Разработка новых методов интегрированных технологий

Саратовский государственный технический
университет
имени Гагарина Ю.А.
Разработка новых методов интегрированных
технологий, основанных на подходах нелинейной
динамики, для изучения процессов в сложных системах
(наноустройства для генерации субтерагерцового и
терагерцового излучения и их использование в
информационно-телекоммуникационных системах,
анализ биомедицинских
данных и когнитивных процессов в центральной
нервной системе, обработка и интерпретация данных
геофизических исследований)
Храмов А.Е., Руннова А.Е., Короновский А.А., Иванов А.В.,
Павлов А.Н., Яшков И.А.
Основная цель
Разработка новых методов интегрированных
технологий, основанных на подходах
нелинейной динамики, для изучения
процессов в сложных системах
(наноустройства для генерации
субтерагерцового и терагерцового излучения и
их использование в информационнотелекоммуникационных системах, в
медицинских и исследовательских целях для
анализа биомедицинских и когнитивных
процессов, обработки и интерпретации
данных геофизических исследований).
Проекты
ГК 14.B37.21.0059 Методы интегрированных технологий,
основанные на подходах нелинейной динамики, для изучения
процессов в сложных системах (наноустройства для генерации
субтерагерцового и терагерцового излучения и их
использование в информационно-телекоммуникационных
системах, в медицинских и исследовательских целях для
анализа биологических и когнитивных процессов)
ГК 14.B37.21.0569 Разработка и внедрение новых методов анализа
электроэнцефалограмм для мониторинга активности головного
мозга и для диагностики эпилептических расстройств
ГК 14.B37.21.0632 Разработка новых методик на основе
математического аппарата вейвлетного анализа в камеральных
работах по обработке и интерпретации данных геофизических
исследований методами сейсмической разведки земной коры
ГК 14.B37.21.0059 Методы интегрированных технологий,
основанные на подходах нелинейной динамики, для изучения
процессов в сложных системах (наноустройства для генерации
субтерагерцового и терагерцового излучения и их
использование в информационно-телекоммуникационных
системах, в медицинских и исследовательских целях для
анализа биологических и когнитивных процессов)
•
•
•
•
•
•
•
Разработаны аналитические подходы для определения характеристик
полупроводниковой наноструктуры.
Разработаны методики диагностики пространственно-временных осцилляторных
паттернов в записях электрической активности головного мозга, основанной на
непрерывном вейвлетном преобразовании.
Разработаны методики диагностики различных типов хаотической синхронизации для
наносистем, информационных систем и головного мозга.
Разработаны численные модели и алгоритмы, обеспечивающие оптимальное и
корректное моделирование полупроводниковой сверхрешетки.
Разработаныметодики диагностики пространственно-временных осцилляторных
паттернов в записях электрической активности головного мозга, основанной на методе
эмпирических мод.
Создан программный код на языке Fortran для моделирования физических процессов в
полупроводниковой сверхрешетке.
Создан программный код на языке Fortran для диагностики различных типов
хаотической синхронизации.
ГК 14.B37.21.0059 Методы интегрированных технологий,
основанные на подходах нелинейной динамики, для изучения
процессов в сложных системах (наноустройства для генерации
субтерагерцового и терагерцового излучения и их
использование в информационно-телекоммуникационных
системах, в медицинских и исследовательских целях для
анализа биологических и когнитивных процессов)
•
•
•
•
•
•
Проведены тестовые расчеты и оценка корректности результатов численного
моделирования динамики полупроводниковой наноструктуры. Сравнение с
экспериментальными данными.
Проведены тестовые расчеты и оценка корректности результатов выделения
пространственно-временных осцилляторных паттернов в записях
электрической активности головного мозга.
Проведены тестовые расчеты на модельных системах и суррогатных данных и
оценка корректности результатов диагностики различных типов хаотической
синхронизации.
Исследованы осцилляторные паттерны в записях электрической активности
нейронных ансамблей головного мозга.
Исследованы стационарные состояния в полупроводниковой сверхрешетке с
учетом влияния различных факторов.
Проведено аналитическое и численное изучение вольт-амперных
характеристик полупроводниковой сверхрешетки.
ГК 14.B37.21.0059 Методы интегрированных технологий,
основанные на подходах нелинейной динамики, для изучения
процессов в сложных системах (наноустройства для генерации
субтерагерцового и терагерцового излучения и их
использование в информационно-телекоммуникационных
системах, в медицинских и исследовательских целях для
анализа биологических и когнитивных процессов)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Создан аппаратно-программный комплекс для автоматизированного изучения и выделения
паттернов активности головного мозга.
Изучено влияние температуры на характеристики и стационарные состояния полупроводниковой
сверхрешетки.
Исследован импеданс полупроводниковой сверхрешетки, находящейся под внешним воздействием.
Исследована пространственно-временная синхронизация между различными областями головного
мозга.
Разработана методика расчета спектра пространственных показателей Ляпунова для изучения и
классификации сложных режимов, возникающих в полупроводниковой сверхрешетке, находящейся
под внешним воздействием.
Изучен импеданс микроволнового генератора, основанного на полупроводниковой наноструктуре.
Изучена синхронизация полупроводниковой сверхрешетки с помощью методов, разработанных в
ходе выполнения НИР.
Исследована возможность использования хаотической синхронизации для скрытой
помехоустойчивой передачи информации.
Изучены возможности использования микроволновых генераторов в разработанных схемах скрытой
помехоустойчивой передачи информации.
Рисунок — Схема проведения эксперимента: (а) установка и монтаж электродов на
голове испытуемого, (б) проведение эксперимента. Обратите внимание, что для
отведения
глазодвигательных
артефактов
фиксируются
сигналы
элеткроокулограммы за счет электродов, расположенных в области глаз
испытуемого
ГК 14.B37.21.0569 Разработка и внедрение новых методов анализа
электроэнцефалограмм для мониторинга активности головного
мозга и для диагностики эпилептических расстройств
•
•
•
•
•
Проведение экспериментальных работ по долговременной регистрации
электрической активности головного мозга человека и животных (ЭЭГ) (крыс
линии WAG/Rij с наследственной предрасположенностью к абсанс эпилепсии
и крыс контрольной линии Wistar без признаков эпилепсии).
Проведение частотно-временного анализа ЭЭГ и выделение характерных
особенностей частотно-временной динамики высокоспецифических
паттернов на ЭЭГ человека и животных с использованием непрерывного
вейвлетного анализа.
Создание метода выделения высокоспецифичных осцилляторных паттернов
(пик-волновых разрядов), соответствующих приступам абсанс- эпилепсии, на
ЭЭГ на основе непрерывного вейвлетного анализа.
Разработка алгоритмов и программного обеспечения на языке
программирования Python для выделения пик-волновых разрядов,
соответствующих присупам абсанс-эпилепсии, на ЭЭГ.
Создание метода выделения осцилляторных паттернов (сонных веретен и 5-9
Гц колебаний) во время сна на ЭЭГ на основе непрерывного вейвлетного
анализа.
ГК 14.B37.21.0569 Разработка и внедрение новых методов анализа
электроэнцефалограмм для мониторинга активности головного
мозга и для диагностики эпилептических расстройств
•
•
•
•
•
•
•
Разработка программы для ЭВМ на языке программирования Python для
выделения сонных веретен и 5-9 Гц колебаний во время сна на ЭЭГ.
Тестирование разработанных методов автоматического выделения
осцилляторных паттернов ЭЭГ, проведение анализа суррогатных и
экспериментальных данных для верификации разработанных методов
диагностики экспериментальных данных, сравнение результатов работы
методов с методом экспертных оценок.
Разработка метода оценки степени фазовой синхронизации между различными
областями головного мозга в реальном времени с учётом особенностей
частотно-временной структуры ЭЭГ (изменение основных частот, наличие
шумов, малая длина исследуемых периодов).
Разработка алгоритмов и программы для ЭВМ на языке программирования
Pascal для диагностики фазовой синхронизации между различными каналами
ЭЭГ.
Апробация метода оценки степени фазовой синхронизации между различными
областями головного мозга и его усовершенствование в условиях эксперимента
на крысах линии WAG/Rij.
Проведение серии экспериментов по выделению характерных паттернов
ритмической активности на многоканальной ЭЭГ на крысах линии WAG/Rij
(сонные веретена, пик-волновые разряды, 5-9 Гц колебания)
Изучение характерных особенностей ритмической активности головного мозга во время
сна у контрольной линии крыс без признаков эпилепсии (крысы линии Wistar).
ГК 14.B37.21.0569 Разработка и внедрение новых методов анализа
электроэнцефалограмм для мониторинга активности головного
мозга и для диагностики эпилептических расстройств
• Изучение нарушений ритмической активности головного мозга при
прогрессирующем развитии абсанс-эпилепсии у крыс с
предрасположенностью к этому заболеванию (крысы линии WAG/Rij).
• Детальное изучение динамики ритмической активности головного
мозга во время сна и ее нарушений при развитии эпилепсии на фоне
протекания естественных процессов (старение и беременность).
• Детальное изучение динамики ритмической активности головного
мозга во время сна и ее нарушений при эпилептических
расстройствах под влиянием внешних факторов (фармакотерапия,
изменения окружающей среды и условий развития).
• Обобщение полученных результатов в целях выявления ранних
нарушений ритмической активности мозга при инициации
эпилептических разрядов.
• Проведение частотно-временного анализа ЭЭГ, непосредственно
предшествующей эпилептическим (пик-волновым) разрядам и
выделение комплекса компонентов ЭЭГ, предвещающих начало
приступа абсанс-эпилепсии у крыс эпилептической линии WAG/Rij.
ГК 14.B37.21.0569 Разработка и внедрение новых методов анализа
электроэнцефалограмм для мониторинга активности головного
мозга и для диагностики эпилептических расстройств
•
•
•
Создание алгоритмов и программного обеспечения на языке Pascal для
быстрой диагностики в реальном времени ритмической активности головного
мозга в норме и при патологии у животных и человека на базе анализа
долговременных записей ЭЭГ.
Установление динамических закономерностей появления эпизодов
пароксизмальной активности при абсанс-эпилепсии с использованием
долговременной регистрации ЭЭГ и разработанных алгоритмов мониторинга
состояния головного мозга.
Анализ особенностей суточной динамики возникновения паттернов
эпилептической активности головного мозга с использованием
долговременной регистрации ЭЭГ и разработанных алгоритмов мониторинга
состояния головного мозга.
•
Изучение пространственно-временной синхронизации между различными областями
головного мозга животных и человека для создания системы диагностики
эпилептической активности и выделения характерных осцилляторных паттернов на ЭЭГ.
•
Создание системы диагностики характерных форм синхронной и гиперсинхронной
активности головного мозга крыс с генетической предрасположенностью к абсанс-эпилепсии.
•
Анализ и выявление основных параметров ЭЭГ, которые могут быть использованы в
дальнейшем для диагностики более сложных процессов головного мозга, связанных с
реализацией когнитивных функций человека.
Рисунок - Типичные фрагменты ЭЭГ, зарегистрированные в лобной коре (сверху) и в таламусе (снизу),
содержащие пик-волновые разряды и предшествующие им временные отрезки, а также соответствующие
вейвлетные спектры фрагментов ЭЭГ, построенные с использованием базового Морле-вейвлета. Перед пикволновым разрядом на рис. (а) наблюдаются 3.9 и 6.4 Гц предшественники в коре и 4.1 Гц в таламусе: (б),
(в) – четко прослеживается предшественник с частотой 3.7 Гц на записи ЭЭГ из лобной коры. Стрелкой
отмечены моменты начала пик-волнового разряда. U-образная кривая на вейвлетных поверхностях отмечает
область влияния краевых условий. Частоты на спектрах представлены в логарифмической шкале
ГК 14.B37.21.0632 Разработка новых методик на основе
математического аппарата вейвлетного анализа в камеральных
работах по обработке и интерпретации данных геофизических
исследований методами сейсмической разведки земной коры
• Изучено состояние исследуемой проблемы, проведены патентные
исследования. Выполнено оформление отчета о патентных
исследованиях.
• Проведены научно- исследовательские работы по изучению и
моделированию характерных особенностей многокомпонентных
нестационарных сигналов, получаемых в ходе геофизических
исследований земной коры.
• Выполнен расчет математических характеристик сигналов,
моделирующих характерные особенности сложных сигналов
сейсмической разведки.
• Разработаны математические алгоритмы и теоретические методики
на базе непрерывного вейвлетного преобразования для оценки
характеристик и выделения различных компонент сложных сигналов
геофизической природы.
• Проведены научно- исследовательские работы по оценке
применимости разработанных методик для различных условий
присутствия шумов, помех различных уровней интенсивности.
ГК 14.B37.21.0632 Разработка новых методик на основе
математического аппарата вейвлетного анализа в камеральных
работах по обработке и интерпретации данных геофизических
исследований методами сейсмической разведки земной коры
•
•
•
•
•
•
Проведены научно-исследовательские работы по адаптации базиса
вейвлетного преобразования для задач диагностики различных
осцилляторных паттернов.
Выполнены научно-исследовательские работы по расчету энергетических и
спектральных характеристик сейсмосигналов, сделанные на базе вейвлетпреобразований и разработанных методик.
Создана методика для определения времени прихода первых отраженных
волн.
Создан программный код на языке Pascal в среде Borland Delphi 2007, Code
Gear from Borland для диагностики первого отражения сейсмической волны
на сейсмограмме.
Выполнена автоматизация процесса диагностики времен прихода первых
отраженных волн на территориях со схожими поверхностными и
околоповерхностными сейсмогеологическими условиями и близким
строеним ВЧР.
Проведены тестовые расчеты на сигналах, моделирующих характерные
особенности сейсмосигналов, для диагностики осцилляторных паттернов,
соответствующих первым отраженным волнам, в автоматическом режиме.
ГК 14.B37.21.0632 Разработка новых методик на основе
математического аппарата вейвлетного анализа в камеральных
работах по обработке и интерпретации данных геофизических
исследований методами сейсмической разведки земной коры
•
•
•
•
•
•
•
Создан программный модуль для выделения различных полезных и паразитных
компонент сигналов, регистрируемых при сейсмической разведки сигналов.
Изучено влияние ВЧР на обработку сейсмических материалов методами непрерывного
вейвлетного анализа.
Проведены работы по изучению возможностей применимости созданных технологий
для обработки материалов, отработанных на площадях с принципиально различными
сейсмогеологическими условиями.
Проведены научно- исследовательские работы по оценке уровней шумов, помех и
наличия критических для исследования сейсмогеологических факторов, позволяющих
осуществлять адекватную обработку данных методами вейвлет-анализа.
Выполнено подавление различных локализованных шумов в сейсмоматериалах при
проведении автоматизированной диагностики на основе непрерывного вейвлетного
анализа.
Проведены теоретические и численные исследования на основе созданных в ходе
выполнения проекта методик, алгоритмов и программных модулей геофизических
сигналов, полученных при проведении наземной сейсмической разведки на площадях с
различными сейсмогеологическими условиями.
Проведено обобщение результатов исследований и оценка эффективности полученных
результатов в сравнении с современным научно- техническим уровнем.
3D–карта высотных отметок по ПП и ПВ.
3D–Карта статпоправок по данным МСК.
Участники
ГК 14.B37.21.0059
18%
11%
доктор наук
кандидат наук
аспирант
студент
30%
41%
Участники
ГК 14.B37.21.0569
24%
14%
доктор наук
кандидат наук
аспирант
34%
28%
студент
Участники
ГК 14.B37.21.0632
18%
18%
доктор наук
кандидат наук
аспирант
студент
35%
29%
В ходе выполнения работ по
госконтрактам был опубликован ряд
монографий и статей в зарубежной и
российской научной печати:
14.B37.21.0059
ГК 14.B37.21.0569
ГК 14.B37.21.0632
1 монография
16 статей
1 монография
8 статей
2 монографии
4 статьи
Монографии
Короновский А.А.,
Макаров В.А.,
Павлов А.Н.,
Ситникова Е.Ю.,
Храмов А.Е.
Вейвлеты в
нейродинамике и
нейрофизиологии.
М.: Физматлит, 2013
Монографии
Руннова А.Е.,
Храмов А.Е.,
Павлов А.Н.,
Короновский А.А.,
Иванов А.В.
Вейвлеты в
геофизике: обработка
сигналов в
сейсморазведке. М.:
Университетская
книга, 2013
Монографии
Андронаке И.К.,
Иванов А.В.,
Короновский А.А.,
Мельник М.А.,
Поздняков А.В.,
Чупикова С.А.,
Яшков И.А.
Фрактальный анализ в
флювиальной
геоморфологии / Под
ред. А.В. Иванова,
А.В. Позднякова – М.:
Университетская книга,
2013
Публикации в ведущих научных
журналах
• Hramov A.E., Koronovskii A.A., Maksimenko V.A.,
Moskalenko O.I. Computation of the spectrum of spatial
Lyapunov exponents for the spatially extended beamplasma systems and electron-wave devices . Physics of
Plasmas. 2012. Vol. 19, N 8, 082302
• Moskalenko O.I., Koronovskii A.A., Hramov A.E.,
Boccaletti S. Generalized synchronization in mutually
coupled oscillators and complex networks. Phys. Rev.
E.2012, V. 86, 036216.
• Koronovskii A.A., Maksimenko V.A., Moskalenko O.I.,
Hramov A.E., Alekseev K.N., Balanov A.G. Transition to
Microwave Generation in Semiconductor Superlattice.
Physics of wave phenomena. 2013. V. 21, 48-51
Публикации в ведущих научных
журналах
• Koronovskii A.A., Moskalenko O.I., Shurygina S.A., Hramov
A.E. Generalized synchronization in discrete maps. New
point of view on weak and strong synchronization. Chaos,
Solitons & Fractals. 2013. Vol. 46, 12-18
• Nazimov A.I., Pavlov A.N., Hramov A.E., Grubov V.V.,
Koronovskii A.A., Sitnikova E.Yu. Adaptive wavelet-based
recognition of oscillatory patterns on
electroencephalograms. Proc. SPIE. 2013, V. 8580, 85801D.
• Moskalenko,O.I., Koronovskii,A.A., Hramov,A.E.
Inapplicability of an auxiliary-system approach to chaotic
oscillators with mutual-type coupling and complex
networks. Phys. Rev. E. 2013. 87, 064901.
Публикации в ведущих научных
журналах
• Koronovskii A.A., Hramov A.E., Maximenko V.A., Moskalenko O.I.,
Alekseev K.N., Greenaway M.T., Fromhold T.M. and Balanov A.G..
Lyapunov stability of charge transport in miniband semiconductor
superlattices. Phys. Rev. B. 2013 (accepted).
• Matharu S., Kusmartsev F.V., and Balanov A.G.. High-frequency
generation in two coupled semiconductor superlattices. Eur. Phys. J.
Special Topics. 2013. Vol. 222, 1–12.
• Макаров В.В., Короновский А.А., Куркин С.А., Левин Ю.И.,
Москаленко О.И., Максименко В.А., Храмов А.Е., Баланов А.Г.
Бифуркации и переходы к хаосу в системе полупроводниковая
сверхрешетка во внешнем резонаторе. Известия вузов.
Прикладная нелинейная динамика. 2013. Т. 21, N 5.
Публикации в ведущих научных
журналах
• Ситникова Е.Ю., Грубов В.В., Храмов А.Е., Короновский А.А.
Возрастные изменения частотно-временнoй структуры сонных
веретен на ЭЭГ у крыс с генетической предрасположенностью к
абсанс-эпилепсии (линия WAG/Rij). Журнал высшей нервной
деятельности, 2012, том 62, № 6, с. 733–744.
• Назимов А.И., Павлов А.Н., Храмов А.Е., Грубов В.В., Ситникова
Е.Ю., Короновский А.А. Адаптивный метод распознавания
характерных осцилляторных паттернов на основе вейвлетпреобразования. Радиотехника и электроника. 58, 7 (2013) 789795.
• Hramov A.E., Grubov V.V., Pavlov A.N., Sitnikova E.Yu.,
Koronovskii A.A., Runnova A.E., Shurygina S.A., Ivanov A.V. On-off
intermittency of thalamo-cortical neuronal network oscillations in
the electroencephalogram of rodents with genetic predisposition to
absence epilepsy. Proc. SPIE. 8580 (2013) 85801E
Публикации в ведущих научных
журналах
• Руннова А.Е., Короновский А.А., Иванов А.В., Храмов А.Е. Новые
инновационные вейвлет-методы цифровой динамической
обработки данных сейсмической разведки. Инновационная
деятельность. 2013, Т. 1, вып. 1, сс. 110-116
• Данилов Д.И., Журавлев М.О., Иванов А.В., Короновский А.А.,
Куровская М.К., Москаленко О.И., Сельский А.О., Шурыгина С.А.
Исследование характеристик перемежающегося поведения
вблизи границы синхронного режима при изменении
управляющего параметра. Вестник СГТУ 1, 69 (2013) 27-32.
• Павлов А.Н., Руннова А.Е., Храмов А.Е., Иванов А.В., Шурыгина
С.А., Куркин С.А., Москаленко О.И., Павлова О.Н. Анализ и
диагностика многокомпонентных сигналов сейсмограмм с
использованием преобразования Гильберта–Хуанга. Вестник
Тамбовского университета. Серия Естественные и технические
науки. 2012, Т. 17, вып. 4, сс. 1121-1124
Публикации в ведущих научных
журналах
• Шурыгина С. А., Короновский А. А., Москаленко О. И.,
Храмов А. Е. Исследование поведения локальных
показателей Ляпунова вблизи границ установления
синхронных режимов. Известия РАН. Серия физическая,
2013, т. 77, № 12, с. 1763–1767
• Павлов А.Н. , Храмов А.Е., Короновский А.А., Ситникова
Е.Ю., Макаров В.А., Овчинников А.А. Вейвлет-анализ в
нейродинамике. Успехи физических наук, 2012, Т. 182,
№ 9, СС. 905-939
• Короновский А.А., Москаленко О.И., Шурыгина С.А.,
Храмов А.Е. Сильная и слабая обобщенная хаотическая
синхронизация. Известия РАН. Серия физическая. 2012,
том 76, № 12, с. 1495–1499.
Объекты интеллектуальной
собственности (патенты, программы
для ЭВМ
Члены научного
коллектива«Нелинейная динамика
сложных систем»
• приняли участие более чем в 20 научных
конференциях;
• сделали около 60 научных докладов, среди
которых есть и приглашенные лекции;
• защищено две кандидатские диссертации;
• представлена к защите одна докторская
диссертация.