Импульсно волновой корректор: Импульсно-волновой допплер – Pulsed Wave • MEDISON.RU

Содержание

Адаптивная оптика. “современные проблемы адаптивной оптики” Отрывок, характеризующий Адаптивная оптика

АДАПТИВНАЯ ОПТИКА, раздел оптики, занимающийся разработкой методов и средств управления формой волнового фронта (ВФ) с целью устранения искажений (аберраций), возникающих при распространении светового пучка в оптически неоднородной среде (например, турбулентной атмосфере) или из-за несовершенства элементов оптической системы.

Цель адаптивной коррекции – повышение разрешающей способности оптических приборов, повышение концентрации излучения на приёмнике, достижение максимально острой фокусировки светового пучка на мишени или получение заданного распределения интенсивности излучения. Возможности применения активных методов в оптике стали обсуждаться с начала 1950-х годов в связи с проблемой повышения разрешающей способности наземных телескопов, однако интенсивное развитие адаптивной оптики началось после создания достаточно эффективных корректоров (управляемых зеркал) и измерителей (датчиков) ВФ.

Простейшая адаптивная система содержит одно плоское зеркало, наклон которого можно изменять, что позволяет устранить «дрожание» изображения при наблюдении сквозь турбулентную атмосферу. В более сложных системах используются корректоры с большим числом степеней свободы, позволяющие компенсировать аберрации высших порядков. Типичная схема организации управления в адаптивной системе (рисунок) построена по принципу обратной связи. Часть светового потока после корректора ответвляется и поступает на датчик ВФ, где измеряются остаточные аберрации. Эта информация используется для формирования сигналов в блоке управления, воздействующих на корректор и уменьшающих остаточные аберрации. Они становятся минимальными, качество изображения улучшается.

Существуют системы, не требующие использования датчиков ВФ. В этом случае минимизация искажений проводится путём преднамеренного внесения в ВФ пробных возмущений (метод апертурного зондирования). Затем влияние пробных возмущений на качество работы системы анализируется в блоке управления, после чего формируются управляющие сигналы, оптимизирующие ВФ.

Системы апертурного зондирования требуют больших затрат времени на настройку корректора, так как для заметного уменьшения искажений процесс повторяется несколько раз.

Эффективность адаптивной оптической системы в значительной мере определяется совершенством применяемого корректора. Вначале использовались главным образом составные (сегментированные) зеркала, состоящие из нескольких сегментов, которые могли смещаться относительно друг друга с помощью пьезоприводов или иным способом. Впоследствии получили распространение гибкие («мембранные») зеркала с непрерывно деформируемой поверхностью. К началу 21 века техника коррекции ВФ значительно усовершенствовалась. Кроме управляемых зеркал различных типов применяют жидкокристаллические фазовые модуляторы, которые могут работать как на отражение (подобно зеркалам), так и на просвет. Ряд конструкций допускает их миниатюризацию и создание устройств, интегрированных в единый блок с управляющей электроникой, что позволяет создавать компактные и сравнительно недорогие адаптивные системы.

Однако, несмотря на разработку фазовых корректоров нового поколения, традиционные гибкие зеркала сохраняют своё значение благодаря малым потерям светового потока и сравнительно простой конструкции. В лазерных системах применяют также нелинейно-оптические методы коррекции искажений, основанные на явлении обращения волнового фронта. Этот подход называют иногда нелинейной адаптивной оптикой.

Лит.: Воронцов М. А., Шмальгаузен В. И. Принципы адаптивной оптики. М., 1985; Тараненко В. Г., Шанин О. И. Адаптивная оптика. М., 1990; Лукин В. П., Фортес Б. В. Адаптивное формирование пучков и изображений в атмосфере. Новосиб., 1999.

В. И. Шмальгаузен.

Раздел подготовлен Николаем Носыревым и Олегом Вилковым

Адаптивная оптика (АО) – раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамичным управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приёмнике или мишени.

Основная задача, которую можно решить системой адаптивной оптики, заключается в устранении возмущений волнового фронта, вызываемых неконтролируемыми случайными воздействиями. К наиболее известным системам такого типа относятся:

· наземные телескопы, вследствие неоднородности земной атмосферы разрешающая способность данных систем снижается

· системы формирования и фокусировки лазерного излучения

· лазерные измерительные системы, работающие в атмосфере

· оптические системы мощных лазеров.

Реализация адаптивных оптических систем определяется конкретным, решаемым ею, кругом задач. Однако общие принципы построения таких систем одинаковы.

Различают системы с выходящей волной, в которых происходит коррекция волнового фронта источника света, и системы с принимаемой волной, в которых происходит коррекция светового поля, приходящего от наблюдаемого объекта. В свою очередь, и те и другие могут быть реализованы на принципах фазового сопряжения и апертурного зондирования.

В системе фазового сопряжения пучок света отражается от малого участка объекта (цели), образуя сферическую волну, которая проходит обратно по пути распространения света и претерпевает те же самые искажения, что и излученная волна. Пришедшая отраженная волна попадает в датчик волнового фронта, где и выявляются искажения на трассе. Устройство обработки данных производит расчет необходимой коррекции волнового фронта, которая осуществляется устройством воздействия на волновой фронт.

Принцип апертурного зондирования основан на возможности внесения в волновой фронт пробных возмущений, которые трансформируются в амплитудные возмущения сигнала. Анализируя изменения интенсивности света, отраженного от цели, делают вывод о знаке изменения фазы и деформируют волновой фронт до тех пор, пока не будет оптимизирована фокусировка на объекте.

Аналогичным образом работают системы с принимаемой волной. В системах фазового сопряжения часть принятого света с искаженным волновым фронтом направляется на датчик волнового фронта. Полученная информация используется для создания компенсирующего воздействия на принятый волновой фронт. В результате на приемнике в идеале формируется ограниченное лишь дифракцией изображение.

В системах апертурного зондирования вносят пробные возмущения в принятый волновой фронт, а их влияние оценивают с помощью приемника, размещенного в плоскости изображения.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет Фотоники и Оптоинформатики

Кафедра Компьютерной Фотоники и Видеоинформатики

по дисциплине Теория Систем и Системный Анализ

«АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ »

Студент: Романов И.Е.

Группа: 4352

Преподаватель: Гуров И.П.

Санкт-Петербург

Введение …………………………………………………….………………….2

Адаптивная оптическая система………………………………………………3

Датчики волнового фронта …………………………………………..………..5

Корректоры волнового фронта……………………………………….

………..9

1)Сегментированные зеркала ……………………………………………………….10

2)Зеркала со сплошной поверхностью…………………………………11

2.1)Биморфные зеркала…………………………………………..12

2.2)Мембранные зеркала……………………..………………….14

3) MOEMS (кремниевая технология)………………..…………………14

Заключение……………………………………………………..………………15

Список литературы ……………………………………………………………16

Дополнительные источники информации………………………………… ..17

Введение

Адаптивная оптика (АО) – раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамическим управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приемнике или мишени. Адаптивная оптика начала интенсивно развиваться в 1950-е гг. в связи с задачей компенсации искажений фронта, вызванных атмосферной турбулентностью и накладывающих основное ограничение на разрешающую способность наземных телескопов.

Позднее к этому добавились проблемы создания орбитальных телескопов и мощных лазерных излучателей, подверженных другим видам помех.

Адаптивная оптика находит применение в различных областях науки и техники. Например, в конструировании наземных астрономических телескопов, в системах оптической коммуникации, в промышленной лазерной технике, в медицине и пр., где позволяет компенсировать, соответственно, атмосферные искажения, аберрации оптических систем, в том числе оптических элементов глаза человека.

Целью данной работы является изучение адаптивных оптических систем, а также проведение аналитического обзора на характеристики их компонентов.

Адаптивная оптическая система

Впервые на возможность коррекции атмосферных искажений изображения при помощи деформируемого зеркала указал в 1953 году американский астроном Хорас Бэбкок (Babcock H.W). Он предположил создание инструмента, который бы, выполнял измерение динамических атмосферных искажений в реальном времени и их корректировку с помощью быстро перестраиваемых формоизменяющих оптических элементов .

Однако реализовать его идеи на тот момент не удалось из-за ограниченности технологий.

Основная задача, которую можно решить системой адаптивной оптики, заключается в устранении возмущений волнового фронта, вызываемых неконтролируемыми случайными воздействиями. К наиболее известным системам такого типа относятся:

    Наземные телескопы, вследствие неоднородности земной атмосферы разрешающая способность данных систем снижается.

    Системы формирования и фокусировки лазерного излучения.

    Лазерные измерительные системы, работающие в атмосфере.

    Оптические системы мощных лазеров.

Реализация адаптивных оптических систем определяется конкретным, решаемым ею, кругом задач. Однако общие принципы построения таких систем одинаковы. Конструктивно адаптивная оптическая система обычно состоит из датчика, измеряющего искажения (датчик волнового фронта), корректора волнового фронта и системы управления, реализующей связь между датчиком и корректором. Общая схема адаптивной оптической схемы приведена на Рис.

1. .

Рис. 1. Общая схема адаптивной оптической системы

Датчики волнового фронта

Датчик волнового фронта (ДВФ) является одним из элементов адаптивной системы корректировки лазерного излучения. Его задача – измерять кривизну волнового фронта и передавать эти измерения на обрабатывающее устройство (Рис.2).

Рис. 2. Изображение искаженного волнового фронта, получаемое с помощью массива микролинз.

Основными причинами кривизны волнового фронта являются:

    Турбулентность атмосферы.

    Неидеальность форм оптических элементов системы.

    Погрешности при юстировке системы и др.

Сегодня существует большое разнообразие ДВФ. Однако, наиболее распространенный – на основе схемы Шака-Гартмана (Рис.3.).

Рис. 3. Типовая схема датчика Гартмана

История создания такого датчика началась в 1900х годах, когда немецкий физик и астроном Йоханнес Франц Гартман решил использовать множество малых апертур для отслеживания пути распространения отдельных световых лучей через большой телескоп, что позволило ему проверить качество изображения. Позднее, в 1960х, Роланд Шак и Бен Платт модифицировали эту технологию, заменив апертуры на множество линз (линзовый растр) .

Такой датчик наиболее часто используется в системах корректировки волнового фронта благодаря своим достоинствам. Одно из главных преимуществ датчика Шака-Гартмана – это его способность измерять большой диапазон наклонов волнового фронта, когда искажения другими методами (например, интерференционными) не измерить. Такой датчик может быть использован для определения аберраций в профиле неколлимированного лазерного пучка. Кроме того, у него малая чувствительность к механическим вибрациям, и он может работать с импульсами большой мощности и фемтосекундной длительностью.

Датчик типа Шака-Гартмана состоит из матрицы микролинз и расположенного в их фокальной плоскости фотоприёмника. Каждая линза обычно имеет размеры от 1 мм и меньше. Линзы датчика разделяют исследуемый волновой фронт на субапертуры (апертура одной микролинзы), формируя в фокальной плоскости совокупность фокальных пятен. Положение каждого из пятен зависит от локального наклона волнового фронта пучка, пришедшего на вход датчика. Измеряя поперечные смещения фокальных пятен, можно вычислить средние углы наклонов волнового фронта в пределах каждой из субапертур. По этим величинам вычисляется профиль волнового фронта на всей апертуре датчика .

Рис. 4. Принцип работы датчика волнового фронта

Когда приходящий волновой фронт плоский, все изображения расположены в правильной сетке, определенной геометрией матрицы линз. Как только волновой фронт искажается, изображения смещаются со своих номинальных положений. Смещения центроидов изображения в двух ортогональных направлениях пропорциональны средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по суб-апертурам. Таким образом, ДВФ Шака-Гартмана (ДВФ Ш-Г) измеряет наклоны волнового фронта. Сам волновой фронт реконструируется (восстанавливается) из массива измеренных наклонов с точностью до константы, которая не играет роли для изображения.

Характеристики ДВФ Шака-Гармана:

    Амплитуда измеряемых аберраций – до 15 мкм.

    Точность измерений – λ/100 (RMS).

    Диаметр входного излучения – 8…100 мм.

Однако ДВФ Шака-Гартмана имеют один существенный недостаток: перекрестные помехи на ПЗС-матрицах. Они возникают, когда достаточно сильно искаженный волновой фронт падает на матрицу, поскольку при сильных отклонениях он может выйти за пределы своего подмассива и попасть на соседнюю матрицу. Таким образом, создается ложное пятно.

Но сегодня ошибки из-за перекрестных помех исключаются с помощью сложных алгоритмов. Они позволяют точно отслеживать и выводить истинное расположение пятна. Современное развитие алгоритмов и точности изготовления позволяют расширить область применения этих датчиков. Сегодня они нашли применение в различных системах проверки изображения.

Корректоры волнового фронта

Адаптивное зеркало – это исполнительный активный элемент адаптивной оптической системы, имеющий отражающую поверхность с деформируемым профилем. Деформируемые зеркала являются наиболее удобным инструментом для контроля волнового фронта и коррекции оптических аберраций.

Основные характеристики адаптивных зеркал:

    Диапазон перемещений (характеризуется чувствительностью привода в составе зеркала (обычно чувствительность выражается в перемещениях поверхности в микрометрах при увеличении управляющего напряжения на 1 В)).

    Область локальной деформации (отражает число степеней свободы зеркала (может быть задана эффективной шириной деформации единичной амплитуды, вызванной воздействием одного привода; функция, описывающая эту деформацию, называется функцией отклика)).

    Полоса пропускания частот (определяется быстродействием используемого привода (ограничена сверху механическими резонансами самой конструкции зеркала)).

Конструктивно адаптивные зеркала можно разделить на две большие группы:

1)Сегментированные зеркала.

2)Зеркала со сплошной поверхностью.

В сегментированных зеркалах каждая отдельная секция допускает ее перемещение и наклон (или только перемещение). Сплошное зеркало под воздействием специальных приводов испытывает сложные деформации.

Выбор той или иной конструкции определяется спецификой системы, в которой оно будет использовано. К основным факторам, которые учитываются в данном случае, относятся габаритный размер, масса и качество изготовления поверхности зеркала.

Сегментированные зеркала

Сегментированные зеркала состоят из отдельных независимых сегментов плоских зеркал. Каждый сегмент можно перемещать на небольшое расстояние и обратно для корректировки среднего значения волнового фронта.

Секционированные адаптивные зеркала с поступательным перемещением секций (рис.5, а) позволяют изменять только временные фазовые соотношения между сигналами от отдельных секций (длину оптического пути), а зеркала с перемещением и наклоном секций (рис.5, б) – также и пространственную фазу.

Рис. 5. Секционированные адаптивные зеркала: а) с поступательным перемещением секций, б) с перемещением и наклоном секций

Существенными недостатками секционированных зеркал является необходимость контроля положения отдельной секции и состояния ее поверхности, а также сложность реализации системы термостабилизации подобных зеркал.

1)Количество актуаторов – 100 – 1500.

2)Промежутки между актуаторами – 2-10 мм.

3)Форма электродов – прямоугольная или шестиугольная.

5)Амплитуда перемещения – несколько микронов.

6)Резонансная частота – несколько килогерц.

7)Стоимость – высокая.

Зеркала со сплошной поверхностью

Зеркала с дискретными приводами (Рис. 6.) образованы на передней поверхности тонкой деформируемой мембраны. Управление формой пластины осуществляется с помощью ряда отдельных приводов, которые крепятся к его задней стенке. Формы зеркала зависит от сочетания сил, действующих на переднюю панель, граничных условий (как плита крепится к зеркалу), а также геометрии и материала пластинки.

Эти зеркала позволяют плавно регулировать волновой фронт с очень большим числом (до нескольких тысяч) степеней свободы.

Рис. 6. Схема зеркала с дискретными приводами.

Биморфные зеркала

Биморфное зеркало (Рис.7.) состоит из двух пьезоэлектрических пластин, которые скреплены между собой и поляризованы в противоположных направлениях (параллельных осям). Между этими пластинами расположен массив электродов. Лицевая и обратная поверхности заземлены. В качестве отражающей поверхности используется лицевая сторона зеркала .

Рис.7. Схема биморфного зеркала.

В момент, когда к электроду прикладывается напряжение, одна из пластин сжимается, а противоположная – растягивается, что приводит к местному искривлению. Местная кривизна зеркала пропорциональна подаваемому напряжению, поэтому эти деформируемые зеркала также называют зеркалами кривизны.

Типичные параметры сегментных деформируемых зеркал:

1)Количество актуаторов – 18 – 35

2)Промежутки между актуаторами – 30-200 мм.

3)Форма электродов -радиальная.

5)Резонансная частота –более 500 Гц.

6)Стоимость – умеренная.

Мембранные зеркала.

Деформация мембраны этих зеркал достигается за счет действия магнитного поля. К мембране крепится набор магнитов прямо напротив соленоидов. При протекании тока по соленоидам возникают Лапласовы силы, которые и деформируют мембрану.

MOEMS (кремниевая технология)

MOEMS (Рис.8.) – микро-опто-электро-механические системы. Такие адаптивные зеркала изготавливаются с помощью микролитографии, подобно электронным микросхемам, отклонение маленьких элементов зеркала осуществляется электростатическими силами. Недостатками MOEMS являются недостаточные перемещения и малый размер элементов зеркала.

Рис.8. Принцип работы MOEMS зеркала

Другой метод управления фазой света – использование жидких кристаллов, как в мониторах, имеющих до миллиона управляемых элементов. До недавнего времени жидкие кристаллы были очень медленными, но сейчас это ограничение преодолено. Хотя фазовый сдвиг, вносимый жидкими кристаллами, остается очень маленьким и к тому же не стоит забывать, что он зависит от длины волны.

Заключение

Изучив в ходе данной работы устройство и характеристики компонентов адаптивных оптических систем, можно заключить о том, что разработка новых видов компонентов АОС не стоит на месте. Новые разработки в области фотоники и оптических материалов позволяют создавать более совершенные компоненты адаптивных систем с лучшими характеристиками, чем у их предшественников.

Список литературы:

    Вирт А., Гонсировский Т. Адаптивная оптика: согласование атмосферной турбулентности // Фотника, 2007, номер 6, стр. 10 – 15.

    Берченко Е.А., Калинин Ю.А., Киселев В.Ю., Полынкин М.А. Датчики волнового фронта // Лазерно-оптические системы и технологии, 2009, стр. 64–69.

    A.G. Aleksandrov, V.E. Zavalova, A.V. Kudryashov, A.L. Rukosuev, P.N. Romanov, V.V. Samarkin, Yu.V. Sheldakova, “Shack – Hartmann wavefront sensor for measuring the parameters of high-power pulsed solid-state lasers”, QUANTUM ELECTRON , 2010, 40 (4), 321–326.

    Алиханов А.Н., Берченко Е.А., Киселёв В.Ю., Кулешов В.Н., Курчанов М.С., Нарусбек Э.А., Отсечкин А.Г., Прилепский Б.В., Сон В.Г., Филатов А.С., Деформируемые зеркала для силовых и информационных лазерных систем //Лазерно-оптические системы и технологии, ФГУП “НПО АСТРОФИЗИКА”, М. , 2009, стр. 54–58

    Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И., Принципы адаптивной оптики, //Москва, Наука, (1985) ,стр. 336.

    Воронцов М.А., Корябин А.В., Шмальгаузен В.И., Управляемые оптические системы. //Москва, Наука, (1988), стр. 275.

    Krasheninnikov V. R. Estimation of Parameters of Geometric Transformation of Images by Fixed-Point Method / V. R. Krasheninnikov, M. A. Potapov // Pattern Recognition and Image Analysis. – 2012. – Vol. 22, № 2. – P. 303 –317.

Дополнительные источники информации:

    Лазерный Портал: http://www.laserportal.ru//

    Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_optics

    Astronet: http://www.astronet.ru/db/msg/1205112/part2/dm.html#SEC2.2

Продолжительность:

Слушатели:

студенты 5-го курса кафедры ОФВиП, физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова (около 15 студентов)

Описание:

Курс представляет основные принципы адаптивной оптики, включая проблемы прохождения света через искажающую среду, фазовой коррекции, статистического анализа фазовых искажений. Рассматривается также проблема анизопланатизма в адаптивной оптике. Курс знакомит студентов с основами фазовых измерений и техникой фазовой коррекции в адаптивной оптике, а также некоторыми её приложениями.

Программа курса:

1. Задачи управления параметрами оптической системы.
Повышение углового разрешения астрономических телескопов и ограничения, вносимые атмосферной турбулентностью. Фазировка многозеркальных телескопов. Звездный интерферометр Майкельсона. Фокусировка лазерного пучка сквозь турбулентную атмосферу.Обращение волнового фронта и фазовое сопряжение. Проблема спеклов. Компенсация оптических внутрирезонаторных неоднородностей в лазерах и проблема формирования дифракционно-ограниченых пучков.

2. Аберрации оптических систем.
Линейные оптические системы и способы их описания. Преобразование комплексной амплитуды. Импульсная реакция и передаточная функция. Учет аберраций. Обобщенный принцип Гюйгенса-Френеля Передаточная функция оптической системы с аберрациями. Некогерентные системы. Оптическая передаточная функция (ОПФ) и частотно-контрастная характеристика изображающей системы. Число Штреля и нормированное разрешение системы, их зависимость от силы аберраций.

3. Разложение аберраций по ортогональным функциям.
Свойства ортонормированных систем функций. Полиномы Цернике [см. Полиномы Цернике]. Коэффициенты аберраций. Случайные аберрации и способы их описания. Корреляционная матрица аберрационных коэффициентов. Усредненные характеристики оптической системы. Средняя квадратичная фазовая ошибка. Приближенные выражения для разрешения системы и числа Штреля.

4. Атмосферные аберрации.
Флуктуации показателя преломления в турбулентной атмосфере. Структурная функция флуктуаций фазы. Радиус корреляции (Фридовский радиус). ОПФ и число Штреля в случае фазовых флуктуаций. Корреляция коэффициентов аберраций в атмосфере. Выражение корреляционных коэффициентов через структурную функцию фазы. Зависимость дисперсии коэффициентов от размера апертуры и радиуса корреляции.

5. Компенсация аберраций управляемыми фазовыми корректорами.
Типы корректоров и схемы их применения. Адаптивные оптические системы. Идеальный модальный корректор ВФ. Потенциальная эффективность модального корректора при компенсации атмосферных искажений. Выражение для остаточной квадратичной ошибки. Распределение остаточной ошибки по апертуре в зависимости от числа степеней свободы корректора.

6. Способы управления корректором в адаптивных системах.
Типичные схемы адаптивных систем. Системы фазового сопряжения и апертурного зондирования. Структура управления системами с датчиком ВФ. Источники погрешностей и их вклад в общую остаточную ошибку. Организация поиска максимума в системах апертурного зондирования. Выбор критерия качества. Проблема локальных экстремумов. Достоинства и недостатки систем апертурного зондирования.

7. Анизопланатизм адаптивных систем.
Угол изопланатизма идеальной адаптивной системы в турбулентной атмосфере. Влияние флуктуаций средней фазы и наклонов ВФ. Анизопланатизм при модальной коррекции. Длинноэкспозиционные и короткоэкспозиционные изображения. Способы расширения поля зрения адаптивной системы. Методы улучшения качества зарегистрированных изображений.

8. Амплитудные флуктуации в адаптивных системах.
Флуктуации интенсивности в атмосфере. Спеклы и особенности спекл-полей. Слабые флуктуации амплитуды и их описание. Структурная функция волны. Влияние амплитудных флуктуаций на ОПФ и число Штреля. Остаточная ошибка и точность фазовых измерений при наличии флуктуаций амплитуды.

9. Измерение искажений ВФ в адаптивной оптике 1.
Измерение локальных наклонов. Принципиальные ограничения: дробовой шум фотонов, шумы фотоприемника. Сдвиговые интерферометры: вращающиеся дифракционные решетки, двухканальная и совмещенная схемы; оценки чувствительности.

10. Измерение искажений ВФ в адаптивной оптике 2.
Интерферометр поперечного сдвига с голографическим фильтром; интерферометр радиального сдвига. Датчик Шарка-Гартмана. Позиционная характеристика; оценки точности и чувствительности. Датчик кривизны ВФ. Характеристики современных схем датчиков ВФ.

11. Восстановление ВФ по измеренным локальным наклонам.
Восстановление профиля ВФ метод наименьших квадратов. Вычисление коэффициентов аберраций; разложение по функциям отклика корректора. Восстановление ВФ с учетом статистики фазовых искажений (байесовский подход).

12. Методы высокоразрешающей фазовой коррекции.
Жидкокристаллические пространственные модуляторы фазы и адаптивные системы с оптической обратной связью. Основное уравнение системы; принципиальные ограничения. Методы визуализации фазовых искажений: дефокусировка и свободное распространение; преобразование Гильберта; интерферометр поперечного сдвига и голографический фильтр; интерферометр радиального сдвига.

13. Проблема опорного источника в астрономии.
Методы создания искусственных опорных источников: Рэлеевское рассеяние в атмосфере; использование натриевых слоев, возбуждаемых лазерным излучением. Проблема измерения средних наклонов. Анизопланатизм измерения ВФ с использованием искусственного опорного источника. Системы с многими опорными источниками.

14. Современные применения адаптивной оптики.
Коррекция фазовых искажений лазерных пучков в задачах ЛТС и системах формирования фемтосекундных лазерных импульсов; системы внутрирезонаторной коррекции термоаберраций в активных элементах технологических лазеров средней мощности. Формирование заданного распределения интенсивности в пучке технологического СО2 лазера. Использование адаптивной оптики в офтальмологии: измерение аберраций глаза человека; повышение разрешения изображений сетчатки в ретиноскопии; многоспектральная ретиноскопия.

Лекции:

· № 1. Вводная.
· № 2. Изображающие системы с линзой.
· № 3. Некогерентные системы.
· № 4. Измерение искажений ВФ в адаптивной оптике. Часть I .
· № 5. Измерение искажений ВФ в адаптивной оптике. Часть II .
· № 6. Измерение искажений ВФ в адаптивной оптике. Часть III .

Россыпь звезд, будто подмигивающих наблюдателю, выглядит очень романтично. Но у астрономов это красивое мерцание вызывает вовсе не восхищение, а совершенно противоположные чувства. К счастью, есть способ исправить ситуацию.

Алексей Левин

Эксперимент, вдохнувший новую жизнь в науку о космосе, был выполнен не в знаменитой обсерватории и не на гигантском телескопе. Специалисты узнали о нем из статьи Successful Tests of Adaptive Optics, опубликованной в астрономическом журнале The Messenger в 1989 году. Там были представлены результаты испытаний электрооптической системы Come-On, предназначенной для корректировки атмосферных искажений света космических источников. Их провели с 12 по 23 октября на 152-см рефлекторе французской обсерватории OHP (Observatoire de Haute-Province). Система сработала настолько хорошо, что авторы начали статью утверждением, что «давняя мечта астрономов, работающих на наземных телескопах, наконец-то исполнилась благодаря созданию новой техники оптических наблюдений — адаптивной оптики».


А через несколько лет системы адаптивной оптики (АО) начали ставить на большие инструменты. В 1993 году ими оснастили 360-см телескоп Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, чуть позже — такой же инструмент на Гавайях, а затем и 8−10-метровые телескопы. Благодаря АО в наземные инструменты можно наблюдать светила в видимом свете с разрешающей способностью, которая была уделом лишь космического телескопа Hubble, а в инфракрасных лучах — даже с более высокой. Например, в очень полезном для астрономии участке ближней инфракрасной зоны с длиной волны 1 мкм Hubble обеспечивает разрешение в 110 угловых мс, а 8-метровые телескопы ESO — до 30 мс.

На самом деле, когда французские астрономы испытывали свою систему АО, в США уже существовали аналогичные устройства. Но создали их вовсе не для нужд астрономии. Заказчиком этих разработок был Пентагон.


Сенсор Шека-Хартмана работает так: покинув оптическую систему телескопа, свет проходит сквозь решетку из небольших линз, направляющих его на ПЗС-матрицу. Если бы излучение космического источника или искусственной звезды распространялось в вакууме или в идеально спокойной атмосфере, то все мини-линзы фокусировали бы его строго в центре отведенных им пикселей. Из-за атмосферных завихрений точки схождения лучей «гуляют» по поверхности матрицы, и это позволяет реконструировать сами возмущения.

Когда воздух помеха

Если наблюдать в телескоп две звезды, расположенные на небосводе очень близко друг к другу, их изображения сольются в одну светящуюся точку. Минимальное угловое расстояние между такими звездами, обусловленное волновой природой света (дифракционный предел), — это и есть разрешающая способность прибора, и она прямо пропорциональна длине волны света и обратно пропорциональна диаметру (апертуре) телескопа. Так, для трехметрового рефлектора при наблюдениях в зеленом свете этот предел составляет около 40 угловых мс, а для 10-метрового — чуть больше 10 мс (под таким углом мелкая монета видна с расстояния 2000 км).

Однако эти оценки справедливы только для наблюдений в вакууме. В земной атмосфере постоянно возникают участки локальной турбулентности, которая несколько сотен раз в секунду изменяет плотность и температуру воздуха и, следовательно, его показатель преломления. Поэтому в атмосфере фронт световой волны от космического источника неминуемо расплывается. В результате реальная разрешающая способность обычных телескопов в лучшем случае составляет 0,5−1 угловую секунду и сильно не дотягивает до дифракционного предела.


Ранее размеры корректируемых зон небосвода ограничивались клетками со стороной в 15 угловых мс. В марте 2007 года на одном из телескопов ESO была впервые опробована мультисопряженная адаптивная оптика (MCAO). Она прощупывает турбулентности на разных высотах, что позволило увеличить размер корректируемого поля зрения до двух и более угловых минут. «В этом столетии возможности АО сильно расширились, — говорит «ПМ» профессор астрономии и астрофизики Клэр Макс, директор Центра адаптивной оптики Калифорнийского университета в Санта-Крус. — На больших телескопах установлены системы с двумя и тремя деформируемыми зеркалами, к числу которых относится и МСАО. Появились новые сенсоры волнового фронта и более мощные компьютерные программы. Созданы зеркала с микроэлектромеханическими актуаторами, позволяющими изменять форму отражающей поверхности лучше и быстрее, чем актуаторы на пьезоэлектриках. В последние годы разработаны и опробованы экспериментальные системы мультиобъектной адаптивной оптики (МОАО), с помощью которых можно одновременно отслеживать до десяти и более источников в поле зрения диаметром 5−10 угловых минут. Их установят на телескопах нового поколения, которые приступят к работе в следующем десятилетии».

Путеводные звезды

Представим себе прибор, который сотни раз в секунду анализирует прошедшие через телескоп световые волны на предмет выявления следов атмосферных завихрений и по этим данным изменяет форму деформируемого зеркала, помещенного в фокусе телескопа, чтобы нейтрализовать атмосферные помехи и в идеале сделать изображение объекта «вакуумным». В этом случае разрешающая способность телескопа ограничивается исключительно дифракционным пределом.

Однако есть одна тонкость. Обычно свет далеких звезд и галактик чересчур слаб для надежной реконструкции волнового фронта. Другое дело, если рядом с наблюдаемым объектом имеется яркий источник, лучи от которого идут к телескопу почти по такому же пути, — ими-то и можно воспользоваться для считывания атмосферных помех. Именно такую схему (в несколько урезанном виде) в 1989 году опробовали французские астрономы. Они выбрали несколько ярких звезд (Денеб, Капеллу и другие) и с помощью адаптивной оптики действительно улучшили качество их изображений при наблюдениях в инфракрасном свете. Вскоре такие системы, использующие звезды-маяки (guide stars) земного небосвода, начали применять на больших телескопах для реальных наблюдений.


Но ярких звезд на земном небе немного, так что эта методика пригодна для наблюдений всего лишь 10% небесной сферы. Но если природа не создала подходящее светило в нужном месте, можно создать искусственную звезду — с помощью лазера вызвать на большой высоте свечение атмосферы, которое станет опорным источником света для компенсирующей системы.

Этот метод в 1985 году предложили французские астрономы Рено Фуа и Антуан Лабейри. Примерно тогда же к аналогичным выводам пришли и их коллеги из США Эдвард Кибблуайт и Лэйрд Томсон. В середине 1990-х лазерные излучатели в паре с аппаратурой АО появились на телескопах средних размеров в Ликской обсерватории в США и в обсерватории Калар Альто в Испании. Однако этой технике понадобилось около десяти лет, чтобы она нашла применение на 8−10-метровых телескопах.


Исполнительный элемент системы адаптивной оптики — это деформируемое зеркало, изгибаемое с помощью пьезоэлектрических или электромеханических приводов (актуаторов) по командам системы управления, которая получает и анализирует данные об искажениях от датчиков волнового фронта.

Военный интерес

История адаптивной оптики имеет не только явную, но и тайную сторону. В январе 1958 года в Пентагоне учредили новую структуру, Управление перспективных оборонных исследовательских проектов — Advanced Research Projects Agency, ARPA (сейчас DARPA), ответственное за разработку технологий для новых поколений оружия. Это ведомство сыграло первостепенную роль в создании адаптивной оптики: для наблюдения за советскими орбитальными аппаратами требовались нечувствительные к атмосферным помехам телескопы с максимально высоким разрешением, а в перспективе рассматривалась задача создания лазерного оружия для уничтожения баллистических ракет.

В середине 1960-х под контролем ARPA была запущена программа изучения атмосферных возмущений и взаимодействия лазерного излучения с воздухом. Этим занимались в исследовательском центре RADC (Rome Air Development Center), расположенном на авиабазе Гриффис в штате Нью-Йорк. В качестве опорного источника света использовали мощные прожектора, установленные на пролетающих над полигоном бомбардировщиках, и это было столь впечатляющим, что испуганные жители порой обращались в полицию!


Весной 1973 года ARPA и RADC подрядили частную корпорацию Itec Optical Systems для участия в разработке приборов, компенсирующих рассеивание света под действием атмосферных возмущений, в рамках программы RTAC (Real-Time Atmospheric Compensation). Сотрудники Itec создали все три главных компонента АО — интерферометр для анализа возмущений светового фронта, деформируемое зеркало для их исправления и систему управления. Их первое зеркало двухдюймового диаметра было сделано из стекла, покрытого отражающей пленкой из алюминия. В опорную пластинку были встроены пьезоэлектрические актуаторы (21 штука), способные под действием электрических импульсов сокращаться и удлиняться на 10 мкм. Уже первые лабораторные тесты, проведенные в том же году, свидетельствовали об успехе. А следующим летом новая серия тестов продемонстрировала, что экспериментальная аппаратура может исправить лазерный луч уже на расстояниях в несколько сотен метров.

Эти чисто научные эксперименты еще не были засекречены. Однако в 1975 году была утверждена закрытая программа CIS (Compensating Imaging System) разработки АО в интересах Пентагона. В соответствии с ней были созданы более совершенные сенсоры волнового фронта и деформируемые зеркала с сотнями актуаторов. Эту аппаратуру установили на 1,6-метровом телескопе, расположенном на вершине горы Халеакала на гавайском острове Мауи. В июне 1982 года с ее помощью впервые удалось получить фотографии искусственного спутника Земли приемлемого качества.


С лазерным прицелом

Хоть эксперименты на Мауи продолжались еще несколько лет, центр разработки переместился в особую зону авиабазы Киртленд в штате Нью-Мексико, на секретный полигон Sandia Optical Range (SOR), где уже давно работали над лазерным оружием. В 1983 году группа под руководством Роберта Фьюгейта приступила к экспериментам, в ходе которых предстояло изучить лазерное сканирование неоднородностей атмосферы. Эту идею в 1981 году выдвинул американский физик Джулиус Фейнлейб, и теперь ее нужно было проверить на практике. Фейнлейб предложил использовать в системах АО упругое (рэлеевское) рассеяние квантов света на неоднородностях атмосферы. Некоторые из рассеянных фотонов возвращаются в точку, из которой ушли, и в соответствующем участке небосвода возникает характерное свечение почти точечного источника — искусственная звезда. Фьюгейт с коллегами регистрировали искажения волнового фронта отраженного излучения на пути к Земле и сравнивали их с аналогичными возмущениями звездного света, пришедшего с этого же участка небосвода. Возмущения оказались почти идентичными, что подтвердило возможность использования лазеров для решения задач АО.

Эти измерения не требовали сложной оптики — хватило простых зеркальных систем. Однако для более надежных результатов их надо было повторить на хорошем телескопе, который и был установлен на SOR в 1987 году. Фьюгейт с помощниками провели на нем эксперименты, в ходе которых и родилась адаптивная оптика с рукотворными звездами. В феврале 1992 года было получено первое значительно улучшенное изображение небесного тела — Бетельгейзе (самого яркого светила созвездия Ориона). Вскоре возможности метода продемонстрировали на фотографиях еще ряда звезд, колец Сатурна и других объектов.


Группа Фьюгейта зажигала искусственные звезды мощными лазерами на парах меди, генерировавшими 5000 импульсов в секунду. Столь высокая частота вспышек позволяет сканировать даже самые короткоживущие турбулентности. На смену интерферометрическим сенсорам волнового фронта пришел более совершенный сенсор Шека-Хартмана, изобретенный в начале 1970-х годов (кстати, тоже по заказу Пентагона). Зеркало с 241 актуатором, поставленное фирмой Itec, могло изменять форму 1664 раза в секунду.

Поднять повыше

Рэлеевское рассеяние довольно слабо, поэтому его возбуждают в диапазоне высот 10−20 км. Лучи от искусственной опорной звезды расходятся, в то время как лучи от гораздо более далекого космического источника строго параллельны. Поэтому их волновые фронты искажаются в турбулентном слое не совсем одинаково, что сказывается на качестве скорректированного изображения. Звезды-маяки лучше зажигать на большей высоте, но рэлеевский механизм здесь непригоден.

Весной 1991 года Пентагон решил снять гриф секретности с большей части работ по адаптивной оптике. Рассекреченные результаты 1980-х годов стали достоянием астрономов.

Эту проблему в 1982 году разрешил профессор Принстонского университета Уилл Харпер. Он предложил воспользоваться тем, что в мезосфере на высоте порядка 90 км много атомов натрия, скопившихся там из-за сгорания микрометеоритов. Харпер предложил возбуждать резонансное свечение этих атомов с помощью лазерных импульсов. Интенсивность такого свечения при равной мощности лазера на четыре порядка выше силы света при рэлеевском рассеянии. Это была только теория. Ее практическое воплощение стало возможным благодаря усилиям сотрудников Линкольновской лаборатории, расположенной на авиабазе Хэнском в штате Массачусетс. Летом 1988 года они получили первые снимки звезд, выполненные с помощью мезосферных маяков. Однако качество фотографий не было высоким, и реализация метода Харпера потребовала многолетней шлифовки.


B 2013 году был успешно испытан уникальный прибор Gemini Planet Imager для фото- и спектрографирования экзопланет, предназначенный для восьмиметровых телескопов Gemini. Он позволяет с помощью АО наблюдать планеты, чья видимая яркость в миллионы раз меньше яркости звезд, вокруг которых они обращаются.

Весной 1991 года Пентагон решил снять гриф секретности с большей части работ по адаптивной оптике. Первые сообщения о ней были сделаны в мае на конференции Американской астрономической ассоциации в Сиэтле. Вскоре последовали и журнальные публикации. Хотя американские военные продолжали заниматься адаптивной оптикой, рассекреченные результаты 1980-х годов стали достоянием астрономов.

Великий уравнитель

«АО впервые дала возможность наземным телескопам получать данные о структуре очень далеких галактик, — говорит профессор астрономии и астрофизики Клэр Макс из университета в Санта-Крус. — До наступления эры АО их можно было наблюдать в оптическом диапазоне лишь из космоса. Все наземные наблюдения движения звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Галактики ведутся также с помощью АО.


АО много дала и для изучения Солнечной системы. С ее помощью получена обширная информация о поясе астероидов — в частности, о двойных астероидных системах. АО обогатила знания об атмосферах планет Солнечной системы и их спутников. Благодаря ей вот уже лет пятнадцать ведутся наблюдения газовой оболочки Титана, самого большого спутника Сатурна, позволившие отследить суточные и сезонные изменения его атмосферы. Так что уже накоплен обширный массив данных о погодных условиях на внешних планетах и их сателлитах.

В определенном смысле адаптивная оптика уравняла возможности земной и космической астрономии. Благодаря этой технологии крупнейшие стационарные телескопы с их гигантскими зеркалами обеспечивают куда лучшее разрешение, чем «Хаббл» или еще не запущенный ИК-телескоп «Джеймс Уэбб». К тому же измерительные приборы для наземных обсерваторий не имеют жестких весовых и габаритных ограничений, которым подчинено проектирование космической аппаратуры. Так что вовсе не будет преувеличением сказать, — закончила профессор Макс, — что адаптивная оптика радикально преобразовала многие ветви современной науки о Вселенной».

Об отрицательном ГВЗ

  На первый взгляд кажется ересью. Вроде бы машину времени еще не изобрели Однако, если внимательно вчитаться в определение Группового Времени Задержки/Запаздывания (ГВЗ), как производной фазы сигнала по частоте (или тангенса угла наклона к касательной в выбранной точке на графике ФЧХ), принципиальной невозможности отрицательных значений ГВЗ нет. Другой вопрос – физический смысл этого явления и можно ли использовать это в своих целях…

  1. Рассмотрим простейший пример – устройство, имеющее интегрирующую и дифференцирующую цепочки. На следующем рисунке даны АЧХ, ФЧХ и график ГВЗ (GD) таких цепей – синим цветом – интегрирующей, и красным цветом – дифференцирующей.

Рис.1.

  Для интегрирующей цепочки ГВЗ везде положительно, а вот на выходе дифференцирующей цепочки (красный график ФЧХ) имеется участок, где фаза выходного сигнала начинает опережать фазу входного сигнала. И на графике ГВЗ мы видим, что эта цепь на этих частотах имеет отрицательное ГВЗ. В электронике такое звено называется “форсирующим”.
  Говоря об АЧХ и ФЧХ подразумевается, что мы имеем дело со стационарным гармоническим сигналом. И опережение фазы выходного сигнала над фазой входного для этих условий – вполне нормальное явление.

  2. А теперь взглянем на прохождение прямоугольного импульсного сигнала, через те же цепи. Спектр сигнала такой формы, в отличие от гармонического сигнала, имеет множество гармоник (графики зеленого цвета) и амплитудно-фазовые характеристики этих цепей обязательно повлияют на форму импульса.

Рис.2.

  Интегрирующая цепочка (графики синего цвета) “сгладила” фронты прямоугольного импульса, одновременно несколько задержав его во времени. Дифференцирующая цепочка (графики красного цвета) “акцентировала” фронты выбросами как по переднему, так и по заднему фронту. Вспомним определение ГВЗ, данное в первой части статьи – “Групповое время задержки – энергетическое понятие… Оно соответствует скорости распространения центра тяжести энергии волнового пакета.” Считая прямоугольный импульс волновым пакетом суммы гармоник, можно провести аналогию, и, с этих позиций увидеть, куда “съехал” энергетический “центр тяжести” импульса. В первом случае он оказался задержанным, а во втором случае – подтянулся к переднему фронту импульса. Или иными словами – он как бы ускорился, или, иначе говоря, “форсировался” во времени. И получается, что отрицательное ГВЗ – не математическая абстракция, а вполне реальное явление…

  3. Однако, говоря о звуковоспроизведении, не нужно забывать, что музыкальные сигналы, проходящие через звуковоспроизводящий тракт далеки по форме от прямоугольных импульсов , а их амплитуды постоянно меняются, то есть нестационарны во времени. Другими словами, система постоянно испытывает разнообразные переходные процессы. Причем огибающую (закон изменения амплитуды сигнала) не менее важно передать через весь тракт (включая АС) с минимальными искажениями (линейными), чем собственно сам сигнал (здесь имеются в виду уже нелинейные искажения). Откуда же могут взяться линейные искажения? Попробуем ответить на этот вопрос. Логично предположить, что они возникают на границах частотного диапазона, где наблюдаются наибольшие искажения АЧХ. С этой точки зрения наибольший интерес должен представлять низкочастотный граничный участок АЧХ системы, если проанализировать характер нестационарности (или спектр огибающей) музыкального сигнала. Этим и займемся.
  Несколько упростим ситуацию для анализа и рассмотрим спектр одного из видов нестационарного сигнала – волнового пакета (Tone_Burst), часто используемого для тестирования и настройки звуковых трактов. Для конкретности, пусть его длительность равна 100мС, период повторения 200мС (что соответствует частоте 5Гц) и заполнение идет сигналом с частотой 50Гц. Назовем ее несущей частотой. Посмотрим, за что отвечают гармоники такого сигнала, лежащие выше и ниже частоты этой несущей. Сначала попробуем урезать по амплитуде высшие гармоники –

Рис.3.

  Видим, что волновой пакет оказался несколько задержанным во времени, но его структура (огибающая) коренным образом не изменилась. Причем, чем больше порядок фильтра, тем больше задержка и плавнее “излом” в начале и конце пакета. Можно сказать, что ФНЧ влияет в основном на собственно сигнал несущей (50Гц), его мгновенные значения.
  А теперь аналогично подрежем амплитуду гармоник, лежащих ниже частоты несущей и посмотрим, что вышло –

Рис.4.

  Видно, что волновой пакет сильно изменился – больше всего пострадала огибающая сигнала, а для ФВЧ 4-го порядка – особенно… В первой части статьи было подробно рассмотрено прохождение такого вида сигнала через ФВЧ и показана связь между искажением формы огибающей и ГВЗ такого фильтра. Сейчас же постараемся подойти к этому вопросу с точки зрения спектрального анализа данного вида сигнала.
  Если рассматривать такой сигнал как амплитудно-модулированные (АМ) колебания со 100% модуляцией (или же “радиоимпульс”), то легче понять, почему так происходит. С позиций радиотехники по спектру сигнала – в нашем случае имеется несущая (50Гц) с двумя боковыми полосами, порожденными амплитудной модуляцией. Так вот, с этих позиций левая боковая полоса, как мы убедились, в основном, и отвечает за форму огибающей, а правая боковая полоса формируется изломом сигнальной кривой в точке начала и конца волнового пакета. При прохождениии “радиоимпульса” через дифференцирующую цепь левая боковая полоса оказалась несколько ослабленной, причем чем дальше по частоте от несущей, тем больше.
  Вспомнив же принципы амплитудной модуляции можно сопоставить частотный спектр левой боковой полосы со спектром целевого сигнала (огибающей), который нам желательно провести сквозь весь звуковоспроизводящий тракт с минимальными линейными искажениями. Чем нам грозит ослабление ИНЧ-гармоник, отвечающих за правильное воспроизведение огибающей нестационарного (музыкального) сигнала, можно понять, если мысленно “отзеркалировать” левую боковую полосу, отвечающую за форму огибающей, относительно несущей частоты (50Гц) вверх по частоте.

Рис.5.

  Те гармоники, которые были самыми низкочастотными, оказались самыми высокочастотными. С этой мысленной позиции получается так, что “ВЧ” (бывшие “НЧ”) гармоники огибающей завалены по амплитуде, что равносильно ситуации, в которой огибающая (без несущей) “радиоимпульса” как бы прошла через интегрирующее звено. И все встает на свои места – в силу “зеркальности” левой боковой полосы, дифференцирующее звено становится интегрирующим для огибающей (задерживающим), а интегрирующее – дифференцирующим для нее, или ускоряющим (форсирующим). А вот это нам и нужно.

  4. Не будем открывать заново Америку – лучше рассмотрим подробнее одно из существующих решений подобного рода – НЧ-корректор Линквитца. Фактически (и схемотехнически)- это интегрирующее звено (для нас – форсирующее) с крутизной спада -12Дб/окт, или устройство, которое должно выправить ситуацию с падением амплитуды гармоник огибающей сигнала при прохождении сигнала через ФВЧ. В нашем случае ФВЧ – это электроакустический преобразователь, по простому,- акустическая система (АС). Ну, а если еще посмотреть график ГВЗ этого корректора, то мы увидим, что в интересующем нас диапазоне частот групповая запаздывание имеет отрицательное значение. Включенное последовательно в тракт перед АС, оно должно уменьшить общее ГВЗ системы (да и фазовый сдвиг заодно). Для большей универсальности корректор Линквитца схемотехнически выполнен так, что позволяет вдобавок скорректировать избыточную добротность АС. Для наглядности – демо-пример весьма кривой АС (типа ЗЯ), выправляемой таким корректором –

Рис.6.


  АЧХ корректора Линкитца рассчитывается так, чтобы она в интересующем нас диапазоне частот была зеркальна АЧХ АС. На графике ГВЗ видно, что в зоне коррекции в этом случае это звено имеет отрицательное ГВЗ, полностью компенсирующее выброс ГВЗ, имеющийся у исходной АС. Очень наглядно все это видно на графиках, моделирующих прохождение сигнала типа Tone_Burst по цепям этого демо-примера.

Рис.7.

  Без коррекции волновой пакет воспроизводится с затянутой атакой и длительным послезвучием на частоте резонансного горба АЧХ такой АС. Как это воспринимается на слух – наверное, знают многие Это следствие выброса на графике ГВЗ для нескорректированной АС. Огибающая сигнала вследствие этого сильно искажена. Корректор Линквитца форсирует фронты огибающей (атаку) за счет отрицательного ГВЗ, а кроме того несколько ослабляет амплитуду несущей, попадающей в полосу режекции, а в результате на выходе АС по SPL получается вполне приличная картинка. Аналогия (физическая) с детскими качелями вполне имеет место быть – сначала резко качнули, потом резко затормозили… Но за все приходится платить – цена такой коррекции – необходимость иметь усилитель с определенным запасом выходной мощности, требуемой для отработки таких воздействий при переходных процессах… Конечно, надо учесть, что корректор Линквитца – это не панацея при конструировании НЧ-звена – он решает только вопросы линеаризации АЧХ и, соответственно, уменьшения ГВЗ, а вопросы минимизации нелинейных искажений при этом, остаются за бортом… А это – весьма существенный вопрос, имеющий отношение к качеству воспроизведения всей фонограммы… Тут может помочь применение ЭМОС, но это уже совсем другая история…

  5. Кстати, корректор Линквитца можно сделать схемотехнически иначе, несколько проще, и с возможностью подстройки добротности и частоты режекции под конкретную АС. Это – весьма немаловажное достоинство предлагаемой схемы корректора – в реальном масштабе времени, используя измерительный микрофон, можно выставить оптимальные параметры НЧ-звена, обеспечивающие наилучшее качество звуковоспроизведения, не полагаясь только на результаты предварительного замера параметров АЧХ НЧ-звена до коррекции и последующего расчета параметров элементов корректора Линквитца, согласно его методики.

Рис.8.

  В схеме альтернативного корректора емкость C10 и цепочка из двух конденсаторов C7,C8 образуют делитель напряжения, который задает величину подъема на НЧ. Резисторами R11 или R12 (или совместно) настраивается центральная частота, а резистором R13 – добротность. К сожалению, эта подстройка получается в некоторой степени итерационной, поскольку эти параметры в данной схеме – взаимозависимы. К недостаткам можно отнести также сложность получения малой степени режекции – изначально она предназначалась для систем с ИТУНом, обладающих большим “горбом” на резонансе. При желании уменьшить число элементов, повторитель X4 можно перевести в режим неинвертирующего усилителя. Только при этом точку подключения R13 нужно будет переключить с выхода ОУ X4 на его инвертирующий вход. Мной подобный корректор применялся для АС с питанием от ИТУНа и показал неплохие результаты.

  Подведем некоторые итоги. Понятие ГВЗ неприменимо к стационарным сигналам. В какой-то мере оно характеризует степень линейных искажений, определяющих точность воспроизведения огибающей сигнала. Отрицательное ГВЗ – реальность, однако частотная область его существования ограничена. Существуют схемы коррекции, имеющие отрицательное ГВЗ, позволяющие существенно уменьшить линейные искажения, то есть улучшить переходные процессы в системе.

 

The combined use of adaptive optics and nonlinear optical wavefront reversal techniques to compensate for turbulent distortions when focusing laser radiation on distant objects

Совместное применение техники адаптивной оптики… Лукин В.П., и др.

Компьютерная оптика, 2020, том 44, №4 DOI: 10.18287/2412-6179-CO-725 529

ниями в этой точке, когда значение Cn2 изменялось от

8,4910–15 м – 2/3 до 6,510–14 м – 2/3. Это умеренный,

обычно наблюдаемый средний уровень значений Cn2

для интенсивности атмосферной турбулентности. Ин-

тенсивность турбулентности ожидаемо снижалась на

участках трассы, проходящих через лесные массивы.

Так, на последних 500 м трассы в лесу измеренная

интенсивность турбулентности упала до среднего

уровня 1,910–14 м – 2/3.

По зарегистрированным данным с помощью из-

мерителя 1Б68 метеорологической дальности види-

мости 18 сентября 2019 г. прозрачность атмосферы

менялась в пределах 10,1 км до 12,7 км. Дальность

видимости зависела от времени суток, увеличиваясь в

вечернее время.

5. Результаты испытаний макета в атмосфере

Задачей этих экспериментальных исследований

было испытание возможностей нелинейно-

оптического когерентного приема оптических сигна-

лов и фокусировки подсвета в комбинации с адаптив-

ной системой, а также отработка методик по адаптив-

ному концентрированию квазинепрерывного излуче-

ния. Для этого были состыкованы составные части

макета, включающие лазерный приемник (рис. 1) и

систему фазовой адаптивной коррекции (рис. 2).

Схема лазерного приемника-усилителя входного сиг-

нала, созданного в ИПФ РАН, представлена на рис. 1.

Макет системы устанавливался на трассах различ-

ной протяженности. На удалении от макета была раз-

мещена целевая зона, где был установлен анализатор

флуктуаций параметров лазерного излучения. Камера

анализатора была соединена с 2-импульсным лазером

на длине волны 1,064 мкм посредством волоконной

линии связи. Работа такого объединенного макета си-

стемы АО выполнялась согласно разработанной ме-

тодике. При этом объектом испытаний являлся сово-

купный макет, обеспечивающий выполнение экспе-

риментов по нелинейно-оптической адаптивной фо-

кусировке лазерного излучения. Назначение этого

макета – выполнение как лабораторных, так и натур-

ных экспериментов по адаптивной фокусировке ла-

зерного излучения при частоте следования парных

лазерных импульсов от единиц до сотни Гц.

Задачами испытаний на базе ИОФ РАН в части

фазовой системы АО являлись доказательства воз-

можности обеспечения работы датчиков волнового

фронта с использованием сигнала, отраженного от

удаленной малоразмерной цели и усиленного лазер-

ным приемником, работающим в частотно-

импульсном режиме, а также обеспечение адаптивно-

го концентрирования квазинепрерывного излучения.

Работа макета при этом проводилась в следующем

порядке. Первый импульс из последовательности

парных импульсов, генерируемых лазером на длине

волны 1,064 мкм, представляет собой сигнальный пу-

чок, т.е. пучок подсвета, который фокусируется в

объектной плоскости на диффузном отражателе с из-

вестной диаграммой отражения, либо на сферическом

отражателе. При этом оптическое пятно при исход-

ной фокусировке имеет размер, который можно рас-

считать по известным формулам. Отраженное от цели

(это непросветленная линза диаметром в 1 дюйм) из-

лучение проходит по трассе в обратном направлении

и, собранное приемо-передающим телескопом, попа-

дает на вход в лазерный приемник-усилитель сигнала,

где усиливается и преобразуется, в результате ОВФ-

преобразования излучение приобретает обращенную

фазу. Далее это усиленное излучение (см. рис.2) вы-

ходит из усилительного канала и после прохождения

через поворотное дихроичное зеркало попадает на

вход первого датчика волнового фронта (ДВФ1). Ре-

гулировка уровня сигнала на длине волны 1,064 мкм,

подаваемого на вход ДВФ1, осуществляется путем

установки ослабляющих фильтров. Как показали

предварительные исследования, выполненные в пе-

риод сентября – ноября 2019 г., принимаемый сигнал

от ОВФ-преобразователя обеспечивает устойчивую

работу ДВФ1, а также получение данных с компью-

тера для управления двумя активными элементами –

ТТЗ и ДЗ. В макете использована камера, работающая

на частоте не менее 300 Гц.

Вторая задача, решаемая макетом, – это обеспече-

ние адаптивного концентрирования квазинепрерыв-

ного лазерного излучения с использованием допол-

нительного непрерывного лазерного излучения на

длине волны 0,532 мкм и двух управляемых элемен-

тов ТТЗ и ДЗ. В качестве элемента ДЗ схемы (рис. 2)

использовано зеркало [36] отечественного производ-

ства. Зеркало имеет 59 актюаторов, обеспечивающих

управление фазовым профилем лазерного излучения,

в пределах круга диаметром 56 мм. Рабочая полоса

частот отработки превышала 200 Гц. Как показали

испытания фазовой системы АО, в результате работы

ДВФ2, ТТЗ и ДЗ имели место стабилизация положе-

ния лазерного пучка, уменьшение эффективного раз-

мера пучка непрерывного лазера в зоне цели, а также

увеличение плотности мощности излучения на оси.

Контроль за обеспечением фокусировки непре-

рывного лазерного излучения на удаленной цели

осуществлялся с помощью специальной камеры, со-

единенной с лазерным передатчиком волоконной ли-

нией связи. Получаемые данные при этом оказались

сопоставимыми с результатами численных расчетов,

выполняемых по данным измерений параметров ат-

мосферы. Эксперименты проводились на трассах

протяженностью от 360 м до 1150 м на эксперимен-

тальной базе ИПФ РАН «Безводное» в период с

04.10.2019 по 10.10.2019. При проведении измерений

с помощью макета, выполняемых в различных атмо-

сферных условиях, предварительно измерялись вели-

чины уровня атмосферной турбулентности, скорости

ветра и условие по прозрачности атмосферы.

Добро пожаловать в Wave Corrector

Объявление

Wave Corrector теперь является бесплатным программным обеспечением. Чтобы получить копию, перейдите на страницу загрузки и следуйте инструкциям.

Перенесите свои старые записи и кассеты на цифровой…

Wave Corrector предлагает интегрированное решение для записи, очистки и преобразования вашей музыки в цифровые аудиоформаты. Программа использует расширенную цифровую обработку для удаления шума из старых аналоговых записей. Файлы могут быть перенесены на компакт-диск или сохранены в вашей цифровой аудиобиблиотеке.Программа работает на платформах Microsoft Windows 2000/XP/Vista/7/8/8.1/10 и на LINUX под Wine.

Ознакомьтесь с нашими руководствами, чтобы узнать, как подключить проигрыватель грампластинок или кассет к компьютеру.

Виниловые пластинки De-Click

Wave Corrector использует сложные алгоритмы шумоподавления для удаления многих видов поверхностного шума, включая повторяющиеся щелчки, щелчки и шлепки. Подавитель щелчков обеспечивает точное восстановление звука путем реконструкции исходной звуковой волны на основе измерений фазового и частотного содержания.В Professional Edition отдельные исправления щелчков можно настроить вручную, чтобы оптимизировать скорректированную волну.

Де-Хисс

Опция удаления шипения удаляет фоновое шипение с музыкальных кассет и катушечных лент.

Ручная запись и запись по времени

Прямая запись из программы позволяет размещать материал на жестком диске, где доступны все остальные параметры программы. Опция таймера позволяет, например, автоматически записывать радиопередачи.

Редактор дорожек

Это автоматически делит запись на пронумерованные дорожки и позволяет редактировать границы дорожек.

Появление/исчезновение

Обеспечивает автоматическое или ручное затухание на границах дорожек. Время затухания можно варьировать, чтобы оптимизировать начало и конец дорожек.


Professional Edition — дополнительные функции

Следующие дополнительные функции включены в профессиональную версию Wave Corrector:

Редактор исправлений

Прослушивание и редактирование отдельных щелчков винила.

Аудиофильтры

Доступен ряд фильтров для улучшения качества звука. К ним относятся фильтр грохота для удаления очень низких частот, генерируемых некоторыми проигрывателями, а также подъем и обрезка высоких частот для улучшения общего звукового баланса.

Резка и соединение

Этот мощный метод позволяет бесшумно удалять нежелательные шумы (например, кашель члена аудитории).

Графический эквалайзер.

Используется для настройки частотной характеристики или удаления мешающих тонов и т. д.

Нормализация и балансировка каналов

Записи могут быть автоматически отрегулированы для достижения оптимального уровня и баланса в любой точке программы.


 

Почему стоит выбрать корректор волны?

Wave Corrector предназначен для удовлетворения потребностей как любителей домашней музыки, так и профессиональных архивариусов. Его главной целью является сохранение максимально возможной точности исходной записи. С помощью мощных алгоритмов интерполяции и маскировки Wave Corrector генерирует исправления щелчков, которые гармонично сочетаются с базовой формой волны.. Благодаря его высокой точности многие тысячи щелчков большой и малой амплитуды могут быть скрыты без артефактов обработки, которые станут навязчивыми для слушателя.

В отличие от продуктов конкурентов, Wave Corrector (Professional Edition) позволяет изменять или удалять отдельные исправления щелчков, а новые исправления можно вводить вручную. Эти функции дают пользователю гораздо больший контроль над процессом исправления и обеспечивают большую гибкость при восстановлении «сложного» материала.

Анимация справа показывает, как Wave Corrector динамически корректирует щелчок, чтобы он смешивался с окружающей волной.

Wave Corrector предоставляет инструменты как для слуховой, так и для визуальной оценки эффектов процесса коррекции.

Пользователю предоставляется графическое изображение скорректированных и нескорректированных сигналов, наложенных друг на друга для облегчения сравнения. На иллюстрации нескорректированная волна окрашена в синий цвет, а скорректированная — в красный.

Осциллограмму можно прослушивать до и после коррекции, а также во время пользовательских модификаций.

Таким образом можно оценить эффективность каждого исправления и при необходимости скорректировать его.

 

 

Пользовательский интерфейс (профессиональная версия)

нажмите, чтобы увеличить

Пользовательский интерфейс состоит из следующих основных компонентов:

  • Главное окно эмулирует расширенный дисплей осциллографа с двумя кривыми и содержит зеленую и красную кривые, представляющие скорректированные волны левого и правого каналов. Основные нескорректированные волны показаны синим цветом. Также присутствует различная другая информация с цветовой кодировкой.
  • Слева от главного окна находится панель управления для настройки параметров «осциллографа»: усиления по вертикали, усиления по горизонтали и т. д.
  • Под основным окном находится окно обзора, в котором отображается гистограмма либо текущей дорожки, либо всего волнового файла. Под гистограммой маркеры представляют каждый из обнаруженных щелчков.
  • Справа находится окно Список исправлений, в котором перечислены все исправления, выполненные программой. Эти исправления имеют цветовую кодировку в соответствии с предполагаемой серьезностью клика.
  • Обычная панель инструментов Windows и строка состояния дополняют интерфейс Wave Corrector.

Щелкните здесь для получения информации о версии корректора волны

 

Характеристики

Объявление

Wave Corrector теперь является бесплатным программным обеспечением. Чтобы получить копию, перейдите на страницу загрузки и следуйте инструкциям.

Перенесите свои старые записи и кассеты на цифровой…

Wave Corrector предлагает интегрированное решение для записи, очистки и преобразования вашей музыки в цифровые аудиоформаты.Программа использует расширенную цифровую обработку для удаления шума из старых аналоговых записей. Файлы могут быть перенесены на компакт-диск или сохранены в вашей цифровой аудиобиблиотеке. Программа работает на платформах Microsoft Windows 2000/XP/Vista/7/8/8.1/10 и на LINUX под Wine.

Ознакомьтесь с нашими руководствами, чтобы узнать, как подключить проигрыватель грампластинок или кассет к компьютеру.

Виниловые пластинки De-Click

Wave Corrector использует сложные алгоритмы шумоподавления для удаления многих видов поверхностного шума, включая повторяющиеся щелчки, щелчки и шлепки.Подавитель щелчков обеспечивает точное восстановление звука путем реконструкции исходной звуковой волны на основе измерений фазового и частотного содержания. В Professional Edition отдельные исправления щелчков можно настроить вручную, чтобы оптимизировать скорректированную волну.

Де-Хисс

Опция удаления шипения удаляет фоновое шипение с музыкальных кассет и катушечных лент.

Ручная запись и запись по времени

Прямая запись из программы позволяет размещать материал на жестком диске, где доступны все остальные параметры программы.Опция таймера позволяет, например, автоматически записывать радиопередачи.

Редактор дорожек

Это автоматически делит запись на пронумерованные дорожки и позволяет редактировать границы дорожек.

Появление/исчезновение

Обеспечивает автоматическое или ручное затухание на границах дорожек. Время затухания можно варьировать, чтобы оптимизировать начало и конец дорожек.


Professional Edition — дополнительные функции

Следующие дополнительные функции включены в профессиональную версию Wave Corrector:

Редактор исправлений

Прослушивание и редактирование отдельных щелчков винила.

Аудиофильтры

Доступен ряд фильтров для улучшения качества звука. К ним относятся фильтр грохота для удаления очень низких частот, генерируемых некоторыми проигрывателями, а также подъем и обрезка высоких частот для улучшения общего звукового баланса.

Резка и соединение

Этот мощный метод позволяет бесшумно удалять нежелательные шумы (например, кашель члена аудитории).

Графический эквалайзер.

Используется для настройки частотной характеристики или удаления мешающих тонов и т. д.

Нормализация и балансировка каналов

Записи могут быть автоматически отрегулированы для достижения оптимального уровня и баланса в любой точке программы.


 

Почему стоит выбрать корректор волны?

Wave Corrector предназначен для удовлетворения потребностей как любителей домашней музыки, так и профессиональных архивариусов. Его главной целью является сохранение максимально возможной точности исходной записи. С помощью мощных алгоритмов интерполяции и маскировки Wave Corrector генерирует исправления щелчков, которые гармонично сочетаются с базовой формой волны.. Благодаря его высокой точности многие тысячи щелчков большой и малой амплитуды могут быть скрыты без артефактов обработки, которые станут навязчивыми для слушателя.

В отличие от продуктов конкурентов, Wave Corrector (Professional Edition) позволяет изменять или удалять отдельные исправления щелчков, а новые исправления можно вводить вручную. Эти функции дают пользователю гораздо больший контроль над процессом исправления и обеспечивают большую гибкость при восстановлении «сложного» материала.

Анимация справа показывает, как Wave Corrector динамически корректирует щелчок, чтобы он смешивался с окружающей волной.

Wave Corrector предоставляет инструменты как для слуховой, так и для визуальной оценки эффектов процесса коррекции.

Пользователю предоставляется графическое изображение скорректированных и нескорректированных сигналов, наложенных друг на друга для облегчения сравнения. На иллюстрации нескорректированная волна окрашена в синий цвет, а скорректированная — в красный.

Осциллограмму можно прослушивать до и после коррекции, а также во время пользовательских модификаций.

Таким образом можно оценить эффективность каждого исправления и при необходимости скорректировать его.

 

 

Пользовательский интерфейс (профессиональная версия)

нажмите, чтобы увеличить

Пользовательский интерфейс состоит из следующих основных компонентов:

  • Главное окно эмулирует расширенный дисплей осциллографа с двумя кривыми и содержит зеленую и красную кривые, представляющие скорректированные волны левого и правого каналов. Основные нескорректированные волны показаны синим цветом. Также присутствует различная другая информация с цветовой кодировкой.
  • Слева от главного окна находится панель управления для настройки параметров «осциллографа»: усиления по вертикали, усиления по горизонтали и т. д.
  • Под основным окном находится окно обзора, в котором отображается гистограмма либо текущей дорожки, либо всего волнового файла. Под гистограммой маркеры представляют каждый из обнаруженных щелчков.
  • Справа находится окно Список исправлений, в котором перечислены все исправления, выполненные программой. Эти исправления имеют цветовую кодировку в соответствии с предполагаемой серьезностью клика.
  • Обычная панель инструментов Windows и строка состояния дополняют интерфейс Wave Corrector.

Щелкните здесь для получения информации о версии корректора волны

 

Тема 6. Цифроаналоговое преобразование

Преобразование

D в A является очень интересной темой, и его реализация может принимать различные формы. Цифровое кодирование звука или импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) обеспечивает поток двоичных чисел, представляющих звуковой сигнал.Независимо от пути передачи и его недостатков, если двоичные числа могут быть восстановлены, звук может быть восстановлен без помех.

Существует три основных типа преобразования D в A.

  1. Мультибит. Это оригинальная классическая конструкция, которая напрямую генерирует выходное напряжение или ток для представления каждого двоичного числа.
  2. Битовый поток. Это было очередное изменение дизайна, внесенное Philips. В настоящее время доступно множество подобных конструкций, которые часто называют однобитовыми декодерами.
  3. Позиция импульса (иногда называемая декодированием ширины импульса). Здесь ширина импульса варьируется цифровым кодом.

Многобитовые декодеры содержат каскад генераторов тока (или напряжения), представляющих каждый бит в выборке. Таким образом, в 16-битной системе имеется 16 генераторов, каждый из которых включается или выключается в зависимости от значений соответствующих нулей и единиц в 16-битном слове. Выходы 16 генераторов суммируются для получения аналоговой выборки.

С 16-битным PCM устройство должно иметь возможность воспроизводить 65 536 дискретных уровней, а поскольку музыка представлена ​​сигналом переменного тока, это можно рассматривать как плюс и минус 32 768 уровней. Эти числа подразумевают очень высокую степень точности, если устройство должно работать правильно до самого младшего бита. Например, для перехода от 0111111111111111 к 100000000000000000 потребуется разрешение 1/32 768, поскольку вступает в действие наиболее значащий двоичный генератор, а все остальные обнуляются.

Чтобы представить эту проблему в контексте, представьте, что вы делаете делитель напряжения для представления различных уровней. Это явно невозможно, так как вы не сможете обеспечить необходимую степень точности компонентов, а даже если бы и смогли, то калибровка очень быстро сместилась бы.

Проблема была аккуратно решена Philips в уважаемом TDA 1541 за счет наличия на борту генератора прямоугольных импульсов и регистра сдвига, эта концепция позволяет выходному сигналу зависеть от точности прямоугольных импульсов, а не от отдельных двоичных источников тока.Полное описание метода дано в руководстве Philips, но проще говоря, каждый двоично-взвешенный источник тока переключается в делителях (4 раза на выборку), так что амплитудная ошибка приводит к равным и противоположным ошибкам на выходе. В идеальных условиях эти ошибки сглаживаются фильтром нижних частот на выходе. Следовательно, линейность зависит от времени прямоугольной волны, а не от точности отдельных источников тока.

Битовый поток. Предыдущее описание показывает, насколько сложно точно произвести уровни, необходимые для каждого двоичного числа.Bitstream — это решение этой проблемы, использующее только один бит или импульс. В этом устройстве выходной уровень представлен количеством импульсов. Младший значащий бит будет иметь один короткий импульс, и количество импульсов будет увеличиваться в соответствии с двоичным кодом. Если этот поток импульсов интегрировать в простой фильтр, то на выходе будет точная копия звука, но без ошибок из-за неточных источников тока. Это очень хорошая идея, потому что она делает выходной сигнал полностью зависимым от размера и амплитуды одиночного импульса.Даже если параметры импульса изменяются с возрастом, выходной сигнал остается линейным во всем кодовом диапазоне. Недостатком является то, что важна синхронизация импульсов; любое несоответствие во времени приведет к искажению на выходе.

Позиция импульса. Здесь используется тот же принцип, что и в битовом потоке, за исключением того, что ширина импульса изменяется в соответствии с двоичным кодом, а результат сглаживается выходным фильтром.

Совсем недавнее дополнение к ранее упомянутым типам конвертеров называется «непрерывная калибровка».Это позволяет обойти первоначальную проблему, гарантируя, что каждый двоичный генератор битов тока многократно калибруется по эталону на плате. Это гарантирует хорошую линейность и не требует высоких частот тактирования, которые требуются для битового потока.

Dave McGhee
Ganymede Test & Measurement
электронная почта: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Веб-сайт: http://www.wavecor.co.uk
1 декабря 2001 г.

Картирование точности локальной оценки скорости пульсовой волны и величины отражения на основе петель: анализ одномерной модели артериальной сети

Цель: Локальная скорость пульсовой волны (PWV) может быть оценена из уравнения гидроудара и является важным компонентом анализа разделения волн.Однако предыдущие исследования продемонстрировали неточности в оценках локальной PWV из-за наличия отражений. В этом исследовании мы сравнили оценки локальной СПВ по методам PU-петли, ln(D)U-петли, QA-петли и ln(D)P-петли по всему артериальному дереву человека и проанализировали влияние оценок. при последующем анализе разделения волн.

Подход: Расчетные значения были получены из числовых выходных данных (давление, поток, скорость потока, формы волны площади и диаметра) одномерной модели кровообращения человека и сопоставлены с эталонным PWV, полученным из уравнения Брамвелла-Хилла в эталонной конфигурации и в конфигурация с более низкой растяжимостью, представляющая старение.

Основные результаты: При включении всех узлов общая производительность методов была плохой (корреляции и средние различия R 2 < 0,4 и 3,0 ± 4,1 мс -1 для PU-петли, R 2 < 0,07 и -0,7 ± 2,3 мс -1 для ln(D)U-контура и R 2 < 0,06 и -0,4 ± 2,3 мс -1 для QA-контура).Сосредоточив внимание на конкретных участках, методы с петлей ln(D)U и QA дали приемлемые результаты в грудной аорте и подвздошных артериях, в то время как метод с петлей PU был приемлем на дуге аорты. Нечувствительный к отражению метод ln(D)P-loop показал хорошие результаты по всей сети (R 2 = 0,9 и 0,3 ± 0,3 мс -1 ), как и ранее предложенный метод коррекции отражения для большинства сосудистых участков. Большие ошибки в оценке PWV уменьшаются при последующем анализе разделения волн, но ошибки зависят от места.

Значимость: Мы пришли к выводу, что характеристики методов PU-loop, ln(D)U-loop и QA-loop сильно зависят от сайта. Результаты всегда следует интерпретировать с осторожностью.

Влияние возраста на коррекцию коарктации аорты и рецидивирующей обструкции у подростков: МРТ-оценка напряжения сдвига стенки и скорости пульсовой волны | European Radiology Experimental

Исследуемая популяция

Этот протокол проспективного исследования был одобрен Комитетом по медицинской этике Медицинского центра Лейденского университета (P14.095), и информированное согласие было подписано обоими родителями/опекунами всех субъектов. Дети с хромосомными нарушениями были исключены для сохранения однородности популяции. В исследовании приняли участие 32 пациента после хирургической коррекции КоА, которым была проведена магнитно-резонансная томография (МРТ) сердечно-сосудистой системы. Эти пациенты также были включены в предыдущее исследование с целью изучения активности сердечной вегетативной нервной системы, сердечной функции и их взаимосвязи у детей после восстановления КоА [21].В конце концов, одиннадцать из них были исключены из-за практических и эмоциональных проблем (90 313, например, 90 314, движение и выносливость пациента) во время МРТ. Включенный 21 пациент был в возрасте 13,7 ± 2,6 года (среднее значение ± стандартное отклонение), в том числе 12 пациентов с двустворчатым аортальным клапаном (ДАК) и 9 пациентов с трехстворчатым аортальным клапаном (ТАК). Средний возраст при коррекции КоА составил 1,0 ±1,8  года, анастомоз конец в конец выполнен у 16, расширенный анастомоз конец в конец у 2, подключичный лоскут у 1 пациента. Только одному пациенту в результате рецидива обструкции была выполнена повторная операция с использованием аутологичной перикардиальной заплаты.Ни у одного из пациентов не было клинических показаний для повторного вмешательства на момент МРТ-обследования. Включенные пациенты были просканированы в период с сентября 2015 г. по май 2016 г., а время между реконструкцией и МРТ составило 12,6 ± 3,0 года.

Наличие реобструкции аорты определяли на основании максимальной скорости потока в нисходящем отделе аорты, измеренной с помощью супрастернальной трансторакальной допплер-эхокардиограммы (VIVID 9, GE Healthcare, Норвегия) у одного наблюдателя (IN) под наблюдением опытного врача (АГ) у всех больных.Полученные изображения сохранялись и анализировались в автономном режиме с использованием программного обеспечения EchoPAC версии 113 (General Electric Healthcare, Horten, Норвегия). На основании этого анализа определялось наличие реобструкции, определяемой как максимальная скорость потока более 2,5  м/с [22]. По этому критерию группа пациентов была разделена на две группы: двенадцать без и девять с рецидивирующей непроходимостью.

Получение МРТ

Получение изображения состояло из двух последовательностей МРТ с фазовым контрастом в плоскости для определения СПВ аорты и одной четырехмерной (4D) последовательности МРТ потока.МРТ для всех пациентов выполнялась на 3-Т сканере (Ingenia, Philips Healthcare, Best, Нидерланды) с использованием комбинации задней катушки FlexCoverage в столе и передней катушки dStream Torso, вместе обеспечивающих до 32 элементов катушки. для приема сигнала. Сопутствующая коррекция градиента и локальная фазовая коррекция выполнялись с помощью стандартного доступного программного обеспечения сканера.

СРПВ определяли с помощью высокотемпоральной фазово-контрастной МРТ в плоскости с использованием свободного дыхания с ретроспективным электрокардиографическим стробированием как для проксимального отдела аорты (восходящая аорта плюс дуга аорты), так и для нисходящей аорты.Это было выполнено путем измерения скорости потока через две плоскости, расположенные перпендикулярно средней линии аорты: первая плоскость пересекает как восходящую, так и грудную нисходящую аорту, а вторая плоскость пересекает брюшную нисходящую аорту, определяемую как проксимальная PWV и диафрагмальная PWV соответственно. Параметры проксимальной последовательности МРТ PWV были следующими: кодирование скорости 200-300 см/с в направлении ноги-голова, полученное временное разрешение 8,4 мс, реконструированное временное разрешение 4.1 мс (171 ± 24 фазы), время эха 2,3 мс, время повторения 4,2 мс, угол поворота 20 °, поле зрения 350 × 350 × 8 мм и полученное пространственное разрешение 2,8 × 2,8 × 8,0 мм. Время сбора данных и частота сердечных сокращений в среднем составляли 75 ± 10 с и 83 ± 12 ударов в минуту соответственно. Параметры последовательности МРТ СПВ диафрагмы были следующими: кодирование скорости 150–250 см/с в направлении ноги-голова, полученное временное разрешение 8,6 мс, реконструированное временное разрешение 4,1 мс (167 ± 23 фазы), время эхо-сигнала 2,4 мс, время повторения 4 .3 мс, угол поворота 20 °, поле зрения 350 × 350 × 8 мм и полученное пространственное разрешение 2,8 × 2,8 × 8,0 мм. Время сбора данных и частота сердечных сокращений в среднем составляли 78 ± 12 с и 84 ± 11 ударов в минуту соответственно.

Последовательность МРТ 4D потока аорты использовала респираторный навигатор полудиафрагмы, ретроспективное стробирование ЭКГ и стандартное несимметричное кодирование скорости по четырем точкам. Параметры последовательности были следующими: кодирование скорости 200–350 см/с в четырех направлениях, полученное временное разрешение 34.4 мс, восстановленное временное разрешение 29,2 мс (26 ± 4 фазы), время эха 2,4 мс, время повторения 4,3 мс, угол поворота 10°, поле зрения 350 × 350 × 52,5–72,5 мм, полученное пространственное разрешение 2,5 × 2,5× 2,5 мм, фактор сегментации 2 и фактор кодирования чувствительности 2 в передне-заднем направлении. Время регистрации составило в среднем 4,9 ± 0,7 мин без учета респираторной компенсации. Благодаря приемному окну респираторного навигатора фактическое время сбора данных в сканере увеличилось примерно вдвое.

Анализ изображения

Анализ изображения состоял из двух частей для определения PWV аорты и WSS. Чтобы получить PWV, полученные проксимальные PWV и диафрагмальные изображения PWV сначала были проанализированы с использованием программного обеспечения MASS (LUMC) собственной разработки. Это программное обеспечение использовалось для картирования скоростей и измерения длины обоих сегментов аорты при мультисрезовом исследовании аорты. Наконец, эти количественные оценки были импортированы в собственное разработанное приложение на основе MATLAB для определения PWV проксимального и нисходящего отделов аорты с использованием метода «от стопы к стопе» (рис.1). У всех испытуемых анализ изображений PWV выполнялся одним наблюдателем (IN) с более чем 3-летним опытом МРТ сердечно-сосудистой системы под наблюдением опытного исследователя (JW) с более чем 20-летним опытом МРТ сердечно-сосудистой системы. Кроме того, отношение PWV также было получено из этих значений, определяемых как PWV нисходящей аорты, деленное на PWV проксимального отдела аорты. Этот метод количественного определения PWV был ранее утвержден и описан более подробно Grotenhuis et al. [23].

Рис. 1

Пример коарктации аорты и трикуспидального аортального клапана без реобструкции. a Сегменты скорости пульсовой волны (Seg.): 1, проксимальный отдел аорты; 2, нисходящая аорта. b Сегменты напряжения сдвига стенки: Asc AO , восходящая аорта; Arch , дуга аорты; Desc AO , нисходящая часть аорты. c Трехмерная карта величины напряжения сдвига стенки

По данным 4D проточной МРТ WSS определяли с использованием CAAS MR Solutions v5.0 (Pie Medical Imaging, Маастрихт, Нидерланды) при постоянной вязкости крови 4 мПа с. Это программное обеспечение использовалось для расчета WSS по пяти временным фазам и трем последовательным сегментам аорты (рис.1): корень аорты плюс восходящая аорта, дуга аорты и нисходящая аорта (соответственно: от аортального клапана до брахиоцефальной артерии, от брахиоцефальной артерии вверх, включая левую подключичную артерию, и от подключичной артерии до брюшной нисходящей аорты на уровне измерения диафрагмальной СПВ). Это было достигнуто путем сегментации аорты на комбинированном изображении взвешенной амплитуды и скорости для всех пяти доступных временных фаз, включая только аорту и исключая основные ветви (90–313 e.г ., подключичная и сонная артерии). Во-вторых, анатомические плоскости сегментации были вручную размещены и импортированы перпендикулярно стенке аорты. Проксимально и дистально на аорте эти плоскости располагались у аортального клапана, проксимально против брахиоцефальной артерии, дистально против подключичной артерии и на 10 см каудальнее диафрагмы. В-третьих, для пяти доступных временных фаз и каждого анатомического сегмента максимальный WSS был экспортирован из CAAS. Наконец, эти максимумы за пять временных фаз использовали для определения пиковой WSS для каждого анатомического сегмента за все пять временных фаз.Анализ изображения WSS проводился одним наблюдателем (IN) у всех пациентов. Применяемый метод определения WSS в пяти систолических временных фазах был ранее описан и проверен на воспроизводимость van der Palen et al. [24].

Статистический анализ

Статистический анализ проводили с использованием программного обеспечения SPSS v23 (IBM, Чикаго, Иллинойс, США). Различия между группами сравнивали с использованием теста независимой выборки t или теста Манна-Уитни U , соответственно используемых для данных параметрической шкалы или непараметрической шкалы и порядковых данных.Корреляции между переменными внутри групп оценивались с использованием корреляций Пирсона ( r P ) и ранга Спирмена ( r S ), соответственно используемых для данных параметрической шкалы или непараметрической шкалы и порядковых данных. Тест Левена использовался для проверки равенства дисперсий, а тест Шапиро-Уилка — для проверки нормальности данных. Абсолютный коэффициент корреляции ( r P или r s ) был классифицирован следующим образом: 0.30 < | р | < 0,50, слабый; 0,50 < | р | < 0,70, умеренный; 0,70 < | р | < 0,85, хорошо; и | р | > 0,85, сильный. Все статистические тесты были двусторонними, и значение p менее 0,05 считалось значимым. Данные будут представлены в виде средних значений со стандартными отклонениями.

Варианты работы с зависимостью скорости пульсовой волны от давления как мерой жесткости артерий: обновление сердечно-лодыжечного сосудистого индекса (CAVI) и CAVI0 — FullText — Pulse 2017, Vol.5, No. 1-4

Известно, что скорость пульсовой волны (СРПВ), маркер жесткости артерий, мгновенно изменяется при изменении артериального давления. В этом мини-обзоре мы обсудим два основных подхода к обработке зависимости СРПВ от артериального давления: (1) преобразование СРПВ в независимый от давления индекс и (2) корректировка СРПВ per se для зависимости от давления. В варианте 1 мы ориентируемся на сердечно-лодыжечный сосудистый индекс (CAVI). CAVI, по сути, представляет собой форму индекса жесткости β: CAVI оценивается для траектории (от сердца до лодыжки), тогда как β оценивается для отдельной артерии на основе измерений давления и диаметра.Было показано, что индекс жесткости β и, следовательно, также CAVI теоретически демонстрируют небольшую зависимость от остаточного артериального давления из-за использования диастолического артериального давления вместо фиксированного эталонного артериального давления. Кроме того, CAVI демонстрирует зависимость от давления из-за использования оценочной производной зависимости давления от диаметра. В этом мини-обзоре мы рассмотрим зависимость CAVI от артериального давления теоретически, а также статистически. Кроме того, мы рассматриваем скорректированные индексы (CAVI 0 и β 0 ), которые теоретически не показывают зависимости от остаточного артериального давления.В варианте 2 рассматриваются три способа корректировки PWV: (1) с использованием экспоненциальной зависимости между давлением и площадью поперечного сечения, (2) с помощью корректировки статистической модели и (3) с помощью эталонных значений или эмпирического правила. Метод 2 требует изучения популяции для характеристики статистической модели, а метод 3 требует репрезентативного эталонного исследования. Учитывая эти ограничения, метод 1 кажется предпочтительным для коррекции PWV как таковой в связи с ее зависимостью от артериального давления. Таким образом, имеется несколько вариантов обработки зависимости СРПВ от артериального давления.Если требуется индекс, независимый от артериального давления, CAVI 0 теоретически предпочтительнее, чем CAVI. Если требуется коррекция PWV как таковая, использование экспоненциальной зависимости давление-площадь предоставляет пользователю метод корректировки PWV на индивидуальной основе.

© 2017 S. Karger AG, Базель

Артериальная жесткость

Рекомендации Американской кардиологической ассоциации по улучшению и стандартизации сосудистых исследований артериальной жесткости сформулировали несколько будущих потребностей в области артериальной жесткости [1].Одной из таких потребностей является разработка терапевтических вмешательств для снижения жесткости артерий. В настоящее время доступны два потенциальных вмешательства для снижения жесткости артерий: (1) препараты для снижения артериального давления, действующие косвенно на артериальную стенку за счет снижения циклической нагрузки давлением, и (2) вмешательства, действующие непосредственно на артериальную стенку.

При оценке вмешательств первой категории следует соблюдать осторожность, поскольку артериальное давление является внутренней детерминантой (каротидно-бедренной) скорости пульсовой волны (СПВ), золотым стандартом для оценки жесткости артерий [2,3,4].Таким образом, дизайн, а также результаты исследований, изучающих влияние препаратов, снижающих артериальное давление, на артериальную стенку, требуют тщательного рассмотрения внутренней зависимости СРПВ от артериального давления. Это подчеркивает, что независимая количественная оценка артериальной жесткости не является тривиальной и что изменение измеренной СРПВ нельзя прямо и однозначно интерпретировать как изменение внутренней жесткости артериальной стенки. В частности, внутренняя жесткость материала артериальной стенки (т.е., добавочный модуль упругости) сам зависит от давления [5]. Недавно мы приступили к количественной оценке физиологических искажающих факторов СРПВ [1], исследуя величину их влияния и способы их коррекции. Эти искажающие факторы включали артериальное давление [6,7,8], частоту сердечных сокращений [9,10] и осевое растяжение [11]. В этом мини-обзоре основное внимание будет уделено артериальному давлению как вмешивающемуся фактору СРПВ, а также обсуждены несколько вариантов борьбы с вмешивающимся эффектом. Показатели артериальной жесткости, не основанные на PWV (т.например, амбулаторный индекс жесткости артерий [12], индекс аугментации [13]) или те, которые основаны на сравнении множественных СПВ в разных местах (например, соотношение СПВ [14,15,16]), выходят за рамки этого мини-анализа. рассмотрение.

Варианты обработки зависимости жесткости артерий от давления

Текущие рекомендации Американской кардиологической ассоциации [1] подчеркивают, что артериальное давление искажает СРПВ. Давно известно, что PWV изменяется в зависимости от артериального давления [2,3]. Из-за этой зависимости PWV должна быть скорректирована на артериальное давление, если кто-то хочет оценить жесткость артерий независимо.Для этого есть два основных варианта: (1) путем преобразования СРПВ в другой безразмерный показатель, не зависящий от артериального давления, или (2) путем поправки на зависимость СРПВ от давления, но с сохранением СРПВ в качестве выходного показателя, который по-прежнему остается в м/с.

В этом мини-обзоре основное внимание будет уделено преобразованию PWV в индексы, не зависящие от артериального давления (вариант 1). Далее будет кратко рассмотрена коррекция PWV (вариант 2).

Вариант 1: преобразование PWV в показатели, не зависящие от артериального давления: сердечно-лодыжечный сосудистый индекс (CAVI) и CAVI₀

В 2006 г. Shirai et al.[17] предложил CAVI. CAVI является показателем жесткости сосудистого русла от сердца до лодыжки и основан на PWV вдоль этой траектории. Расчетная PWV преобразуется в CAVI следующим образом:

, где P s и P d — систолическое и диастолическое кровяное давление, а ρ — плотность массы крови [17,18]. Давление, PWV и ρ следует вводить в уравнение 1 в единицах Па, м/с и кг/м 3 соответственно, чтобы обеспечить правильность размеров.

Fukuda Denshi (Токио, Япония), компания, запатентовавшая CAVI, также производит устройство («VaSera»), которое может непосредственно измерять и рассчитывать CAVI у людей. CAVI на выходе устройства VaSera (CAVI VS ) связан с CAVI из уравнения 1 следующим образом: CAVI VS = a × CAVI + b , где a и b — собственные константы [ 17].

CAVI основан на наблюдении Hayashi et al. [19], что артериальное давление и диаметр артерий связаны экспоненциально.Экспоненциальное соотношение давление-диаметр в сочетании с уравнением Брамвелла-Хилла, которое связывает СРПВ с изменениями артериального давления и диаметра [20], дает уравнение 1. Несмотря на то, что формула CAVI названа «кардио-лодыжка», ее можно с равным успехом применять к любое измерение PWV в сосудах с пульсирующим давлением, включая каротидно-бедренную PWV [21]. Полный обзор литературы по CAVI можно найти в обзорах Asmar [22], Shirai et al. [23,24], Saiki et al. [25] и Миёси и Ито [26].

Зависимость CAVI от артериального давления: статистические наблюдения

CAVI считается независимым показателем артериального давления. В нескольких исследованиях изучалась зависимость CAVI от артериального давления [17,27,28,29,30,31,32]. В некоторых из этих исследований зависимость от артериального давления оценивалась перекрестно, при этом некоторые показали значительную зависимость CAVI от артериального давления [27], а другие не показали зависимости [17]. Как указано Shirai et al. [23], результаты таких перекрестных исследований не обязательно отражают зависимость CAVI от артериального давления во время измерения.На самом деле перекрестная корреляция между CAVI и артериальным давлением может быть вызвана тем, что у пациентов с артериальной гипертензией на самом деле более жесткие артерии, а не внутренней зависимостью от артериального давления [33].

В последующих исследованиях зависимость CAVI от артериального давления изучалась в продольном направлении [28,29,31,32]. Шираи и др. [28] изучали реакцию CAVI на два антигипертензивных препарата: метопролол, блокатор рецепторов β 1 , и доксазозин, блокатор рецепторов α 1 .Считается, что метопролол, снижающий артериальное давление за счет уменьшения сердечного выброса, не оказывает большого влияния на тонус сосудов, в то время как доксазозин вызывает вазодилатацию. Шираи и др. [28] обнаружили, что CAVI не менялся при снижении артериального давления метопрололом, но изменялся при приеме доксазозина. Из этого исследования они пришли к выводу, что CAVI не зависит от артериального давления, вывод, который повторяется в Shirai et al. [29]. Однако ограничение этого исследования, по-видимому, заключается в том, что оно проводилось только у 12 субъектов.Таким образом, наблюдение, что метопролол не изменил CAVI, нельзя интерпретировать как доказательство того, что CAVI не меняется в зависимости от артериального давления, поскольку такое исследование может не иметь статистической достоверности [30]. 1 В 2015 г. Lim et al. [31] оценивали изменение CAVI во время различных вмешательств с артериальным давлением (наклон головы вверх/вниз, умственный стресс, изометрические упражнения на хват кистей рук, холодовой прессорный тест). Они обнаружили существенную зависимость CAVI от среднего артериального давления, при изменении артериального давления с помощью изометрического упражнения на хват (после коррекции сердечного ритма), а также общую зависимость от сердечного ритма.Тем не менее, эта зависимость могла быть вызвана изменением активации вегетативной нервной системы, вызванным упражнением с хватом, которое могло модулировать сосудистый тонус сердечно-лодыжечного сосудистого русла. Ибата и др. [32] изучали краткосрочную реакцию CAVI на физическую нагрузку. Было обнаружено, что при физических нагрузках и соответствующем повышении артериального давления CAVI значительно увеличивается. Опять же, в этом исследовании наблюдаемая зависимость артериального давления могла быть вызвана изменением тонуса сосудов вследствие активации вегетативной нервной системы.

Зависимость CAVI от артериального давления: теоретическое обоснование

В предыдущем абзаце основное внимание уделялось зависимости CAVI от артериального давления со статистической точки зрения. В недавней публикации Journal of Hypertension мы изучали связь CAVI с артериальным давлением с теоретической точки зрения [7]. Мы показали, что на теоретической основе использование уравнения 1 для получения CAVI не дает полностью независимого от давления индекса. Короче говоря, вывод этого уравнения приводит к двоякой зависимости от давления:

(1) CAVI, по сути, представляет собой форму индекса жесткости артерий β.Вывод индекса жесткости β основан на выводах, сделанных Hayashi et al. [19] Что отношения между артериальным давлением ( P ) и диаметр ( D ) экспоненциальный:

P = P REF × E β [( D D D / / D D Ref ) -1] , (2)

, (2)

, где P Ref и D Ref Указывают опорное давление и соответствующий диаметр.Это уравнение, однако, содержит индекс β₀, который не равен β. Индекс жесткости β, обычно используемый в клинической практике, определяется как

с систолическим и диастолическим диаметрами соответственно. β получается путем замены эталонного давления и диаметра ( P ref и d ref ) в уравнении 2 диастолическим давлением и диаметром [34]. Полученный показатель степени (β) не равен β₀.Это приводит к тому, что предполагаемое фиксированное эталонное давление ( P ref ) изменяется в зависимости от кровяного давления. Следовательно, β также зависит от артериального давления. Поскольку CAVI по существу является формой β, эта зависимость от артериального давления также присутствует при CAVI [7]. Сегерс [35] признает этот эффект в своем редакционном комментарии, в котором он иллюстрирует зависимость β от кровяного давления, нанося график зависимости In( P / P ref ) по сравнению с d / d ref .Наклон этого графика, равный β [18], изменяется при изменении P ref и d ref , как и в случае, когда при расчете β используется диастолическое артериальное давление.

(2) Лежащее в основе уравнение Брамвелла-Хилла использует грубую линейную аппроксимацию производной отношения артериального давления к диаметру, в то время как точная производная давления от диаметра может быть аналитически получена из уравнения 2, которое впоследствии может быть оценено в диастолическая точка.

В имитационном исследовании ( n = 161), моделирующем влияние гипотензивных препаратов на CAVI, мы показали, что зависимость CAVI от давления может привести к ошибочным выводам об изначально ослабленной артериальной стенке, даже в контролируемые интервенционные испытания. Как подчеркнул Segers [35], порядок величины моделируемого нами эффекта равен различиям, обнаруженным в некоторых интервенционных исследованиях, в которых CAVI используется в качестве меры жесткости артерий [36]. Это указывает на важность понимания этой теоретической зависимости от артериального давления, поскольку CAVI все чаще используется для оценки независимых от артериального давления эффектов на жесткость артерий [22,23,24,25,26].

Корректировка теоретической зависимости CAVI от артериального давления: CAVI

0

Чтобы преодолеть проблему зависимости CAVI от артериального давления, мы получили обновленный индекс, который теоретически не зависит от давления: CAVI₀[7]. CAVI₀ основан на β₀, в отличие от CAVI, который основан на (Кавасаки) β:

Поскольку CAVI₀ основан на β₀, CAVI₀ не показывает зависимости кровяного давления от «переменного эталонного давления», которую показывает CAVI. Кроме того, мы использовали точную диастолическую производную отношения давление-диаметр, которая согласуется с использованием PWV, т.е.е., скорость волны при диастолическом давлении, как измеренный вход. В совокупности это дало следующее уравнение для CAVI₀:

Давление, PWV и ρ должны быть введены в это уравнение в единицах Па, м/с и кг/м 3 соответственно, чтобы обеспечить правильность размеров. Использование CAVI₀ и β₀ требует использования эталонного давления ( P ref ). Важно, чтобы для всех участников исследования было выбрано одно фиксированное значение для P ref .Выбранное числовое значение P ref является вопросом стандартизации или консенсуса; P ref не представляет физиологического давления [7]. Вслед за Хаяши и соавт. [19] мы предложили использовать P ref = 100 мм рт. ст. у всех испытуемых во всех исследованиях. Это обеспечивает максимальную сопоставимость значений β₀ и/или CAVI₀ между исследованиями.

В вышеупомянутом моделирующем исследовании мы также протестировали CAVI₀ и не обнаружили зависимости CAVI₀ от кровяного давления[7].Мы хотели бы подчеркнуть, что вывод и моделирование CAVI₀ были выполнены в предположении, что связь между артериальным давлением и диаметром является действительно экспоненциальной, предположение, которое также использовалось разработчиками оригинального CAVI [17]. Таким образом, CAVI₀ представляет собой индекс такой же сложности, как и CAVI, но с менее упрощающими предположениями для его получения. В этом свете мы полагаем, что CAVI₀ предпочтительнее CAVI. Предложение CAVI₀ относительно недавно было опубликовано в этом мини-обзоре, и остается изучить популяционные исследования и ретроспективное применение индекса для количественной оценки степени, в которой независимость артериального давления, как видно с точки зрения теории, имеет практическое преимущество. над КАВИ.

Вариант 2: Коррекция СРПВ сама по себе

Как упоминалось ранее, СРПВ сама по себе может быть скорректирована с учетом артериального давления. Этого можно достичь несколькими способами, включая: (1) корректировку PWV на основе зависимости артериального давления, полученной из экспоненциальной зависимости между давлением и площадью поперечного сечения; (2) корректировка PWV для артериального давления на статистической основе; и (3) использование эталонных значений или эмпирического правила для корректировки PWV.

Метод 1 дает прямое представление о величине зависимости PWV от давления.Мы использовали этот метод для коррекции локальной СПВ сонных артерий в популяции гипертоников, которые измерялись до и после гипертензивного лечения [6]. В этом исследовании мы обнаружили, что прогнозируемое изменение PWV из-за снижения артериального давления (при условии экспоненциальной зависимости давления от площади) было равно величине измеренного изменения. Это говорит о том, что в течение периода наблюдения в этом исследовании (3 месяца) в артерии, оцениваемой с помощью PWV (в данном случае в сонной артерии), не происходило ремоделирования артерий.Далее мы оценили эффективность этого метода в наборе данных о субъектах, которые лечились антиангиогенными препаратами [8]. В том же исследовании мы также сравнили метод 1 с чисто статистическим подходом (метод 2). Численные результаты этих подходов были схожими. Хотя статистический подход обычно используется в научных исследованиях, он применим только в том случае, если изучается популяция или группа субъектов, т. Е. Он неприменим к отдельным лицам. Возможное решение этой проблемы состоит в том, чтобы связать измерение СРПВ с эталонным значением артериального давления, т.е.g., из исследования Reference Values ​​for Arterial Stiffness’ Collaboration 2010 [37] (метод 3). Тем не менее, значения в этом исследовании референтных значений представляют как острое, так и (долгосрочное) ремоделирующее влияние артериального давления на PWV [33]. Таким образом, референтные значения из Референтных значений для артериальной жесткости в сотрудничестве 2010 года не дают независимой количественной оценки физиологического искажающего эффекта артериального давления на PWV.

Теоретически общая статистическая модель на основе популяции может быть построена на основе внутренней зависимости СРПВ от давления в зависимости от возраста и других потенциальных искажающих факторов, таких как диабетический статус.Для построения такой модели потребуются измерения острой зависимости СРПВ от давления (например, путем манипулирования кровяным давлением с помощью метопролола). Примечательно, что результирующая статистическая модель будет отличаться от модели, представленной, например, в Референсных значениях для артериальной жесткости в сотрудничестве [37]. Как обсуждалось в предыдущем абзаце, в последнем исследовании не делалось различий между острым и (долгосрочным) ремоделирующим эффектом артериального давления на PWV, в результате чего была получена статистическая модель, описывающая оба этих эффекта.

Очень простой тип «эталонного значения» является эмпирическим правилом. Как представлено в Spronck et al. [6], СРПВ изменяется примерно на 1 м/с на каждые 10 мм рт.ст. изменения диастолического артериального давления. Использование такого эмпирического правила имеет явное преимущество, заключающееся в том, что его легко применять в клинике. Однако в упомянутой статье также показано, что реальная зависимость СРПВ от давления зависит от возраста [6].

В нашем анализе [6] изменение АД со 120/80 до 160/90 мм рт. ст. приводит к изменению СРПВ на 0.9 м/с у субъектов со средним возрастом 41 год, но до изменения 1,3 м/с у субъектов со средним возрастом 64 года. Эти цифры немного ниже, чем те, которые рассчитаны на основе данных Reference Values ​​for Arterial Stiffness’ Collaboration 2010 [37]. Это различие может быть вызвано эффектом ремоделирования высокого кровяного давления на жесткость артерий.

Учитывая ограничения методов 2 и 3, метод 1 представляется предпочтительным для расчета острого влияния артериального давления на СРПВ.

Какой компонент артериального давления использовать для статистической коррекции PWV?

При статистической коррекции артериального давления (метод 2) необходимо выбрать, какой компонент артериального давления (диастолическое, среднее, систолическое артериальное давление или пульсовое давление) использовать для коррекции.Современные рекомендации гласят, что при анализе данных PWV следует учитывать среднее артериальное давление [1].

В нескольких исследованиях [38,39,40] оценивалась взаимосвязь между PWV и этими компонентами артериального давления в поперечном сечении. Они обнаружили значительную корреляцию PWV со всеми показателями компонентов давления, кроме диастолического артериального давления. Са Кунья и др. [41] сообщают о корреляции между PWV и систолическим артериальным давлением для обоих полов и о корреляции между PWV и диастолическим артериальным давлением только у женщин.Напротив, Nürnberger et al. [42] сообщают только о корреляции между PWV и диастолическим артериальным давлением. Общим для всех этих исследований является то, что они оценивали связь между PWV и артериальным давлением в поперечном разрезе. Как объяснялось ранее в контексте CAVI, соотношение, полученное таким образом, может не отражать острое влияние артериального давления на PWV.

Теоретически и эмпирически можно показать, что СРПВ зависит от диастолического артериального давления [2,3,43,44], поскольку измерение скорости обычно производится с использованием диастолической ножки волны давления в качестве реперной точки.Следовательно, распространяющаяся пульсовая волна в этом контексте «видит» диастолическое давление. Другими словами, фронт волны давления, движущейся к периферии, сталкивается с артериальным участком, который (все еще) находится при диастолическом кровяном давлении.

Как видно из вышеизложенного, к вопросу о том, какой компонент артериального давления использовать для коррекции СРПВ, можно подойти с (1) перекрестной, популяционной точки зрения или (2) острой, механистической точки зрения. Если кто-то хочет скорректировать набор измерений на статистической основе для влияния артериального давления, среднее, систолическое и диастолическое артериальное давление являются хорошими кандидатами, в зависимости от применения и подтипа населения.Если, с другой стороны, кто-то хочет устранить острое влияние артериального давления на измерение СРПВ у отдельного субъекта, (собственное) диастолическое артериальное давление является вполне обоснованным выбором.

Резюме

Доступно несколько вариантов лечения зависимости PWV от артериального давления, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Если предпочтительнее индекс, не зависящий от артериального давления, мы предполагаем, что CAVI₀, по крайней мере теоретически, предпочтительнее CAVI с точки зрения независимости от давления. Будет ли это теоретическое преимущество также транслироваться в клиническую практику, еще предстоит подтвердить.Если требуется коррекция PWV как таковая, использование экспоненциальной зависимости давление-площадь предоставляет пользователю метод корректировки PWV на индивидуальной основе.

Благодарность

Это исследование было поддержано стипендией Endeavor Research Fellowship, присужденной правительством Австралии Б. Спронку.

Заявление о раскрытии информации

У авторов нет конфликтов интересов, о которых следует сообщать.

Авторское право: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование или любую систему хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка препарата: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор препарата и дозировка, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации. Тем не менее, в связи с продолжающимися исследованиями, изменениями в правительственных постановлениях и постоянным потоком информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на лекарства, читателю настоятельно рекомендуется проверять вкладыш в упаковке для каждого лекарства на предмет любых изменений в показаниях и дозировке, а также для дополнительных предупреждений. и меры предосторожности.Это особенно важно, когда рекомендуемый агент является новым и/или редко используемым лекарственным средством.
Отказ от ответственности: заявления, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и участникам, а не издателям и редакторам. Появление рекламы и/или ссылок на продукты в публикации не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности.Издатель и редактор(ы) отказываются от ответственности за любой ущерб людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в содержании или рекламе.

Измерение локальной скорости пульсовой волны для сонной артерии с использованием ультразвукового метода

Жесткость артерий тесно связана с сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ) и использовалась в качестве независимого предиктора различных сердечно-сосудистых событий [1], [2], [3], [4]. Недавно скорость пульсовой волны (СРПВ) была признана полезным показателем для оценки жесткости артерий [1].Связь между PWV и жесткостью артерий описывается модифицированным уравнением Moens-Korteweg: [5]. PWV=Eh3ρR(1-v2), где E и ν — модуль Юнга и коэффициент Пуассона стенки аорты ( ν ≒ 0,5 для мягких квазинемпрессивных тканей) соответственно; R – радиус просвета; h – толщина стенки сосуда; ρ – плотность крови. Преимущество использования PWV в клинической диагностике для оценки жесткости артерий состоит в том, что измерение PWV является неинвазивным и простым [6].

Традиционно СРПВ определяется путем измерения задержки времени прохождения импульса между двумя точками измерения вдоль артерии, деленной на расстояние между двумя точками. В настоящее время каротидно-бедренная СПВ (cfPWV), измеряемая с помощью тонометрии, является клиническим показателем профилактики сердечно-сосудистых заболеваний [1]. Однако измерение cfPWV имеет значительные ограничения, которые могут привести к ошибкам. Например, точно измерить расстояние между каротидной и бедренной частями непросто [7]. Более того, путь, пройденный пульсовой волной между сонной и бедренной артериями, неясен; эта неопределенность вызывает завышение PWV [8].Кроме того, измерение cfPWV обеспечивает только глобальную PWV для длинного артериального сегмента, что может скрывать первоначальные изменения свойств артериальной жесткости. Кроме того, невозможно оценить механические свойства в области малого сосуда; таким образом, определение аномального положения сосудов невозможно [9]. Таким образом, многие исследования показали, что измерение локальной СПВ дает более важную клиническую информацию, чем измерение глобальной СПВ для оценки свойств артерий [6], [10], [11].

Для неинвазивного измерения локальной PWV было предложено несколько методов, основанных на ультразвуковой визуализации. Эти методы основаны на измерении времени задержки пульсовой волны (метод транзитного времени) в пределах короткого сегмента артерии с использованием изображений УЗИ [12], [13]. Локальная PWV рассчитывалась как расстояние между ультразвуковым датчиком и двумя точками измерения, деленное на время прохождения пульсовой волны. Однако измеренная локальная PWV демонстрирует более высокую вариацию, поскольку использовались только две линии сканирования УЗИ.Для дальнейшего совершенствования метода времени прохождения несколько ультразвуковых лучей использовались для записи большего количества форм пульсовых волн из разных положений, чтобы повысить точность измерения локальной СРПВ путем расчета линейной регрессии между несколькими положениями и разным временем передачи пульсовой волны [14], [15]. ]. Например, для измерения локальной СПВ сонной артерии человека использовалось множественное допплеровское изображение ткани (ТДИ), но СПВ была намного выше, чем наблюдаемая в большинстве исследований, а чувствительность системы ТДИ легко влияла на результаты измерений [15]. ].Кроме того, для многолучевого метода требуются изображения с ЭКГ-стробированием из-за ограничений возможности сканирования аппарата УЗИ [14], [15]. УЗИ использовалось для одновременного измерения кровотока и изменений площади поперечного сечения в просветах [метод площади кровотока (QA)] в определенном месте для оценки локальной PWV [16], [17]. Однако метод QA демонстрирует более низкую воспроизводимость, чем метод времени прохождения при локальном измерении PWV [17].

Кроме того, для определения PWV была предложена визуализация пульсовой волны (PWI) для визуализации распространения пульсовой волны по артерии, которая использует методы кросс-корреляции, основанные на ультразвуковой визуализации с высокой частотой кадров, для отслеживания движения стенки артерии. в пределах небольшого сегмента изображения [18], [19], [20], [21].Впоследствии локальная PWV была определена с использованием подхода кусочно-линейной регрессии на каждой строке сканирования [21]. Однако сверхбыстрая визуализация УЗИ необходима для PWI, потому что скорость распространения пульсовой волны высока, а для обработки данных в реальном времени требуются обширные вычисления [22], [23]. Многолучевые ультразвуковые лучи широко используются для измерения локальной PWV, потому что точность, полученная с помощью этого метода, выше, чем метод измерения двух точек. Однако количество лучей, необходимое для точного обнаружения локальной PWV, остается неизвестным.

В этом исследовании использовалась программируемая система ультразвуковой визуализации для оценки локальной PWV сонной артерии с использованием метода множественных ультразвуковых лучей. Поскольку эта система УЗИ запускает и получает каждую строку сканирования индивидуально и синхронно с высокой частотой повторения импульсов (PRF), здесь не требуется УЗ-изображение со стробированием ЭКГ. В этом исследовании был предложен новый подход к обнаружению движения стенки. Оптимальное число пучков для оценки локальной PWV было получено экспериментально при исследовании проточного фантома. Эксперименты проводились на 35 здоровых добровольцах.Полученные результаты сравнивали с измерением cfPWV для получения взаимосвязи между локальной и глобальной PWV.