.67 034 19.53 006 29.79

СЗ-А1 624 146 3.66 3.91 11,23 9.23 095 13.67 0.41 19.53 0.07 29.79

Сг-А2 9.73 146 646 3.91 16,49 9.23 1.15 13.67 0..33 19.53 004 29.79

С4-А2 6.77 146 4.13 3.91 11,77 9.23 0.37 13.67 0..32 19.53 004 29.79

Т4-А2 2.56 146 1.17 3.91 1,73 3.79 0.41 13.67 020 19.53 0.05 29.79

TJ-AI 3.24 146 1.79 7.32 3,36 9.23 0.55 13.67 0.16 19.53 0.0.3 29.79

РЗ-А1 6.77 1.46 407 7.32 25,65 9.77 0.96 13.67 0.23 19.53 004 29.79

Pi-Al S.75 1.46 5 49 7.32 37,94 10 74 120 13.67 0..33 19.53 0.0.3 29.79

P4-A2 7.IS 146 4.21 7.32 26,3 10.74 1.03 13.67 0.29 19.53 0.0.3 29.79

T6-A2 433 146 2.49 7.32 14,3 9.23 0.77 13.67 0.24 19.53 004 29.79

01-Al 5.73 1.46 3.05 7.32 19^2 9.77 0.36 13.67 0.27 19.53 004 29.79

ОШ 5.73 146 3.71 7.32 21Д 9.77 0.95 13.67 0.23 19.53 004 29.79

Oz-Al 5.52 146 3.4S 7.32 19,57 9.77 0.SS 13.67 0.26 19.53 0.0.3 29.79

Таблица 7 - Данные спектральной мощности ЭЭГ и частот максимума диапазонов для временного отрезка «во время» визуальной стимуляции.

Отведение Т7-АТ" Ритмы

Дельта (Delta) Тета (Thêta) Альфа (Alpha) Бета1 (Betal) Бета? (Beta2) Гамма (Gani та)

Мощность. Частота Гц Мощность икВ*2 Частот а. Гц Мощность "ТТГ" Частогга Гц 732 Мгшгао-сть. мкв*2 Частота Гц Мощность икВ ' I Частота Гц ïofl'2 Частота Гц

W62 ш 1232 3.91 065 1Ш ИЗ газз ЖЮ

РЗ-А1 27.32 1.46 9.55 3.91 4;33 7.32 0.37 13.67 054 19.53 0.09 29.79

Рг-А1 23.79 1.46 11.07 3 91 5;42 7.32 090 13.67 0.36 19.53 005 29.79

Р4-А2 24.63 146 S 61 3.91 3.39 7.32 0.77 13.67 040 19.53 0.07 29.79

РЗ-А2 30.65 146 7.59 3.91 2.34 7.32 0.53 13.67 0.36 19.53 009 29.79

ТЗ-А1 449 1.46 1.54 3.91 133 9.77 0 30 19.53 090 20.02 0.19 29.79

СЗ-А1 11.40 1.46 4.SS 3.91 526 1025 0.73 13.67 0.3 S 19.53 0.06 29.79

Сг-А2 16.01 1.46 7.50 3.91 .522 7.32 0.36 13.67 0.3 s 19.53 005 29.79

С4-А2 11.74 1.46 5.03 3.91 5Д5 1123 0.71 13.67 0.3 s 19.53 0.06 29.79

Т4-А2 3.99 1.46 1.34 3.91 ::27 7.32 0.79 15.14 074 19.53 019 29.79

Т5-А1 5.19 1.46 1.95 3.91 2;33 9.77 060 13.67 0.31 19.53 0.07 29.79

РЗ-А1 9.32 1.46 4.17 3.91 5 64 9.77 0.73 13.67 0.23 19.53 005 29.79

РгА1 12.63 1.46 5.75 3.91 6,73 9.77 0.35 13.67 0.31 19.53 004 29.79

Р4-А2 10.27 1.46 4.17 3.91 4.32 3.79 0 74 13.67 0.30 19.53 005 29.79

Т6-А2 5.32 1.46 210 3.91 2,57 3.79 0.79 13.67 049 19.53 010 29.79

01-А1 954 1.46 3.53 3.91 3,93 9.77 0 74 13.67 0.23 19.53 006 29.79

02-А2 9.96 1.46 3.56 3.91 3,77 9.77 0 74 13.67 0.27 19.53 004 29.79

02-А1 9.60 146 3.96 3.91 4,13 9.77 0.72 13.67 0.26 19.53 005 29.79

п

Таблица 8 - Данные спектральной мощности ЭЭГ и частот максимума диапазонов для временного отрезка «после» визуальной стимуляции.

0Шё: шш Ритмы

Лелы^ (Delta) Тетя (Thêta) Альфа (Alpha) Бета! (Betal) Бета2 (Beta2) Гамма (Gam та)

M о о; в О'Гть . лкВ'-З Чшгготн. Гц 1.46 МОШЕОСТЪ. икЕ*] 2.56 Чистогг н. Гц m Мощность. ЧиСТОТН. Гц Ыопшостъ. 0.51 Частот r_ Гц 13.67 Мощность. льВ*] 0.1S Частота. Гц 19.53 siÉ' з "ГОНГ Частота Гц 29J9

П-А1 4.63 3.79

F.i-Al 3.57 146 4.19 7J2 1.0.37 3.79 0.95 13.67 0.23 19.53 004 29.19

Fz-Al 1061 146 7.OS 7.32 .4.64 3.79 1.16 13.67 0.29 19.53 0.03 29.19

F4-A2 910 146 5.35 7.32 13.2 3.79 1.15 13.67 0.33 19.53 0.07 31.74

F3-A2 6.82 146 2.53 3.91 5.34 3.79 0.63 13.67 0.23 19.53 0.06 31.74

ТЗ-А1 2.24 146 0.99 3.91 2.15 3.79 0.42 13.67 0.25 19.53 005 29.19

СЗ-А1 6.53 146 4.05 7.32 1.4.53 3.79 0.96 13.67 0.30 19.53 004 29.79

Cz-A2 10.32 146 7.53 7.32 24.3 3.79 141 13.67 0.39 19.53 007 31.74