Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.17, доктор технических наук Акулов, Владислав Алексеевич

• Акулов, Владислав Алексеевич
• доктор технических наук
• 2013

Оглавление диссертации доктор технических наук Акулов, Владислав Алексеевич

Список основных условных обозначений и сокращений.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ. Ю

I. АНАЛИЗ СИСТЕМ ГЕНЕРАЦИИ ИСКУССТВЕННОЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НАЗЕМНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1. Общие положения.

1.2. Обзор систем генерации.

1.2.1. Центробежные машины для центрифугирования и ультрацентрифугирования.

1.2.2. Ротационные стенды.

1.2.3. Центрифуги среднего радиуса.

1.2.4. Центрифуги короткого радиуса.

II. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ В

УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ИСКУССТВЕННОЙ СИЛ ТЯЖЕСТИ.

2.1. Естественная сила тяжести как объект моделирования.

2.2. Структурно - функциональный анализ искусственной и естественной сил тяжести.

2.3. Выбор основных параметров состояний систем. ^

2.4. Оценка состояний протяженных объектов в условиях естественной силы тяжести.

2.5. Силовое взаимодействие протяжённых объектов с контактной поверхностью планет.

2.6. Оценка состояний протяжённых объектов в условиях искусственной силы тяжести.

2.7. Моделирование центробежной силы, приложенной к протяжённым объектам воздействия.

2.8. Анализ силовой нагрузки, приложенной к элементам нестационарного потока жидкости в сеансах вращения.

2.9. Методология оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести.

2.9.1. Концептуальные основы методологии оценки адекватности.

2.9.2. Критерий адекватности искусственной и естественной силы тяжести. Интегральная и локальная формы критерия.

2.9.3. Теоретико - множественный подход к верификации 5 - критерия.

III. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖКИ

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦКР.

3.1. Принципы построения системы.

3.2. Теоретико-множественный анализ сценариев управления.

3.3. Обобщённые алгоритмы прогноза и управления в однопараметрических задачах.

3.4. Алгоритмическое обеспечение однопараметрических задач управления.

3.5. Структурная схема системы управления и поддержки принятия решении.

3.6. Двупараметрические задачи.

Проблема Z - управляемости.

3.7. Система измерения артериального давления для гравитационной терапии.

IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ КЛАССА «ЧЕЛОВЕК - ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПЛАТФОРМЫ».

4.1. Интегральная оценка адекватности искусственной и земной силы тяжести.

4.2. Моделирование гравитации Луны и Марса в условиях орбитального полёта.

4.3. Моделирование механизма петехий.

4.4. Эффект асимметричных осцилляций магистральных сосудов

4.5. Теоретические и экспериментальные исследования систем «человек - ЦКР» в сеансах гравитационной терапии.

4.5.1. Постановка задачи исследований систем «человек — ЦКР» в сеансах гравитационной терапии.

4.5.2.Компьютерное моделирование сеансов гравитационнои терапии.

4.5.3. Сравнительные исследования периферического кровотока в сеансах гравитационной терапии и в условиях земной гравитации.

4.6. Методология обработки нестационарных сигналов в биомедицинских системах.

4.6.1. Постановка задачи. Динамическая адекватность.

4.6.2. Динамическая модель пульсирующего потока.

4.6.3. Одномерный анализ параметров пульсирующего потока.

4.6.4. Многомерный анализ параметров пульсирующего потока.

4.7. Моделирование пониженной гравитации в наземных условиях

4.7.1. Постановка задачи. Построение моделей наклонного стенда.

4.7.2. Результаты исследований.

4.8. Информационная модель систем «Экипаж космический аппарат с постоянной закруткой».

4.9. Мультигравитационное моделирование: концепция, компоновочная схема.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести»

Актуальность проблемы

Актуальность диссертационной работы определяется возрастающей потребностью со стороны космической и восстановительной медицины в системах с управляемой искусственной силой тяжести (ИСТ), создаваемой центробежными машинами (центрифугами). Как известно, центрифуги нашли широкое применение в нефтехимии, обогащении полезных ископаемых, пищевой промышленности, при испытаниях и тарировках приборов летательных аппаратов и в ряде других отраслей [81] - [83], [93], [106], [132], [151], [153], [158] - [160], [163], [164], [167], [183], [184], [188], [199].

Что касается медицинских систем, они представляют собой особое семейство центробежных машин. Во-первых, из всего их многообразия наиболее приемлемы центрифуги короткого радиуса действия (ЦКР). Во-вторых, что особенно важно, они являются стендами, создающими локальную среду ИСТ, в которую помещается человек. В результате формируется сложная система класса «человек - вращающаяся платформа», не имеющая аналогов в промышленных приложениях и обладающая весьма специфическими внутренними связями и закономерностями функционирования.

К специфике медицинских ЦКР относятся такие положения, как задачи целеполагания, конструкция, схемы управления, методики практического применения и научных исследований, информационное обеспечение, параметрическая безопасность и т. д. [69] - [71], [80], [112] - [117], [135], [198], [208], [219]. Как следствие, особую актуальность приобретает проблема построения единого методологического подхода к созданию, модернизации и эксплуатации систем данного класса, ориентированных на проблемы космической и восстановительной медицины. Однако такой целостный подход в настоящее время отсутствует, и особую значимость приобретают следующие задачи: построение методологии анализа и синтеза систем «человек - вращаюи щиеся платформы» наземного и космического применения; разработка принципов построения систем управления; создание информационного обеспечения сеансов вращения с получением прогностической и управляющей информации, учитывающей такие аспекты, как множество целей, размеры и расположение биомедицинских объектов относительно оси вращения; обеспечение параметрической безопасности биомедицинмких объектов на этапе подготовки к сеансам вращения. Необходимо отметить, что решение указанных задач затруднено целым рядом факторов. Основные из них - сочетание многообразия целей с относительной простотой принципа действия ЦКР, а также существенные различия в состоянии здоровья пациентов космической и восстановительной медицины. Как известно, космическая медицина имеет дело со здоровыми людьми. Её задачи состоят в предполётной подготовке, обеспечении здоровья и работоспособности людей в условиях Космоса и послеполётная реабилитация [69], [80], [86], [115] - [117], [127], [165], [220], [229], [239].

Восстановительная медицина (гравитационная терапия1) занимается проблемами здоровья качественно иной категории людей, которую образуют больные с различными патологиями (травмы, облитерации, возрастные изменения сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата) [3], [15], [23], [36], [70], [71], [114], [219]. Причём рост пациентов (взрослые и дети), а также локализация патологических участков изменяются в широких пределах. Тем не менее, имеются веские аргументы в пользу построения единого подхода к решению проблем, связанных с системами «человек-ЦКР».

Основные из них заключаются в следующем: а) общность схемных решений генераторов ИСТ (ЦКР);

1 Под гравитационной терапией (ГТ) понимается физиотерапевтическое воздействие на организм человека управляемой центробежной силой, создаваемой короткорадиусной центрифугой, в направлении «голова - ноги». б) объектом воздействия является человек, и, следовательно, диапазон перегрузок строго ограничен; в) периодичность сеансов вращения, и, следовательно, решение задач по оптимизации процедур воздействия; г) многочисленность существующих и перспективных пользователей систем с ИСТ: лечебно-профилактические учреждения, поликлиники, реабилитационные отделения, специализированные реабилитационные центры, профильные санатории, военно-медицинские госпитали, центры подготовки космонавтов, экипажи перспективных космических аппаратов; д) необходимость в накоплении и обобщении знаний о состоянии человека в среде с ИСТ различной интенсивности; е) множественность целей в сочетании с малочисленностью средств управления: конструктор и врач располагают лишь двумя основными средствами воздействия - частотой и радиусом вращения, причём диапазон их изменения строго ограничен, особенно в космических приложениях; ж) ) резервы повышения эффективности сеансов воздействия на биомедицинские объекты следует искать в следующих направлениях:

• совершенствование системы управления (принципы построения, схемы, алгоритмы);

• разработка информационных технологий (компьютерное моделирование, программные средства обработки информации);

• установление скрытых механизмов функционирования биомедицинских объектов, включая человека, в условиях ИСТ;

• целенаправленное использование позитивных механизмов и минимизации влияния негативных;

• поиск новых проектных решений самой центрифуги;

• построение и совершенствование систем измерения наиболее важных параметров биомедицинских объектов. з) обеспечение преемственности космических и наземных ЦКР: наземные ЦКР служат прототипами, а в перспективе средством отладки космических ЦКР и нового поколения медицинских методик; и) общность подходов к получению управляющей информации, основу которых составляют эксперименты с выполнением проб и постепенным увеличением гравитационной нагрузки от некоторого минимума до получения результата (ожидаемого эффекта);

Особой значимостью обладает общая для космической и восстановительной медицины задача создания информационного пространства состояний систем «человек - ЦКР» и его оснащение путеводителем (навигатором). Речь идёт о компьютерной модели, ориентированной на научно обоснованный поиск эффективных режимов вращения, обеспечивающих достижение многообразия целей, и нахождение границ, выход за пределы которых приводит либо к повреждающему воздействию со стороны ИСТ, либо к потере эффективности вследствие недостаточной интенсивности воздействия. Таким образом, ставится задача качественного перехода от методологии, базирующейся на экспериментах, к комплексной методологии, построенной на теоретико-экспериментальной основе с широким привлечением аналитических методов исследования и компьютерных технологий.

К числу актуальных проблем пилотируемой космонавтики относится физическое моделирование гравитации Земли, Марса и Луны в орбитальных полётах, как, например, на Международной космической станции (МКС) с помощью бортовой ЦКР [69], [80], [86], [115] - [117], [127]. Такое моделирование необходимо для решения ряда приоритетных задач, в числе которых отбор и тренировки экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, включая сложную последовательность вариаций гравитационной среды, и построение нового поколения методик медицинского обеспечения сверхдлительных полётов и межпланетных миссий.

Следует отметить два важных обстоятельства: в мировой практике отсутствует опыт создания бортовых ЦКР, а проектировщики ЦКР не располагают необходимым объёмом информации. Существующие подходы к оценке адекватности ИСТ и ЕСТ недостаточны для определения режимов вращения, воспроизводящих гипогравитацию планет. Трудности усугубляются тем, что управляющая информация является объектозависимой. В сложившейся ситуации особую актуальность приобретает следующие шесть групп задач.

Первая группа: разработка методологии оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести (ИСТ, ЕСТ) с учётом протяжённости объектов воздействия. Для точечных объектов такая методология существует. Её основу составляет параметр, известный в авиакосмических приложениях как перегрузка +Gz, а в технологических (промышленных) — как фактор центрифугирования Fr [131], [150], [152]. Адекватность формулируется в виде баланса (Fr), =(FR),, т. е. равенства на некотором радиусе центрифуги rf фактической величины фактора (Fr) с заданной величиной (FR). Как правило, в качестве rf выбирается периферийный радиус ротора [157], [158], [187], [198], [215].

Подобный подход полностью оправдал себя применительно к центробежным машинам (ЦбМ), предназначенным для воздействий на точечные объекты, как, например, приборы летательных аппаратов, а также для разделения суспензий. Как правило, именно на периферийном радиусе и осуществляется технологический процесс. Примерами служат процессы фильтрации и осаждения, получившие широкое распространение в различных предметных областях [81], [82], [151], [153], [158] - [160], [163], [183], [188], [199], [216]. Однако при усложнении задач, связанных с переходом к протяжённым объектам (ПО), но не относящимся к суспензиям, такой подход становится недостаточным по следующим трем основаниям.

• В отличие от пренебрежимо малого перепада перегрузок, свойственного точечным объектам, перепад перегрузок внутри ПО становится весьма значительным (0

• Как результат неопределенности, фактор Бг (+Ог) утрачивает критериальные свойства и переходит в разряд промежуточных параметров. Особую актуальность приобретают задачи поиска новых показателей, отражающих состояние систем, и разработки на их основе критериев адекватности ИСТ и ЕСТ (сходства и управляемых различий).

• Усложняется структура задачи по оценке адекватности, которая становятся двухуровневой. В дополнение к первому уровню, на котором осуществляется автономная оценка адекватности ЦбМ, как физической модели ЕСТ, и которая носит условный характер (баланс вида ), возникает необходимость в разработке второго, аналитического уровня. Его основные цели состоят в снижении последствий условности физического моделирования и выработке управляющей информации, обеспечивающей либо минимум отличий, либо заданные рассогласования.

Как следует из изложенного, в состав методологии оценки адекватности ИСТ и ЕСТ следует включить четыре компонента: а) разработку критериев адекватности (соответствия / рассогласования), ориентированных на три вида ЕСТ (Земля, Луна, Марс); б) разработку специализированного программного комплекса, содержащего критерии и обеспечивающего компьютерное моделирование в интересах широкого круга пользователей, прежде всего, проектировщиков и эксплуатационников, главные из которых врачи космической и восстановительной медицины и студенты старших курсов медицинских и технических ВУЗов; в) средства управления величиной ИСТ, обеспечивающие достижение двух основных целей: минимизацию отличий или заданные, причем разнонаправленные рассогласования, определённые в количественной шкале; г) методику верификации критерия и программного комплекса на предмет достоверности и обеспечения множества задач целеполагания.

Вторая группа задач: широкомасштабное информационное обеспечение систем с ИСТ. Накапливается столь значительный объем информации, включая выработку управляющей и прогностической информации, что возникает потребность в построении многофункциональной, проблемно -ориентированной информационно - аналитической системы (ИАС). Учитывая двухуровневую структуру задач по обеспечению адекватности ИСТ и ЕСТ, представляется целесообразным синтез системы управления (СУ) и ИАС в единую систему управления и поддержки принятия решений (СУППР).

При решении задач, образующих первые две группы, необходимо учитывать целый ряд специфических факторов систем с ИСТ медицинского назначения: распределенность объектов воздействий, т. е. соизмеримость их размеров с радиусом ротора ЦбМ, в результате которой методики, ориентированных на сосредоточенные (точечные) объекты, становятся недостаточными; неоднородность объектов воздействий, под которой понимается неоднородность линейной плотности массы и содержание гидравлических трактов (сосудов) с разнонаправленными циркулирующими жидкостями; распределенность и нестационарность внутриобъектного векторного поля ускорений; неопределенность в распределении функций между элементами систем генерации, обеспечивающих достижение целей; противоречивость между множественностью задач управления для множества объектов воздействий и малочисленностью эффективных векторов управления, обусловленную относительной простотой принципа действия центробежных машин; необходимость разработки и применения множества встроенных моделей, предназначенных для прогноза состояний объектов воздействий и выработки управляющей информации для настройки системы управления; необходимость построения алгоритмов обработки специфической информации, полученной в результате гравитационного воздействия; противоречивость требований, предъявляемых к системам генерации ИСТ; ограниченность масштабов привлечения опыта и знаний, накопленных при разработке и эксплуатации предыдущих поколений центробежных машин, прежде всего, промышленного применения.

Третья группа задач: обеспечение высокой технологичности и параметрической безопасности испытаний за счёт комплексных решений, включающих в себя конструкцию ЦКР, компьютерное моделирование, управление и систему измерений параметров биомедицинских объектов.

Четвёртая группа задач. В космических приложениях вторым источником ИСТ может служить закрутка космического аппарата (КА) вокруг центра масс (идея К. Э. Циолковского о «вращающемся жилище») [211]. В связи с этим представляется целесообразным исследование кинематики и динамики систем «экипаж - КА с закруткой» с учётом опытных данных, накопленных пилотируемой космонавтикой и медициной в длительных полётах с выходом в открытый Космос в скафандрах «Орлан» (Россия),

EMU» (США), и при работе по перемещению грузов и оборудования, доставленных транспортными кораблями типа «Прогресс». Пятая группа задач. Научно-техническое обеспечение широкомасштабных наземных экспериментов типа «Марс - 500», в которых моделируются условия межпланетной миссии [86], [131], [144], [165], [170], [185], [217], [220], [234], [239]. Современное состояние экспериментальной базы не позволяет воспроизвести один из основных и малоизученных факторов полёта, каковым является гипогравитация Марса. Что касается создания соответствующей базы (стендов), постоянное действие земной гравитации, превосходящей марсианскую по напряжённости более чем в два раза, является источником препятствий, которые пока не удалось преодолеть.

Уместно отметить, что по заявлению американских астронавтов, побывавших на Луне, стенды, предназначенные для моделирования гипогра-витации за счёт упругих подвесов, снижающих вес человека, оказались неадекватными.

Шестая группа задач. Создание и эксплуатация систем с ИСТ наземного и космического применения относится к наукоёмкой предметной области. Это определяет актуальность решения двух задач. Во-первых, обеспечение заданных свойств систем, определяемых медицинскими приложениям, на ранних этапах проектирования, а, во-вторых, подготовку высококвалифицированных кадров медицинского и технического профиля. В связи с этим необходима разработка информационного пространства состояний биомедицинских объектов, ориентированного как на научно — прикладные, так и образовательные проблемы.

• Таким образом, состояние проблемы характеризуется следующим. Отсутствует единая методология построения и эксплуатации медицинских систем с ИСТ наземного и космического применения, определяющая конструкцию, схемы управления и методы обработки информации.

• Отсутствует опыт проектирования и эксплуатации в космических полётах полноразмерных ЦКР. Между тем задачи целеполагания должны решаться на самых ранних этапах выполнения наукоёмких проектов. • При разработке методик космической и восстановительной медицины преобладает эмпирический подход. Компьютерное моделирование систем «человек - ЦКР», построенное на основе аналитических методов, означающее переход к теоретико-экспериментальному подходу, применяется в недостаточной степени. Это придаёт особую актуальность проблеме разработки методологии анализа и синтеза медицинских систем с управляемой ИСТ на основе системного подхода, применения методов моделирования в задачах прогноза и поиска решений, направленных на повышение их эффективности Объекты исследований:

- сложные мехатронные системы класса «Протяжённые объекты воздействия - короткорадиусные центрифуги» (ЦКР); сложная система «Экипаж — космический аппарат с постоянной закруткой».

Цель исследований: разработка на основе новых медицинских технологий методологии анализа и синтеза высокоэффективных медицинских систем с искусственной силой тяжести космического и наземного базирования, предназначенных для профилактики и лечения заболеваний человека, обусловленных поражающим действием невесомости, травм и ишемий, для выполнения биомедицинских экспериментов, прогноза состояний, обеспечения параметрической безопасности человека во вращающейся среде на ранних этапах проектирования за счёт конструкции, информационных технологий и схем управления. Основные задачи и направления исследований

1. Анализ и систематизация закономерностей функционирования и внутренних связей сложных технических систем класса «Вращающиеся платформы естественного и искусственного происхождения - протяжённые объекты». Построение их формализованных описаний.

2. Разработка методологии оценки адекватности искусственной и естественной силы тяжести применительно к протяжённым объектам воздействия.

3. Разработка принципов построения многоуровневых, многоканальных систем управления и поддержки принятия решений.

4. Компьютерное моделирование сложных систем класса «Человек — вращающиеся платформы» для повышения эффективности космической и восстановительной медицины.

4.¡.Адаптация моделей и критериев адекватности к специфике систем «Человек - вращающиеся платформы».

4.2.Разработка проблемно-ориентированного программного комплекса на основе адаптированных моделей с построением пространства состояний систем.

4.3.Прикладные исследования биомедицинских систем на режимах физического моделирования гравитации планет и их спутников.

4.4.Прикладные исследования скрытых механизмов функционирования биомедицинских объектов в условиях вращения.

4.5.Моделирование сеансов гравитационной терапии.

4.6.Разработка алгоритмов обработки нестационарных сигналов на основе аппроксимационных моделей и методов многомерного анализа.

4.7.Моделирование кинематики и динамики систем «Экипаж - космический аппарат с постоянной закруткой» с учётом реальных данных пилотируемой космонавтики и медицины.

5. Разработка научно-методологических основ проектирования и эксплуатации специализированных стендов, предназначенных для биомедицинских экспериментов с длительным моделированием гравитации Марса и Луны в наземных условиях.

6. Выработка научно обоснованных рекомендаций по обеспечению высокой эффективности и параметрической безопасности биомедицинских объектов в системах с искусственной силой тяжести наземного и космического применения за счёт конструкции системы и информационных технологий управления. Методы исследований. В работе применены методы системного анализа; теории автоматического управления; аналитической механики; дифференциального и интегрального исчисления; одно и многомерного анализа; математического и компьютерного моделирования с функциями описания, объяснения и прогноза; приёмы когнитивной графики; элементы теории множеств, непараметрического и регрессионного анализа. Основные положения, выносимые на защиту

1. Методология оценки адекватности воздействий искусственной и естественной сил тяжести в интегральной и локальной постановках.

2. Концепция, структура и алгоритмические основы системы управления и поддержки принятия решений, ориентированной на применение в перспективных медицинских системах с искусственной силой тяжести в условиях Земли и Космоса.

3. Научно-методологические основы проектирования и эксплуатации специализированных стендов, предназначенных для биомедицинских экспериментов по моделированию в наземных условиях пониженных уровней гравитации с применением качающихся и неподвижных наклонных плоскостей.

4. Концепция мультигравитационного моделирования в системах «Экипаж - космический аппарат с закруткой».

5. Методология обработки и сравнительного анализа нестационарных процессов в системе кровообращения на основе аппроксимации, непараметрических и многомерных методов анализа и распознавания образов.

6. Поливариантность отклика периферической системы кровообращения человека по отношению к направлению вращения вследствие эффекта асимметричных осцилляций сосудов, обусловленных действием нестационарного кориолисова ускорения.

Научная новизна

1. Методология оценки адекватности искусственной и естественной силы тяжести, отличающаяся переходом от баланса перегрузок к системным связям в форме закономерностей распределения жидких сред и силового взаимодействия на поверхности контакта с платформой. Это позволяет создавать новое поколение систем с искусственной силой тяжести, обладающее заранее заданными свойствами, определяемыми задачами космической и восстановительной медицины, осуществлять синтез систем управления и разрабатывать модели объектов.

2. Критерии адекватности реакций, обусловленных действием искусственной и естественной сил тяжести, основанные на сопоставлении приращений потенциальной энергии жидкости, заключённой в протяжённом объекте воздействий. Это позволяет решить задачи математического и физического моделирования гравитации планет и их спутников, синтеза системы управления, направленного поиска оптимизированных циклограмм лечебно-профилактических процедур, разработки методов активного устранения фактора невесомости и нового поколения методик подготовки экипажей к сверхдлительным полётам и межпланетным миссиям.

3. Методология синтеза системы управления и поддержки принятия решений, отличающаяся применением обобщённых алгоритмов управления, встроенных аналитических решений в форме моделей системных связей и двухканальной схемы управления. В предлагаемой схеме осуществляется автономное воздействие на процессы распределения жидких сред в объекте посредством изменения частоты вращения и на значение искусственной силы тяжести за счёт балластов и механических устройств, создающих управляемое усилие (натяжителей). Это позволяет повысить эффективность и безопасность короткорадиусных центрифуг как многофункциональных технических средств врача космической и восстановительной медицины.

4. Механизм функционирования систем класса «Человек - короткоради-усные центрифуги», названный автором «асимметричными осцилля-циями сосудов», обусловленный суперпозицией двух ускорений: центробежного и нестационарного кориолисова, возникающего в системе кровообращения при вращении. Это позволяет повысить эффективность ЦКР как инструмента врача космической и восстановительной медицины.

5. Математические модели стендов, обеспечивающих длительное, многосуточное моделирование гипогравитации в наземных условиях, отличающиеся применением эффекта разложения сил, осуществляемого неподвижной или качающейся наклонной плоскостью (наклонные стенды). Установлены проектные параметры, позволяющие реализовать наиболее простой по конструкции и технологии испытаний вариант, исключающий режим качания. Это позволяет создавать и применять наклонные стенды в медицинских экспериментах типа «Марс-500» и при подготовке космонавтов к осуществлению межпланетных миссий (Луна, Марс).

6. Способ одновременного моделирования гравитации планет, их спутников и невесомости на борту космических аппаратов с постоянной закруткой, названный мультигравитационным моделированием и отличающийся использованием неоднородности поля центростремительных сил. Это позволяет проектировать аппараты указанного класса и даёт возможность их применения в качестве уникальных космических лабораторий, обеспечивающих отбор и тренировки экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, включая межпланетные экспедиции.

7. Методология обработки результатов измерения параметров нестационарного кровотока, основанная на преобразовании сигналов в векторную модель малой размерности с последующим одно- и многомерным анализом параметров модели. Это позволяет применить упрощённые методы автоматизированного распознавания образов к оценке различий динамических процессов, обусловленных воздействием гравитационных полей различной интенсивности; выполнить более детальную классификацию систем «Человек - платформы»; увеличить объём информации, необходимой для выявления скрытых механизмов функционирования системы кровообращения и построения нового поколения её моделей.

Практическая значимость

1. Применение методологии анализа и синтеза систем с ИСТ позволяет:

• сократить сроки и стоимость работ их создания и ввода в эксплуатацию; • обеспечить заранее заданные свойства, определяемые проблемами космической и восстановительной медицины; • придать новое качество методологии подготовки и проведения лечебно-профилактических процедур и экспериментов за счёт аналитических методов, когнитивной графики и алгоритмов управления, преобразуя методологию из категории экспериментально-клинической в теоретико-экспериментально-клиническую; • выявлять скрытые механизмы функционирования систем «человек - вращающаяся платформа»; • группировать факторы воздействия на позитивные и негативные; • повышать эффективность восстановительной медицины за счёт целенаправленного использования позитивных факторов и управления эквивалентными точками, в которых за счёт ИСТ восстанавливается артериальное давление до уровня, соответствующего норме; • снижать последствия негативных факторов;

• формулировать направления дальнейших медико-технических исследований; • повышать качество обучения студентов медицинских и технических ВУЗов.

2. Применение методологии оценки адекватности ИСТ и ЕСТ позволяет выработать прогностическую и управляющую информацию, необходимую для подготовки и осуществления экспериментов по имитации гравитации Луны и Марса в условиях орбитального полёта. Эксперименты не имеют ближайших аналогов, предназначены для построения нового поколения систем медицинского обеспечения пилотируемой космонавтики, отбора и тренировок экипажей в условиях, максимально приближенных к реальным, повышения статуса РФ как космической державы.

3. Применение математических моделей наклонных стендов позволяет создать биомедицинское оборудование, обеспечивающее длительную имитацию гравитации планет при проведении наземных экспериментов типа «Марс-500», необходимых для отбора и тренировок членов экипажей межпланетных миссий.

4. Применение способа мультигравитационного моделирования позволяет осуществить одновременную и длительную имитацию гравитации Земли, Луны, Марса и невесомости, что превращает космический аппарат с постоянной закруткой в не имеющую аналогов уникальную лабораторию.

5. Применение разработанных методов моделирования позволяет обеспечить повышение эффективности медицинских систем с ИСТ за счёт оригинальных алгоритмов управления, информационных технологий и конструктивных решений.

Реализация результатов работы. Результаты работы применены в учреждениях практической, экспериментальной медицины и учебном процессе медицинских и технических ВУЗов:

•ФГУ Управления делами Президента РФ санаторий «Волжский утёс»;

•НУЗ «Дорожная клиническая больница на станции Самара»;

• отделение гравитационной терапии клиник СамГМУ;

•кафедра хирургических болезней №1 СамГМУ;

• Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет;

• Самарский государственный технический университет; Соответствующие акты приведены в приложениях А - Е. Апробация работы

Разделы и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских симпозиумах и конференциях.

1. VI-VII научная сессия «Внедрение результатов вузовской науки в производство», Самара, СГАУ, 1997 - 98.

2. IV международный форум «Стратегия здоровья: информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины 97», Москва, октябрь 1997.

3. VIII, X, XII - я межвузовские конференции «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, СамГТУ, 1998, 2000, 2002 г.г.

4. Международный конгресс и дискуссионный научный клуб «It + Me' 98», Крым, Гурзуф, 1998.

5.V Международный форум «Информационные технологии и интеллектуальное обеспечение медицины», Москва - Кемер (Турция), 2. 10 1998.

6. Всероссийская конференция «БИОМЕДСИСТЕМЫ - 99», Рязань,

1999.

7. XXVII Международная конференция IT + SE' 2000 «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе», Украина, Ялта - Гурзуф 2000.

8. Международная конференция «Научные и технологические эксперименты на спутниках «Фотон / Бион» Самара, СГАУ, 2000.

9. XII Межвузовская конференция «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара, 2002.

10. XXV Annual International Gravitational Physiology Meeting, 2004, Moscow, Russia.

11. Научно-практическая конференция «Самара космическая» в рамках III ярмарки ПФО «Российским инновациям - российский капитал», Самара, апрель 2005.

12. Шестой Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Сочи, 1 - 7 октября 2005.

13. VIII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Сочи, 3-6 октября, 2005.

14. Пятый международный зимний симпозиум по хемометрике "Modern methods of Data Analysis", Самара, СамГТУ, 16-22 февраля 2006.

15. Десятая ежегодная сессия Научного центра сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева РАМН, Москва, 14-16 мая 2006.

16. Ill, VI Всероссийские научные конференция «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара, 2006, 2009.

17. II Всероссийская конференция с международным участием «Ин-фокоммуникационные и вычислительные технологии и системы», Улан-Удэ, 1-10 июля 2006.

18. «Инновации в условиях развития информационно - коммуникационных технологий», Сочи, 1-10 октября 2006.

19. Международная конференция «Актуальные проблемы трибологии». Самара ,6-8 июня 2007.

20. Международные конференции Инфо - 2007, Инфо 2008 «Инновации в условиях развития информационно - коммуникационных технологий» Сочи, 2007, 2008.

21. Международная конференция «Научные и технологические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках

SPEX 2008». Самара, СГАУ, Поволжское отделение Академии космонавтики, European Space Agency, 2-5 сентября 2008.

22. Международная конференция «Информационно - измерительные и управляющие системы» (ИИУС - 2010). Самара, Самарский государственный технический университет. 17-21 мая 2010.

23. VIII Международная научная конференция «Синергетика природных, технических и социально- экономических систем». Тольятти, Поволжский государственный университет сервиса. 28 - 29 сентября 2010.

24. Конференция «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ - 2010)». Самара. СГАУ, сентябрь - октябрь 2010.

25. Региональная научно-практическая конференция, посвященная 50 - летию полёта человека в Космос. Самара. Самарский государственный аэрокосмический университет. 14-15 апреля 2011.

26. Международная научно-практическая мультиконференция «Управление большими системами» (CASC'2011). Москва, институт проблем управления РАН, 14-16 ноября 2011.

27. Международная конференция «Информационно - измерительные и управляющие системы» (ИИУС - 2012). Самара, Самарский государственный технический университет. 29 - 31 мая 2012 г.

28. Международный научно-технический форум, посвящённый 100 — летию ОАО «Кузнецов» и 70- летию СГАУ. Самара, Самарский государственный аэрокосмический ун-т им. акад. С. П. Королёва (национальный исследовательский университет). 5-7 сентября 2012 г.

29. Научно- технические семинары с участием космонавтов, дублеров и испытателей в Государственном научном центре РАН Институте медико-биологических проблем (ГНЦ ИМБП); Научном геоинформационном центре РАН РФ; Государственном научно -исследовательском и испытательном институте военной медицины Министерства обороны Российской федерации (Гос НИИ ВМ МО РФ); Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королева (национальном исследовательском университете): кафедры теоретической механики, аэрогидромеханики, динамики полета, системотехники; Самарском государственном техническом университете (СамГТУ): кафедры механики, информационных технологий, прикладной математики и информатики, физики, автоматики и управления в технических системах (АУТС), вычислительной техники, информационно-измерительной техники; санатории «Волжский Утес»; поликлинике Аппарата управления делами Президента РФ, ГНЦ Институте сердечно - сосудистой хирургии им. Бакулева, Самарском государственном медицинском университете (СамГМУ): кафедры хирургических болезней №1, пропедтерапии, травматологии и ортопедии, лучевой диагностики.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в монографии (издательство «Машиностроение» г. Москва) и 89 статьях и докладах, включая 17 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (242 наименования), приложений, изложенных на 305 страницах, имеет 58 рисунков и 62 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Приборы, системы и изделия медицинского назначения», Акулов, Владислав Алексеевич

Основные результаты анализа состоят в следующем.

• В точках z = 0; 0,4; 0,9 происходит статистически значимый эффект отклика на ортопробы (критерии знаков и Вилкоксона).

• Весьма значительная по объему статистика JICK, накопленная медициной в позе «лежа», оказывается малопригодной для решения задач динамической адекватности.

• Сформированы типовые данные (прототипы норм), характеризующие динамическую компоненту ИСТ (антеградный и ретроградный потоки) с учетом распределенности по z для четырех групп испытуемых, отличающихся полом и возрастом.

4.6.4. Многомерный анализ параметров пульсирующего потока

Разработана система классификации и распознавания, основанная на следующих положениях.

A. Классификация объектов (моделей JICK) выполняется с помощью кластерного анализа на основе стратегии «ближнего соседа».

B. Непротиворечивость классификации оценивается методами дискрими-нантного анализа.

C. Задача по отнесению неизвестного (нового) объекта к одному из рассматриваемых классов решается методами дискриминатного анализа с привлечением обучающих алгоритмов.

D. Отладка и тестирование системы распознавания осуществляется на реальных исходных данных, полученных в результате выполнения ортопроб в профессиональной программной среде Stadia 6.0 [120], [121], [134].

На рисунке 4.13, показан типовой пример дендрограммы, полученной в результате кластерного анализа. Объекты № 1 - 4 представляли JICK, зарегистрированную в положении «лёжа», а объекты № 5 - 8 - «стоя», т. е. в соответствии с одномерным анализом заведомо другую систему. Кластерный анализ осуществил безошибочное распределение объектов на два класса (области А и В).

Рисунок 4.14 - Результаты кластерного анализа (типовая дендрограмма). По оси абсцисс отложены номера объектов, по оси ординат - евклидовы расстояния

Как показал дискриминантный анализ, в случае привлечения обучающих алгоритмов обеспечивается уверенное распознавание неклассифицированных объектов и их отнесение к соответствующему кластеру. Кроме того, подтверждена непротиворечивость классификации, выполненной методами кластерного анализа с привлечением стратегии ближайшего соседа.

Обобщим полученные результаты.

1. Разработана информационная технология, ориентированная на решение задач «динамической» адекватности, которые преобразовались в разновидность задач автоматизированного распознавания образов. Выполнена ее отладка и апробация на реальной информации.

2. Целесообразна разработка и осуществление серии междисциплинарных экспериментов (техника - медицина) по углубленному исследованию ЛСК в контрольной группе людей (10-15 человек) по схеме «клиностатика - орто-стаз - центрифуга» с применением предлагаемых инструментальных средств обработки данных.

4.7. Моделирование пониженной гравитации в наземных условиях

4.7.1. Постановка задачи. Построение моделей наклонного стенда

Специализированные технические средства (стенды), осуществляющие физическое моделирование пониженной гравитации, необходимы для наземной подготовки экипажей по программам освоения Луны и Марса с многосуточным пребыванием людей на их поверхности [69], [80], [86], [115] - [117], [127], [131], [144], [165], [170], [185], [217], [220], [229], [234].

Проблема состоит в создании гипогравитации на фоне постоянно действующей земной гравитации, существенно (в несколько раз) превышающей гравитацию планет. Предлагается решение, использующее известное свойство наклонной плоскости осуществлять разложение силы тяжести.

Если Р,Р, - сила тяжести ПО на поверхности Земли и планет, соответственно, то задача сводится к разработке схемы стенда, обеспечивающей соотношение сил вида

Р, Для её решения привлечены свойства наклонной плоскости осуществлять разложение силы Р на компоненты N,FCK (рисунок 4.15).

Объект исследований

Ось качания

Рисунок 4.15 — Расчётная схема наклонного стенда (НС) в фазу «спуск»

Баланс сил в векторной форме с учетом силы трения Fmp , возникающей при движении, принимает вид:

FcK-Fmp=Pi . (4.6)

Очевидно, что если О Моделирование пониженной гравитации (наклонная иммерсия).

Уравнение движения объекта по наклонной плоскости, полученное из (4.6), имеет вид: т + mt) gsina + /j(m + mt)gcosa = J3mg. (4-7)

Здесь m, mt - соответственно масса объекта и вспомогательного оборудования, сопряжённого с объектом; ц - коэффициент трения; знак «—» относится к фазе «спуск», знак «+» - к фазе «подъём».

Таким образом, задача сводится к определению углов установки а как функции ряда переменных с декомпозицией массы на собственную массу (т) и массу дополнительных устройств (mt ), в числе которых грузы, приборы, скафандры и т. п.

Решение (4.7) найдено в виде:

• Р 1 а = arcsin-arceos --/4 g\ где y/=mt / т; знаки «+», « —» относятся соответственно к фазе «спуск» и «подъём». Процедура решения приведена в приложении 4.1.

Отметим четыре отличия (4.7) и (4.8) от известных моделей наклонных плоскостей.

• Модель зависима от массы объекта \|/.

• Наклонная плоскость стала качающейся относительно оси вращения (рисунок 4.15 и знаки «+» и «-» в (4.7), (4.8)).

• Основным фактором, определяющим размах колебаний угла а, является трение (см. (4.8)).

• Процесс качания плоскости следует синхронизировать с фазами движения объекта по плоскости («спуск» - «подъём», см. (4.7), (4.8)).

Моделирование выполнялось на численных моделях наклонного стенда, которые получены из (4.7) разложениями функций Sin a, Cos а в степенные ряды с удержанием первых трёх членов. Полученные уравнения были решены методом простых итераций (Приложение 4.2).

Численная модель стенда в фазу «спуск» имеет вид системы: ап+\ =ап+ С((0,0083а£ -0,0417//аЛ4 -0,1667а;] +0,5рагп +ап -РУ, \ (4.9) ап+\ > arctg ju. Г

Здесь п - число итераций, определяемое из условия \an+l-a„\

Аналогичным образом записывается модель стенда в фазу «подъём» (Приложение 4.2). Отличия заключаются в знаках при членах, содержащих ц, что непосредственно следует из (4.7). В целях сокращения изложения эту модель не приводим.

4.7.2. Результаты моделирования

Исследованы как статические, так и динамические характеристики применительно к планетам Марс и Луна (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 — Зависимость угла установки наклонной плоскости от коэффициента трения

Обозначения: ♦ - «Марс», спуск; ■ - «Луна», спуск; — «Луна», подъём;

Л - критический угол установки плоскости: акрит =arctgju (самоторможение) а

Установлены следующие закономерности.

1. Физическое моделирование пониженной гравитации (статика) достигается при углах наклона плоскости 22° (Марс) и 10° (Луна), которые изображаются точками на оси ординат.

2. В фазу спуска угол а следует увеличивать для компенсации силы трения, а в фазу подъёма - уменьшать. Уменьшение показано только для позиции «Луна» (пунктирная линия, рисунок 4.16).

3.С ростом коэффициента р. вариации углов возрастают. При ц > 0,05 размах колебаний плоскости становится соизмеримым с номинальным значением (точки на оси ординат), и следует применить управляемое качание, синхронизированное с фазами движения объекта.

4. При ц > 0,08 наступает режим самоторможения, исключающий имитацию движения объекта в условиях Луны.

5. При < 0,02 от режима качания можно отказаться, что существенно упрощает конструкцию стенда и технологию испытаний. Современная триботехника такие режимы обеспечивает [193].

Результаты моделирования позволяют рекомендовать предлагаемую методику для применения в наземных программах типа «Марс - 500», ориентированных на научные исследования и тренировки людей в условиях пониженной гравитации.

4.8. Информационная модель систем «Экипаж - КА с постоянной закруткой»

Задача целеполагания по оценке габаритов и режимов вращения космического аппарата формализована в виде системы

О)2 г = g±a Баланс ускорений ; —► — ->• —* (4.10)

V отн ? ¿у] ~ 0. Отсутствие W кор ■

Взаимообусловленность параметров шиг определяет два варианта решения задачи. Вариант 1: в качестве аргумента выбирается ш. Тогда зависимой переменной становится внешний радиус КА:

Я = ё/(о2. (4.11)

Вариант 2: задаётся Я и зависимой переменной становится ш: ю=±Л>Л. (4.12)

В качестве типового объекта выбран КА, выполненный по схеме «Колесо»

116], которое представляет собой тор, соединённый системой радиальных переходов (рисунок 4.17).

Обозначения: направление Voth, направление Бкор.

Рисунок 4.17 — Схема действия Fkop на КА типа «Колесо»

К достоинствам такой схемы относится значительная свобода перемещений членов экипажа: движение к центру вращения или к периферии (позиции III и I), в обоих тангенциальных направлениях (позиции II, IV), с грузом и без него.

Если следовать рекомендациям космической медицины (КМ), согласно которым n ~ 1 - 2 об/мин (ш ~ 0,105 - 0,209 с-1) [115], [116], то, применив формулу (4.11), получим R ~ 890. .224 м, что в настоящее время не приемлемо.

Результаты оценок кинематических и динамических параметров, выполненных по варианту 2 (4.12)) для четырёх значений R, которые представляются реальными на современном этапе, приведены в таблице 4.5. * t

II, м 20 30 40 50

1 со, с"1 0,7 0,6 0,5 0,4

2 П, об / мин 6,7 5,5 4,7 4,2

3 17 14 12 И

Как следует из таблицы, диапазону 20 м < Я < 50 м соответствует диапазон: 0,4 ^ ш < 0,7 с-1. Отличия от нормы (Земля, со = 7,3 •Ю-5 с"1) составляет четыре порядка. Известно (КМ), что в таких условиях возникает проблема многосуточной (6.8 суток) адаптации экипажа, сопровождающейся существенной потерей работоспособности [117].

Закрутка КА оказывается весьма проблематичной не только с медицинской, но и научно-технической точки зрения. В отличие от земных условий, к телу, перемещающемуся в закрученном КА, будет приложено весьма значительное кориолисово ускорение (таблица 4.5, строка 3). Имеющиеся данные космонавтики позволяют оценить значение кориолисовых сил (Бкор), возникающих при реальных скоростях перемещений и массах современных скафандров («Сокол» (10 кг), «Орлан» (110 кг), «ЕМИ» (136 кг)).

Как следует из рисунка 4.18, значения Бкор достигают 70 - 450 Н, т. е. нескольких десятков процентов от веса человека. Как результат, экипажу предстоит преодоление ряда затруднений при выполнении таких рутинных операций, как перемещения. При радиальных перемещениях (позиции III, I) необходимы трапы и смена поз по схеме «голова вперед, разворот на 180 град, голова назад» (рисунок 4.19). Кроме того, движение без участия рук становится невозможным (аналог пожарная лестница на стенах домов). Следовательно, возникнут затруднения с переносом грузов, а их суммарная масса составляет порядка 1500 кг (см. грузовой корабль «Прогресс»).

Осложнится подготовка и выход в открытый Космос, принятие мер при нештатных ситуациях. Потребуются тренировки экипажей по выработке весьма специфических навыков пребывания во «вращающемся жилище».

Ркор, Н

Обозначения: - V = 0,8 м/с, ■ -V- 1,2 м/с, Л- У= 1,8 м/с

160

200

Суммарная масса, кг

Рисунок 4.18 — Влияние массы и скорости движущегося в КА «Колесо» объекта на значения кориолисовой силы При тангенциальных перемещениях (рисунок 4.19, позиции II, IV) необходимо выбрать «оптимальный» маршрут. В варианте движения, обозначенном позицией И, кориолисова сила снижает вес (аналог спуск с горы), а в другом (позиция IV) - его увеличивает (подъем в гору). При этом следует учитывать данные, приведенные на рисунке 4.18, которые свидетельствуют о весьма значительных значениях подобных корректировок. ъ

Рисунок 4.19 - Проблемы перемещения экипажей по КА с закруткой Таким образом, практическая реализация идеи К. Э. Циолковского о «вращающемся жилище» проблематична и требует выполнения значительного объёма междисциплинарных исследований (техника - медицина) по поиску компромиссных решений. Из трех факторов, определяющих модуль кориоли-совых сил (т, Уотн, со), реально снижение угловой скорости, что означает решение сложной междисциплинарной задачи по поиску значений минимальной «весомости» (минимум g).

4.9. Мультигравитационное моделирование: концепция, компоновочная схема

Предлагается разновидность гравитационного моделирования, основанная на использовании неоднородности поля ИСТ (рисунок 4.20). Если на периферийном радиусе создать напряженность, равную земной то найдутся такие радиусы которым соответствуют напряженности полей Марса и Луны.

Это позволит на одном КА, одновременно, в течение длительного времени (часы, сутки) моделировать гравитацию планет. 10,00 сч

У 9,00 Е

8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00м

Рисунок 4.20 - Пример схемы, иллюстрирующей процедуру мулътигравитационного моделирования Подобный подход, названный мультигравитационным моделированием

ММ), существенно повышает эффективность закрученных КА как научных лабораторий по проблемам пилотируемой космонавтики и, тем самым, в опре

На рисунке 4.20 приведен пример компоновочной схемы модернизированного аппарата типа «Колесо», выполненного с применением технологии ММ, а в таблице 4.6 - исходные данные, необходимые для проектных оценок КА, использующих технологию ММ при 30 м < Я < 100 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнены анализ, формализация и систематизация закономерностей функционирования и внутрисистемных связей сложных систем класса «Протяжённые объекты - вращающиеся платформы естественного и искусственного происхождения». Показана целесообразность системного подхода к проектированию, эксплуатации и модернизации систем с учётом, как собственных компонент платформ, так и пространства состояний объектов воздействий.

2. Разработана методология оценки адекватности искусственной и естественной сил тяжести, состоящая из концепции, критериев и проблемно ориентированной информационно - аналитической системы. Основу концепции составляет энергетический подход к оценке состояний объектов воздействия, обобщающий существующую оценку по максимальной перегрузке, генерируемой центрифугой, а критерии построены на принципах агрегатирования моделей вращающихся платформ и протяжённых объектов, содержащих гидравлические тракты и обладающих распределённой массой.

3. Разработана концепция и общая структурная схема системы управления и поддержки принятия решений для короткорадиусных центрифуг медицинского назначения, отличающаяся применением аналитических методов, представленных в форме моделей системных связей, реализованных в виде обобщённых алгоритмов прогноза и управления, и двухканальной схемы управления.

4. В предлагаемой схеме управления предусмотрено существенное расширение границ пространства состояний объектов исследований, включая человека, достигаемое автономными воздействиями на процессы распределения жидких сред посредством частоты вращения и на значения силовой нагрузки на границе раздела «объект — платформа» за счёт балластов и механических устройств, создающих управляемое усилие (натяжителей).

5. Выполнена адаптация предлагаемой методологии исследований к сложным объектам класса «Человек — вращающиеся платформы» с созданием прототипа качественно нового технического средства в виде автоматизированной информационно - аналитической системы, являющейся прогностическим инструментом врача и источником командной информации. В результате её апробации на реальной информации получены новые знания о системных связях и механизмах функционирования указанных объектов: системы, выполненные с учётом предлагаемых в диссертации рекомендаций, осуществляют моделирование трёх физических процессов: приближённую замену гидростатического давления крови, обусловленного гравитацией (Земля, Луна, Марс), инерционным; частичную имитацию кинематики лечебного бега, при сохранении постоянными положения испытуемого и режима вращения; воспроизведение и вариацию в широких пределах силовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат; впервые получена прогностическая и управляющая информация, необходимая для подготовки и осуществления биомедицинских экспериментов с физическим моделированием гравитации Земли, Луны и Марса в условиях орбитального полёта; впервые выполнено моделирование сеансов гравитационной терапии (травматология), позволившее установить ряд механизмов позитивного воздействия искусственной силы тяжести и определить пути повышения эффективности за счет конструкции ротора, системы управления и поддержки принятия решений; разработана методология сравнительных испытаний по оценке параметров периферического кровообращения в условиях земной гравитации и в сеансах вращения, позволившая получить новые знания, а также оценить достоверность предлагаемого критерия адекватности и подтвердить гипотезу об эффекте локомоции; выявлен гидромеханический эффект, названный «асимметричными ос-цилляциями сосудов», обусловленный нестационарностью результирующего векторного поля ускорений и полиинвариантностью внутрисистемных процессов по отношению к направлению вращения, заключающийся в динамическом сближении и разнесении артерий и вен с частотой сердечных сокращений; установлена природа петехий конечностей, которая заключается в высокой чувствительности приращения потенциальной энергии крови к вариациям частоты вращения и роста испытуемого (в квадрате и кубе, соответственно), приводящей при их неблагоприятных сочетаниях к значительному превышению максимально допустимого уровня периферического давления; дано объяснение природы специфического эффекта, который заключается в отсутствии дискомфорта у человека, находящегося на центрифуге в условиях относительно интенсивного вращения (со « 3,5 с 1), что способствует расширению области прикладных исследований в восстановительной и космической медицине.

6. Показано, что моделирование гравитации Земли с помощью закрутки космического аппарата сопровождается целым рядом негативных эффектов, обусловленных возрастанием кориолисовых сил. В их числе, существенные затруднения при подготовке и осуществлении выхода в открытый Космос в скафандрах класса «Орлан» и «EMU», перемещениях экипажа внутри аппарата с грузом и без него, принятии экстренных мер при нештатных ситуациях.

7. Предложена концепция, названная мультигравитационным моделированием, использующая неоднородность поля центростремительных ускорений аппаратов с закруткой, для осуществления биомедицинских экспериментов с одновременной и длительной имитацией гравитации Земли, Луны, Марса и невесомости в орбитальном полёте.

8. Разработаны аналитические и численные модели стендов, обеспечивающих длительное, в течение многих суток моделирование пониженной гравитации в наземных экспериментах типа «Марс - 500» за счёт эффекта разложения сил, осуществляемого неподвижной или качающейся наклонной плоскостью (наклонные стенды). Установлены проектные параметры, позволяющие реализовать наиболее простой по конструкции и технологии испытаний вариант, исключающий режим качания.

9. Разработаны научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности систем с искусственной силой тяжести медицинского назначения. Основные из них: применение системы управления и поддержки принятия решений, преобразующей медицинские методики из экспериментальных в теоретико - экспериментальные; реверсирование вращения; применение наклонных стендов, технологии мультигравитационного моделирования; осуществление междисциплинарных исследований нестационарных процессов в различных гравитационных средах, включая сеансы вращения человека, с обработкой информации по методу многомерного анализа аппроксимацион-ных моделей.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Акулов, Владислав Алексеевич, 2013 год

1. Адлер, Ю.П. Обзор прикладных работ по планированию эксперимента Текст. / Ю.П. Адлер, Ю.В. Грановский. Препринт №1. - М.: Изд-во МГУ, 1967.-96 с.

2. Айзерман, М.А. Классическая механика Текст. / М.А. Айзерман. М.: Наука, 1980.-367 с.

3. Акулов, В.А. Мехатронные системы генерации искусственной силы тяжести наземного и космического применения Текст. / В.А. Акулов // Под ред. Г.П. Аншакова. -М.: Машиностроение, 2011. 161 с.

4. Акулов, В.А. Гидромеханические и информационные аспекты гравитационного моделирования протяженных объектов Текст. / В.А. Акулов // Известия Самар. науч. центра РАН. Т. 11 (31). - Вып. 5. - 2009.-С. 89-93.

5. Акулов, В.А. Информационная система по проблемам гравитационного моделирования протяженных объектов Текст. / В.А. Акулов // Журнал Средневолжского математического общества. Саранск: СВМО, 2009.-Т. 11.-№2.-С. 49-56.

6. Акулов, В.А. Автоматизированная информационная система для гравитационного моделирования распределенных объектов Текст. / В.А. Акулов,

7. A.И. Бурихин, П.Н. Куприянов // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды 6-й Всероссийской научной конференции с международным участием. Самара: СамГТУ, 2009. - Ч. 4. - С. 8-15.

8. Акулов, В.А. Анализ отклика гемодинамических параметров человека на ортостатические пробы в интересах авиакосмической медицины Текст. /

9. B.А. Акулов // Шестой Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике. Сочи, 1-7 октября 2005. С. 59-65.

10. Акулов, В.А. Аппроксимационная модель пульсовой волны Текст. / В.А. Акулов // Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Матер, науч.-практ. конф. «Инфо -2006», Сочи, октябрь 2006. М: МИЭМ, 2006. - С. 133-135.

11. И. Акулов, В.А. Вычислительный эксперимент в гравитационной терапии Текст. / В.А. Акулов // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: Тез. докл. Всерос. научно-техн. конф. «БИО-МЕДСИСТЕМЫ-99». Рязань: РГРА, 1999. - С. 58.

12. Акулов, В.А. Гравитационная терапия: четыре аспекта моделирования гемодинамики конечностей Текст. / В.А. Акулов // Вестник Сам. гос. аэро-космич. ун-та им. акад. С.П. Королёва. 2004. - № 1 (5). - С. 61-67.

13. Акулов, В.А. Двойной скрининг-тест и проблемы ранней диагностики Текст. / В.А. Акулов // Врач. М: Медицина, 2003. - №12. - С. 52.

14. Акулов, В.А. Исследование артериального кровотока непараметрическими методами Текст. / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. М.: ОПиПМ, 2005. - Т. 12. -Вып. 3. - С. 286-288.

15. Акулов, В.А. Исследование гемодинамики нижних конечностей в условиях гипергравитации методами вычислительного эксперимента Текст. / В.А. Акулов // Вестник Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: «Физ.-мат. науки». -2000.-№9.-С. 161-168.

16. Акулов, В.А. Методика оценки динамического компонента силы тяжести для авиакосмических центрифуг Текст. / В.А. Акулов // Вестник Сам. гос. аэро-космич. ун-та им. акад. С.П. Королёва. 2006. - № 1 (9). - С. 9-14.

17. Акулов, В.А. Модель пульсовой волны и ее реализация в среде Excel Текст. / В.А. Акулов // Труды III Всерос. науч. конф.: Математическое моделирование и краевые задачи. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2006. -Ч. 4.-С. 13-16.

18. Акулов, В.А. Нелинейная модель гемодинамики нижних конечностей с учетом искусственной гравитации Текст. / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. М.: ОПиПМ. - 2001. - Т. 8. - Вып. 1. - С. 74-75.

19. Акулов, В.А. Оценка адекватности искусственной и естественной силы тяжести методами многомерного анализа Текст. / В.А. Акулов, В.И. Бати-щев // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер.: «Физ.-мат. науки». 2006. -Вып. 42.-С. 174-178.

20. Акулов, В.А. Стохастическая модель отклика системы кровообращения на внешние возмущения Текст. / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер.: «Физ.-мат. науки». 2005. - № 38. - С. 72-77.

21. Акулов, В.А. Теория графов в оценке соответствия искусственной и естественной сил тяжести (центрифуга, Земля, Луна, Марс) Текст. / В.А. Акулов // Труды международной научно-практической конференции SPEXP 2008. Самара, 3-10 сентября 2008. С. 81-84.

22. Акулов, В.А. Триботехнические аспекты наклонной иммерсии Текст. / В.А. Акулов // Актуальные проблемы трибологии: Труды Междунар. конф. Самара, 6-8 июня 2007. Т 1. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2007. -С. 19-27.

23. Акулов, В.А. Физико-математические аспекты наклонной плоскости как средства имитации пониженных уровней гравитации Текст. / В.А. Акулов // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер.: «Физ.-мат. науки». 2007. - Вып. 2 (15).-С. 190-193.

24. Акулов, В.А. Энергетический критерий адекватности модельной и естественной гравитации Текст. / В.А. Акулов // Обозрение прикладной и промышленной математики под ред. Ю.В. Прохорова. М.: ОПиПМ, 2006. -Т. 13.-Вып. 1.-С. 65-73.

25. Акулов, В.А. Гидромеханические эффекты в кровеносных сосудах человека при вращениях на центрифуге короткого радиуса Текст. / В.А. Акулов, P.A. Вартбаронов // Авиакосмическая и экологическая медицина. -М.: Слово, 2003. Т. 37. - № 6. - С. 34-40.

26. Андерсен, Т. Введение в многомерный статистический анализ Текст. / Т. Андерсен. М.: Физматгиз, 1963. - 500 с.

27. Андрущук, В.В. Цифровые системы измерения параметров движения механизмов в машиностроении Текст. / В.В. Андрущук. СПб.: Политехника, 1992.-237 с.

28. Антонов, A.B. Системный анализ. Методология. Построение модели: учебное пособие Текст. / A.B. Антонов. Обнинск: ИАТЭ, 2001. - 272 с.

29. Аппелъ, П. Теоретическая механика: в 2 т. Текст. / П. Аппель. Т. 1,2.— М.: Гостехиздат, 1960.

30. Арнольд, В.И. Математические методы классической механики Текст. / В .И. Арнольд. М.: Наука, 1974. - 431 с.

31. Афифи, А. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. Текст. / А. Афифи, С. Эйзен. М.: Мир, 1982. - 488 с.38.