Физика процессов

Было опубликовано большое число работ, рассматривающих физические процессы формирования ГРВ изображений [Баньковский Н.Г. и др., 1982, 1986; Коротков К.Г., 1980, 1985, 2007]. На настоящем этапе разработки новых и модификации уже имеющихся аппаратов газоразрядной визуализации очень важным становится единообразная научная терминология при планировании, проведении и описании результатов экспериментов, а также само название метода, которое отображало бы сущность физических процессов и не сводилось бы к общепринятому представлению о получении кирлиановских фотографий.

К настоящему времени в мире разработаны сотни практических модификаций представленной схемы метода ГРВ в зависимости от геометрической формы, параметров и физических свойств исследуемых объектов живой и неживой природы. При всем многообразии конкретных технических решений сущность процесса визуализации во всех этих модификациях одна и та же и может быть сведена к следующей теоретической схеме.

Газовый разряд возникает в системе, состоящей из объекта исследования, носителя изображения и электродов, формирующих электромагнитное поле (ЭМП). Первичным процессом является взаимодействие ЭМП со сканируемым объектом, в результате которого возникает эмиссия поверхности объекта заряженных частиц, участвующих в инициировании начальных фаз газового разряда при определенной напряженности ЭМП.

Основной источник формирования изображения — это газовый разряд вблизи поверхности исследуемого объекта. В отмеченных работах рассмотрены отдельные стороны физических процессов при возбуждении слаботочного газового разряда, влияние экспериментальных условий и других факторов. Экспериментальные исследования показали, что можно выделить два основных типа разряда, связанных с формированием газоразрядных изображений: лавинный, развивающийся в ограниченном диэлектриком узком зазоре, и скользящий по поверхности диэлектрика [Баньковский Н.Г., Коротков К.Г., 1982, 1986].

Фотоны и заряженные частицы, возникающие в процессе разряда, формируют двумерную картину на носителе изображения. Газовый разряд, в свою очередь, может влиять на состояние объекта, вызывая вторичные эмиссионные, деструктивные и тепловые процессы.

Для выявления роли различных компонент оптического излучения была проведена большая серия работ по экспериментальному исследованию спектра свечения различных объектов в процессе ГРВ. Интерес к этому вопросу стимулировался многочисленными работами по «эффекту Кирлиан», в которых было отмечено, что на цветных фотографиях свечения наблюдается спектр цветов, закономерно зависящих от состояния исследуемого объекта. В связи с коротким временем развития разряда исследование этого спектра представляет собой сложную техническую задачу, при решении которой были использованы оптические фильтры, спектрографы и импульсные спектрометры. Было установлено, что спектр излучения ГРВ разряда в воздухе в основном занимает область от 150 до 800 нм, наиболее активная часть спектра состоит в основном из молекулярных полос второй положительной системы азота, а также содержит линии СО, СО2 и О2 что обычно наблюдается в слаботочном разряде в воздушной среде. Основная область спектра излучения находится в диапазоне 280...800 нм. В электроположительных газах (воздух, азот, водород и др.) вид газоразрядных фигур качественно идентичен, в то время как введение электроотрицательных добавок (например, CCl4) вызывает кардинальное изменение всей фигуры: резкое уменьшение размера и подавление «тонкой структуры» изображения. Это связано с тремя основными процессами: поглощением инициирующих медленных электронов, что препятствует развитию электронных лавин; поглощением вторичных электронов, рожденных в лавине; искажением электрического поля за счет отрицательных ионов.

Как следует из исследований, сверхслабое свечение в видимой и ультрафиолетовой области при определенных условиях может вносить вклад в процессы ГРВ за счет фотоионизации и инициации электронных лавин. Для выявления возможности зарегистрировать отмеченные выше эффекты при помощи метода ГРВ были исследованы образцы листовых пластин различных растений с обрезанным краем – так называемый «фантом листа». Ножницами делался надрез листовой пластины или отрезался кончик листа длиной 3...4 мм, после чего лист или иголка сосны ставилась на электрод визуализации. Подавалось напряжение, и свечение наблюдалось на экране компьютера.

Многочисленные ГРВ-графические исследования растений разными экспериментаторами проводились в двух вариантах: 1) сорванные растения, и 2) растения на корню. Время наблюдения свечения обычно составляло от 2 до 60 с. Газоразрядное свечение целого листа или иголки представляло собой систему светящихся точек, расположенных по периферии листовой пластины и в области основных прожилок. Как правило, яркость всех точек свечения была примерно одинакова. По мере повышения напряженности электрического поля увеличивалось количество точек свечения при незначительном увеличении яркости. По-иному выглядело изображение при обрезании части иголки или листа. Для иголок в 3...5 % исследованных образцов это свечение приобретало характер светящегося выброса, длина которого превышала длину отрезанного кончика, то есть составляла 5...7 мм. Эти эксперименты доказывают существенную роль в процессе ГРВ оптического излучения биологического объекта в видимой и ультрафиолетовой области спектра излучений сканируемого объекта.

При исследовании микробиологических объектов было показано, что интенсивность большинства линий этой области зависит от состояния объекта [см.: От эффекта..., 1998]. В оптической области спектра интенсивность линий существенно ниже, их положение и амплитуда зависит от типа объекта. Применение спектральных приборов различного типа позволило убедиться, что эти линии являются излучением объекта. Как показывают эксперименты, практически в основе всех излучений тканей организма в видимой и ультрафиолетовой областях спектра лежит та или иная разновидность люминесценции. В процессе ГРВ может возникать люминесценция, индуцированная различными физическими факторами: ультрафиолетовым и видимым излучением – фотолюминесценция; ионизирующим излучением – радиолюминесценция; электрическим током – электролюминесценция; химическими реакциями – хемилюминесценция.

У листьев примерно в половине случаев по краю разреза возникали точки свечения, яркость которых на порядок превышала яркость «нормального» свечения. Они возникали в нескольких точках по линии разреза листовой пластины вне зависимости от того, был ли отрезан кончик листа или сделан вырез в плоскости пластины. Динамика развития свечения выглядела следующим образом: при подаче напряжения в течение 0,3...0,5 с свечение не наблюдали, после чего возникали яркие стримерные каналы длиной 5...7 мм, устойчиво держащиеся в определенных точках в течение 20...40 с.

Принцип газоразрядной визуализации (ГРВ) заключается в следующем, рис.1. Между исследуемым объектом 1 и диэлектрической пластиной 2, на которой размещается объект, подаются импульсы напряжения от генератора электромагнитного поля (ЭМП) 5, для чего на оборотную сторону пластины нанесено прозрачное токопроводящее покрытие. Это и есть ГРВ-граммы, которые запоминаются в виде аvi-файлов блоком памяти, связанным с компьютерным процессором обработки. Процессор обработки представляет собой специализированный программный комплекс, который позволяет вычислять набор параметров и на их основе делать определённые диагностические заключения об особенностях наблюдаемой ГРВ-граммы и/или их совокупности. Пример ГРВ изображения пальца руки до и после компьютерной обработки приведен на рис.2.

По результатам проведенных автором исследований, наличие на поверхности шероховатостей, пыли или влаги, если с ними не связано изменение поверхностной проводимости, не сказывается на изображении. В случае электродной системы острие-плоскость поверхностный разряд всегда дает строго симметричные фигуры, между тем при исследовании жидкостей и биологических объектов, наблюдаются фигуры сложной формы.

Рис.2. (а) Пример ГРВ-граммы пальца руки исходного и обработанного изображения. В оттенках серого наглядно видны интенсивности в градации от 0 до 255; (б) Пример обработанного изображения. Цветными областями отмечены связанные пиксели изображения; (в) Секторальное разбиение ГРВ-граммы

Рис.1. Схематическое изображение ГРВ-прибора: 1 - объект исследования; 2 - прозрачный электрод; 3 - газовый разряд; 4 - оптическое излучение; 5 – генератор; 6 - оптическая система; 7, 8 - видеопреобразователь; 9 – компьютер; 10 – корпус

В ГРВ устройствах на электроды подают серию биполярных импульсов напряжения. При каждом из них возникает соответствующая фаза разряда, и окончательная картина представляет собой суперпозицию изображений от положительного и отрицательного разрядов (с учетом искажения электрического поля положительным поверхностным зарядом, оставшимся после предыдущих разрядов). Для ГРВ используется лишь слаботочная – лавинная фаза этого разряда, при которой интегральная величина тока в импульсе не превышает 50 мА.

При всем многообразии конкретных технических решений сущность процесса визуализации может быть сведена к следующей теоретической схеме. Первичным процессом является процесс взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с объектом исследования, в результате которого при определенной напряженности ЭМП возникает эмиссия с поверхностью объекта заряженных частиц, участвующих в инициировании начальных фаз газового разряда. Газовый разряд, в свою очередь, может влиять на состояние объекта, вызывая вторичные эмиссионные, деструктивные и тепловые процессы.

Таким образом, в процессе газоразрядной визуализации формируется некоторая последовательность информационных преобразований, кодирующих состояние сканируемого биологического объекта (БО) – допустим кончик (подушечка) пальца испытуемого – особенности его физиологических процессов и медико-биологические показатели, среди которых определяющую роль с точки зрения процесса ГРВ играют физико-химические и эмиссионные процессы, а также процессы газовыделения. Особенности последних зависят от изменений импеданса объекта как единого целого, импеданса участков его поверхности, их структурных и эмиссионных свойств.

Изменения вышеуказанных параметров активно проявляются на коже за счет рефлексогенных зон и биологически активных точек. Неоднородность сканируемой поверхности БО и его объема, процессы эмиссии заряженных частиц или выделения газов оказывают влияние на параметры ЭМП, за счет чего изменяются и параметры газового разряда. Такими параметрами являются характеристики тока разряда и оптического излучения. При этом основная информация извлекается из характеристик свечения, которое представляет собой пространственно распределенную группу участков различной яркости. Приемник излучения преобразует пространственное распределение яркости в изображение, а анализ амплитудных характеристик видеосигналов приводит к формированию набора параметров. Из параметров строится симптомокомплекс, на основании которого экспериментатор формирует свое заключение о наблюдаемой ГРВ- грамме.

При использовании метода ГРВ в медико-диагностических целях для постановки диагноза необходима оценка достоверности гипотезы о связи вычисляемых параметров ГРВ-грамм со свойствами наблюдаемого организма пациента, которая формируется на основании изучения массива медико-биологических экспериментальных данных. Для этого была развернута широкая программа исследований, включавшая построение системы теоретических моделей, позволяющих описать физические процессы формирования газоразрядного свечения, и их экспериментальную проверку. В ходе выполненных исследовании было отмечено, что на ГРВ-грамме проявляется комплекс параметров и особенностей организма, связанных как с процессами гомеостаза всего организма, так и с локальными электрохимическими явлениями, протекающими на ограниченном участке кожного покрова. Иными словами, поскольку наблюдаемый организм включен в цепь электрического тока в системе связанных LC-контуров, извлечение информации о его состоянии происходит за счет анализа процессов, происходящих на нескольких уровнях.

Подача на поверхность пальца обследуемого человека, связывающего его организм с системой LC-контуров, короткого импульса напряжения при аппаратном ограничении протекающего импульсного тока, вызывает нервно-сосудистую реакцию как прилегающих участков кожи пальца испытуемого так, в определенных случаях, и всего его организма. Характер этой реакции зависит от нервно-гуморального статуса отдельных органов и систем испытуемого, что влияет на параметры наблюдаемой ГРВ-граммы. Следует учесть, что на качество наблюдаемого изображения свечения ГРВ-граммы могут влиять следующие помехи:

Наличие влажности и неоднородностей структуры поверхности, что может приводить к модификации условий развития разряда.
Выделение газов поверхностью пальца испытуемого, что также может исказить параметры формирования разряда.
ЭМП и газовый разряд приводят к развитию эмиссионных процессов на поверхности пальца испытуемого, что является инициирующими факторами электронных лавин разряда.

На характер разряда оказывают влияние как процессы влагообмена поверхности биологического объекта, так и объемные процессы, в основном за счет диссоциации молекул воды в газовом разряде. Кроме того, продукты разложения молекул воды влияют и на величину потенциала зажигания.

Проведенные исследования показали, что введение различных покрытий приводит к увеличению яркости излучения на 10...17 %, однако соотношение между параметрами различных объектов остается практически постоянным. Это свидетельствует о том, что излучение в спектральном диапазоне 250...400 нм, обусловленное второй положительной системой азота, не несет информации, специфической для биологического объекта. Этот вывод подтверждается результатами исследования микробиологических культур, приведенными в работе [От эффекта..., 1998]. Таким образом, для построения систем визуализации может быть использована обычная стеклянная оптика и стандартные телевизионные систем.

Как показано в целом ряде работ и подтверждено исследованиями К.Г. Короткова, помещение пальца (растения) в резиновую оболочку приводит к уменьшению интенсивности ГРВ-граммы, но не влияет на топографические особенности распределения стримеров. Данное утверждение подтверждается результатами, полученными с применением эвакуированных камер [Коротков К.Г., 2001, С. 58]. Следовательно, влажность сканируемого объекта, – например, кожи кончика пальца руки человека, оказывается значимым, хотя и не единственным информативным признаком объекта.

В большинстве случаев формируемое изображение ГРВ-граммы является результатом совместного действия двух процессов. В начале развивается лавинный разряд в узком зазоре, ограниченном диэлектрическими поверхностями объекта и носителем изображения. При определенных условиях этот процесс может инициировать скользящий разряд по поверхности диэлектрика. В процессе газоразрядной визуализации осуществляется комплексное взаимодействие диагностируемого биологического объекта – кожной поверхности пальца испытуемого (с включением его объемных и поверхностных свойств), приложенного электрического поля и формируемого газового разряда.

В то же время за счет поверхностных и объемных свойств сканируемого объекта происходит модуляция ЭМП, возникает специфический для данного объекта пространственный рельеф ЭМП, что сказывается на параметрах газового разряда (тонкие стрелки). Первичным процессом является взаимодействие ЭМП со сканируемым объектом, в результате которого возникает эмиссия поверхностью объекта заряженных частиц, участвующих в инициировании начальных фаз газового разряда при определенной напряженности ЭМП.

Дополнительно можете прочитать в книге Колтового Н.А. "Метод Кирлиан", часть 6 "Газовый разряд".