Дисертації (КІТВП)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Удосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Бондарєв, Денис Володимирович; Безуглий, Михайло ОлександровичБондарєв Д.В. Удосконалення методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 15 – Автоматизація та приладобудування за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена підвищенню ефективності біомедичної фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами шляхом розробки інформаційної системи еталонних вимірювань у відбитому та пропущеному світлі. Встановлено залежність між інтегральною освітленістю фотометричних зображень при фотометрії еліпсоїдальними рефлекторами зразків та стандартних зразків різної товщини та оптичними коефіцієнтами, отриманими на зразковому спектрофотометрі, що дозволило розробити аналітичну модель функціонування інформаційної системи біомедичної фотометрії. Вдосконалено метод калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними, що за допомогою створеної інформаційної бази оптичних характеристик стандартних зразків дозволяє визначати оптичні коефіцієнти повного пропускання та дифузного відбиття біологічних тканин. Практичні результати, які отримано в дослідженні, дозволили розробити алгоритм та програмне забезпечення для аналізу параметрів фотометричних зображень, що дозволяє визначати коефіцієнти повного пропускання та дифузного відбиття зразків біологічних тканин різної товщини з використанням інформаційної системи біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. Зміст роботи складається з трьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертаційного дослідження. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені об’єкт, предмет, методи та засоби дослідження, поставлені мета та завдання дослідження, сформульовані наукова новизна та практична цінність. У першому розділі розглянуті результати літературного огляду, що охоплює такі питання, як аналіз оптичних властивостей біологічних тканин (БТ) та сучасних біомедичних фотометрів. Розглянуто процеси взаємодії світла з біологічними тканинами та закони та вирази, що їх описують. Зазначено особливості поширення світла в середовищах та методи їх моделювання, зокрема метод Монте-Карло. Визначено значущі оптичні властивості біологічних тканин, а саме коефіцієнт поглинання μa, коефіцієнт розсіювання s, фактор анізотропії g та показник заломлення n. Розглянуто принципи зворотного методу Монте-Карло для визначення оптичних властивостей за допомогою оптичних коефіцієнтів дифузного відбиття Rd, повного Tt, та колімованого Tс, пропускання. Розглянуто одно- та двопроменеві спектрофотометри і фотометри. Визначено принципи та типові схеми вимірювання оптичних коефіцієнтів за допомогою інтегруючих сфер та гоніометрів. Також розглянуто особливості конструювання фотометрів з еліпсоїдальними рефлекторами (ЕР) та визначено будову рефлектора, яку найбільш доцільно икористовувати про біомедичних дослідженнях. Визначено засади формування фотометричних зображень та методи калібрування даних з метою отримання значень оптичних коефіцієнтів. На основі проведеного огляду сформульовано мету та завдання дослідження. У другому розділі проаналізовано особливості інверсного методу МонтеКарло при фотометрії біологічних тканин еліпсоїдальними рефлекторами, що дозволило сформулювати алгоритм розглянутого методу. На підставі етапів реалізації існуючого методу калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами запропоновані структурні схеми проведення еталонних вимірювань для визначення повного, колімованого, дифузного пропускання, а також дифузного відбиття. Описаний процес отримання фотометричних зображень після попереднього калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами дозволив виявити шляхи вдосконалення існуючого методу. У пункті «Особливості та прикладна реалізація удосконаленого методу калібрування біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами» розглянуто принципи створення інформаційної системи біомедичного фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами (ІСБМФЕР). Розглянуто структуру ІСБМФЕР, що складається з трьох складових: бази даних з результатами еталонних вимірювань на зразковому спектрофотометрі, засоби зонного аналізу фотометричних зображень та програмне забезпеченні для визначення оптичних коефіцієнтів біологічних тканин. Запропонована схема фотометру з одноелементними фотодетекторами, яку доцільно використовувати при відсутності необхідності отримання просторового розподілу розсіяного світла. Сформовано метрологічні засади попереднього калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. Також розглянуто принципи обробки фотометричних зображень, що полягають у розподілі області інтересу на три складові (два кільця та коло), кожна з яких характеризує різнонаправлене світлорозсіяння при проходженні та відбитті через зразок (стандартний зразок або біологічну тканину). Третій розділ присвячений програмно-апаратній реалізації удосконаленого методу калібрування фотометру з еліпсоїдальними рефлекторами. На основі аналізу фізичних, хімічних та оптичних властивостей обґрунтовано вибір твердих полімерних матеріалів, таких як поліетилен (СЗ-ПЕ), полімер тетрафторетилен (СЗ-Ф), полівінілхлорид (СЗ-ПВХ) та поліетилентерефталат (складова СЗ-ПЛ) у якості стандартних зразків для калібрування фотометру з ЕР. Проведено дослідження стандартних зразків за допомогою зразкових фотометрів (LAMBDA 1050 та Shimadzu UV-3600 Plus з ISR-1503 Optical System). Наведені схеми та особливості проведення еталонних вимірювань, результатом яких є спектральні залежності коефіцієнтів колімованого та повного пропускання, а також дифузного відбиття для обраних стандартних зразків різної товщини. Представлено обґрунтування вибору елементної бази для створення прототипу фотометру з ЕР. До складу фотометру входять: оптичні елементи (ЕР, призма, конусна бленда), оптико-електронні прилади (джерело випромінювання, ПЗЗкамера), електричні та електронні компоненти, а також деталі (тубус, плита та підставка на рейці). На результати фотометричних дослідженнях суттєво впливає стабільність джерела випромінювання (лазерного діоду), тому перед його використанням необхідно здійснювати контроль довжини хвилі та падаючої потужності. Властивості біологічних тканин обумовили вибір фокального параметру та коефіцієнту стискання еліпсоїдального рефлектору, що було підтверджено Монте-Карло симуляцією в різних БТ. У дисертаційному дослідженні розроблено алгоритм функціонування інформаційної системи еталонних вимірювань. Під час його виконання проведено регресійний аналіз даних: коефіцієнта повного пропускання та дифузного відбиття від товщини зразка, загальної освітленості фотометричного зображення від коефіцієнта повного пропускання, дифузного відбиття та товщини зразка, зміни коефіцієнтів попереднього регресійного аналізу від падаючої потужності. Результати регресійного аналізу стали математичним базисом розроблення програмного забезпечення, з використанням JavaScript, HTML та CSS. Представлений інтерфейс програмного забезпечення та особливості введення вхідних даних, якими є: тип дослідження, стандартній зразок, бітність фотометричного зображення, товщина зразка БТ, падаюча потужність, кількість активних пікселів та сумарна інтенсивність. У пункті «Дослідження оптичні властивості світлорозсіювальних еталонів» представлені приклади фотометричних зображень стандартних зразків та аналіз їх освітленості у відбитому та пропущеному світлі. Аналіз дозволив виокремити такі закономірності: наближення до експоненціальної залежності освітленості середнього та зовнішнього кільця фотометричних зображень від товщини у пропущеному світлі, наближеність до логарифмічної залежності – у відбитому світлі. На прикладі дослідження зразків біологічних тканини Pullus Cutis (шкіри курки) та Porcus Cutis (шкіри свині) була проведена статистична оцінювання значень сумарної інтенсивності фотометричних зображень. На підставі отриманих значень інтенсивності у відбитому та пропущеному світлі визначені оптичні коефіцієнти дифузного відбиття та повного пропускання з використання різних стандартних зразків та при змінній падаючій потужності, відносна похибка яких не перевищила 1.5 %. Було здійснено порівняння отриманих результатів з дослідженнями інших авторів, що підтвердило доцільність використання запропонованого методу калібрування.Документ Відкритий доступ Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Цапенко, Валентин Валентинович; Терещенко, Микола ФедоровичЦапенко В.В. Вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертація присвячена розширенню функціональних можливостей бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи шляхом комбінованого оцінювання опорно-ресорних властивостей стопи та циклу кроку для підвищення інформативності вимірювань. Дослідження спрямоване на покращення можливостей вимірювань, що дозволить більш детально аналізувати та зрозуміти біомеханічні характеристики стопи людини. В останні роки спостерігається зростання кількості захворювань, травм та патологій опорно-рухового апарату, що має суттєвий вплив на якість життя населення. Слід зазначити, що стопа є важливим структурним компонентом опорно-рухового апарату, який відповідає за статолокомоторну функцію і є цілісним морфофункціональним об'єктом, ключовим для рухової функції людини. Протягом життя властивості стопи можуть змінюватися, особливо це стосується її ресорної та опорної функцій. Зокрема, у випадку порушень симетричного розподілу навантаження в положенні стоячи (в статиці) або під час ходи (в динаміці), а також через зниження пружних властивостей стопи – збільшується ударне навантаження та відбувається посилення впливу вібрацій на опорно-руховий апарат в цілому. Проблема ранньої діагностики ушкоджень та захворювань стопи є дуже актуальною в контексті вибору методів профілактики, лікування, ортезування та контролю їх ефективності. Зокрема, порушення формування склепінь стопи становлять значну частину всієї ортопедичної патології та досягають до 81,5% серед усіх деформацій нижніх кінцівок у дітей. Біомеханічне дослідження вимагає зіставлення механічних та біологічних аспектів рухів з більш точною кількісною оцінкою та розкриттям взаємозв'язків в системах рухів. Для оцінки функціонального стану стопи, необхідно мати інформацію про часові характеристики кроку, сили опорних реакцій, пружні характеристики та розподіл тиску по опорних поверхням, в процесі перекату, протягом повного циклу кроку. Актуальність даного дослідження полягає в тому, що вдосконалення бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи має велике значення для різних галузей науки та практики: медична біомеханіка (вдосконалення методу дозволить більш детально визначати характеристики стопи, що є важливим для діагностики та лікування біомеханічних вад, а також для розробки індивідуальних ортопедичних виробів), спортивна медицина (точний аналіз біомеханічних параметрів стопи може сприяти вдосконаленню техніки виконання рухів, запобіганню травм та підвищенню спортивних досягнень), дослідження руху (вдосконалений бароподометричний метод може бути використаний для дослідження різних типів рухів, що допоможе краще зрозуміти механіку руху людини), розробка нових технологій (отримані результати можуть послужити основою для створення нових технологій у сфері реабілітації, виробництва спортивного спорядження та розробки ігрових аплікацій для вивчення біомеханіки руху), науковий внесок у біомеханіку (дослідження можуть сприяти розширенню наукового розуміння біомеханіки стопи, що, в свою чергу, може вплинути на розробку нових теоретичних концепцій та моделей для пояснення механізмів руху та структурних особливостей стопи). Проведений аналіз наукових джерел показує, що дослідження розподілу навантаження по стопі протягом повного циклу кроку недостатньо досліджено. Традиційні методи діагностики не дозволяють точно виявити реальні функціональні зміни стопи, що відбуваються під час зміни динамічних навантажень в процесі перекату, а також не оцінюють індивідуальні фізіологічні особливості нижніх кінцівок, що обмежує їх ефективність. Не визначеним досі залишається об’єктивний взаємозв’язок опорної та ресорної функцій в статиці та динаміці і їх комплексний вплив на параметри деформації стоп. Тому метою дисертаційної роботи є розширення функціональних можливостей бароподометричного методу визначення біомеханічних параметрів стопи шляхом комбінованого вимірювання опорно-ресорних властивостей стопи та складових циклу кроку для підвищення інформативності вимірювань В роботі проведено аналіз сучасного стану проблеми визначення біомеханічних параметрів стопи, виконано аналіз методів дослідження її опорно-ресорної функції, як в статичному так і в динамічному режимах. На основі виконаного аналізу встановлено, що найбільш інформативними методами аналізу рухів є методи цифрової біометрії. Враховуючи системноструктурний підхід до вивчення біомеханічних параметрів стопи, доцільним є розглядати бароподометричні інструментальні системи, які дозволяють комплексно оцінювати функції стопи. До таких відносять системи, в основу яких покладено метод бароподометрії, що дозволяє проводити дослідження біомеханічних параметрів стопи з врахуванням статичних та динамічних складових. Для об’єктивної оцінки просторово-часових біомеханічних параметрів необхідна реєстрація параметрів повного циклу кроку. Тому необхідно забезпечити певні технічні умови для інструментального аналізу. З метою досягнення відповідності визначеним критеріям було зібрано комплексний вимірювальний стенд, який складається з планшетного сканера стопи та бароподометричної платформи. Розроблено загальну методику проведення вимірів та обробки результатів дослідження. Проведено біомеханічний аналіз стопи. Встановлено, що під час руху змінюються значення і напрямок навантаження - тому саме на рух, а не тільки на стояння необхідно звертати увагу при вивченні будови стопи та оцінки її функціональних параметрів. Враховуючи це, з метою підвищення точності дослідження біомеханічних параметрів стопи необхідно врахувати вплив реальних динамічних навантажень, які відрізняються від статичних тим, що при визначенні напружень слід враховувати сили інерції. Проаналізовано складові повного циклу кроку, періоди кожної фази перекату визначені у відсотковому співвідношенні відносно загального періоду опори певної кінцівки. Запропоновано принципово нову біомеханічну модель, яка досить добре візуалізує чутливість до асиметричних навантажень, які призводять до неефективного використання опорно-ресорних властивостей стопи. Дана модель показує, яким чином взаємопов’язані між собою статичні та динамічні характеристики опорно-ресорної функції стопи. За допомогою отриманої моделі можна комплексно оцінити вплив різновидів навантажень на функціональний стан стопи, зокрема, було встановлено, що величина деформацій та напружень викликаних динамічними навантаженнями, залежить від жорсткості та повздовжніх розмірів пружної системи. На основі цієї моделі проаналізовано та визначено критерії оцінки опорної та ресорної функцій стопи, з врахуванням статичних та динамічних навантажень. Розроблено методику біомеханічного аналізу стопи, яка дозволяє ідентифікувати функціональні порушення стопи. Проведено експериментальне дослідження опорно-ресорних параметрів стопи, з використанням вимірювального стенду за розробленою методикою з залученням 4 груп досліджуваних (середнього шкільного віку). Виконано статистичну обробку експериментальних даних, встановлено закон розподілу та виконано перевірку на наявність надмірних похибок в групах спостережень, з застосуванням критерію Діксона. Розраховані критерії опорного навантаження стопи та виконано якісний аналіз отриманих результатів. Дослідження показало, що максимальний контакт за одиницю часу спостерігається в передньому відділі стопи (під час фази відштовхування), найменший – в середньому відділі стопи (під час фази перекату). Збільшення швидкості та довжини кроку призводить до збільшення ударних навантажень, і ці навантаження найбільше впливають на передній і задній відділи стопи. Тому важливо звертати особливу увагу на ці області при розробці методів профілактики, лікування та ортезування. Результати аналізу розподілу опорних динамічних реакцій по різним зонам стопи вказують на зменшення сили поштовху в експериментальних групах порівняно з контрольною, що виникає через неправильний розподіл навантаження. Статистичний аналіз результатів дослідження за допомогою методу дисперсійного аналізу вказує на те, що фактор критеріїв опорної сили (статична та динамічна складова) може бути використаний як інтегральний діагностичний показник, який впливає на визначення деформацій стопи. Однак важливо враховувати, що цей фактор не є єдиним визначальним чинником деформації стопи. Враховуючи розроблену узагальнену біомеханічну модель, проведено дослідження пружних характеристик стопи. Встановлено, що статична та динамічна складова модуля пружності мають подібний закон розподілу в кожній розглянутій групі. Проведено кореляційний аналіз, результати якого вказують на високий рівень взаємозалежності складових модуля пружності в кожній досліджуваній групі. На основі цього, розроблено чіткі математичні моделі визначення опорно-ресорних властивостей, які пояснюють не встановлений раніше взаємозв'язок опорної та ресорної функцій стопи, враховуючи їх статичні та динамічні компоненти, для кожної досліджуваної групи. Отримані залежності, зокрема, визначають взаємозв’язок статичної та динамічної складової модуля пружності з коєфіцієнтом перенавантаження стопи та дозволяють автоматизувати процес розрахунків необхідних біомеханічних параметрів, які разом з оцінкою характеристик циклу кроку можуть успішно використовуватися для моніторингу стану стопи, встановлення діагнозу та ефективності різноманітних методів лікування. Розраховані значення основних біомеханічних параметрів для контрольної та трьох експериментальних груп, наведено їх співставлення. Виконано розрахунок невизначеності, згідно міжнародним правилам оцінювання результатів дослідження. Також, розглянуто питання контролю ефекту розвантаження стопи в процесі ортезування. Встановлено, що коєфіцієнт перенавантаження визначає співвідношення сил пружності та опори, які забезпечують необхідне значення розвантаження та виявлено інтервали значень, яких він може набувати в залежності від типу порушення функцій стопи. Проведено експериментальні дослідження контролю ефекту розвантаження стопи та оцінені графіки розподілу коєфіцієнта перенавантаження в процесі ортезування. Встановлено, що значення даного коєфіцієнта до ортезування знаходиться в межах розрахованих інтервалів відповідно до типу порушення функцій стопи (0,5..1 – плоска стопа, 1,5..2,2 – порожниста) , після – прямує до інтервалу нормальних значень (1..1,5). Встановлена ефективність використання устілок від 25% до 45%, в залежності від типу функцінального порушення стопи. Значення основних біомеханічних параметрів, в кожній експериментальній групі після ортезування, наближалися до нормальних значень. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: 1. Вдосконалено бароподометричний метод визначення біомеханічних параметрів стопи, шляхом комбінованого оцінювання взаємозв’язку опорної та ресорної функцій стопи в статичному та динамічному положеннях, що дозволяє враховувати їх вплив на параметри деформації стопи. 2. Розроблено математичні моделі для встановлення взаємозв’язку динамічного модуля пружності з коефіцієнтом перенавантаження та статичним модулем пружності, що дозволяє ідентифікувати тип порушення функцій стопи. Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному: 1. Розроблено методику біомеханічного аналізу стопи, яка полягає у вимірюванні просторово-часових характеристик та тиску, що дозволяє визначати коефіцієнт перенавантаження і тип функціонального порушення стопи. 2. Розроблено методику контролю ефекту розвантаження стопи, що полягає у порівнянні значень коєфіцієнта перенавантаження в процесі використання індивідуальних ортезів та коригування їх конфігурації, яка впроваджена в ортопедичне виробництво ТОВ «Торговий дім «Алком» (акт впровадження ТОВ «ТД Алком»). Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з напрямами науково-дослідної роботи кафедри комп’ютерно інтегрованих технологій виробництва приладів приладобудівного факультету КПІ ім. Ігоря Сікорського. Розроблено протокол та відеоматеріал лабораторної роботи за темою «Біомеханіка стопи. Оцінка пружних характеристик стопи» (акт впровадження в навчальний процес на кафедрі КІТВП ПБФ). Результати математичного моделювання впровадженні в практичну діяльність ортопедичного підприємства ТОВ «ТД Алком» (акт впровадження ТОВ «ТД Алком»). Дисертаційна робота виконана на кафедрі КІТВП, ПБФ КПІ ім. Ігоря Сікорського згідно ініціативної науково-дослідної роботи ВП/МПС – 1/2018 Комплексна біометрична система вимірювання та контролю біомеханічних параметрів стопи (д/р № 0118U004676 від 16.05.2018 р).Документ Відкритий доступ Міографічна система біонічної руки з оптичною ідентифікацією типу поверхні(2020) Вонсевич, Костянтин Петрович; Безуглий, Михайло ОлександровичДокумент Відкритий доступ Еліпсоїдальні рефлектори для фотометрії біологічних середовищ(2020) Безуглий, Михайло Олександрович; Тимчик, Григорій СеменовичДокумент Відкритий доступ Вдосконалення методу визначення складу речовин за їх теплопровідністю(2019) Матвієнко, Сергій Миколайович; Вислоух, Сергій ПетровичДокумент Відкритий доступ Технологічне забезпечення циклічної довговічності деталей при їх токарному обробленні(2018) Барандич, Катерина Сергіївна; Вислоух, Сергій ПетровичДокумент Відкритий доступ Вдосконалення акустичного методу діагностики напружено-деформованого стану фасонних профілів металевих конструкцій(2017) Демченко, Марія Олександрівна; Філіппова, Марина В’ячеславівнаДокумент Відкритий доступ Просторова фотометрія біологічних середовищ(2016) Безугла, Наталя Василівна; Тимчик, Григорій Семенович; виробництва приладів; приладобудівний; Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"