novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.79-87novtexmech-1124Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSУправление внедрением иглы в ткань фантома головного мозга с помощью пьезоэлектрического приводаControl of Indentation of a Needle into the Brain Phantom Tissue Using a Piezoelectric DriveГорячеваИ. Г.GoryachevaI. G.

акад. РАН 

г. Москва

Moscow, 119192

goryache@ipmnet.ruДосаевМ. З.DosaevM. Z.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

г. Москва

Dosaev Marat Z., PhD., Leading Researcher

Moscow, 119192

dosaev@imec.msu.ruСелюцкийЮ. Д.SelyutskiyY. D.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. 

г. Москва

Moscow, 119192

seliutski@imec.msu.ruЯковенкоА. А.YakovenkoA. A.

аспирант 

г. Москва

Moscow, 119526

dolgopup_13@mail.ruJuM.-S.JuM.-S.

профессор 

Тайнань

Tainan, 701

msju@mail.nsku.edu.twChangH.-R.ChangH.-R.

студент

Тайнань

Tainan, 701

msju@mail.nsku.edu.twНИИ механики МГУ; Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАНРоссияInstitute of Mechanics of Lomonosov Moscow State University; Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RASRussian FederationНИИ механики МГУРоссияInstitute of Mechanics of Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАНРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics RASRussian FederationНациональный университет Чен КунТайваньNational Cheng Kung UniversityTaiwan, Province of China2022060220222327987Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1124

В настоящее время активно развивающимся разделом медицины являются стереотаксические операции на головном мозге. В ходе этих операций в мозг через отверстие в черепе вводится специальная игла. Эта игла перемещается в ткани мозга таким образом, чтобы ее кончик достиг определенной точки, после чего выполняется необходимая медицинская манипуляция (например, взятие пункции). Для обеспечения точности позиционирования иглы целесообразно контролировать ход операции с помощью аппарата магнитно-резонансной томографии. Это накладывает ограничения на тип приводов, которые можно использовать для управления иглой. В работе рассмотрена задача об управлении внедрением иглы цилиндрической формы в фантом головного мозга, причем управляющая сила формируется с помощью пьезоэлектрического привода (ПЭП). Для описания взаимодействия иглы с тканью предложена феноменологическая модель, в рамках которой предполагается, что ткань фантома представляет собой вязкоупругий и пластический материал, а также обладает релаксационными свойствами. При описании сил, действующих на боковую поверхность иглы со стороны ткани, учитывается наличие сухого трения. Предложенная модель содержит ряд параметров, которые идентифицируются на основе экспериментов, проведенных в Национальном университете Cheng Kung (Тайвань). В ходе этих экспериментов стандартная игла для биопсии внедрялась в фантом, изготовленный из раствора агар-агара, причем регистрировались положение иглы и сила, действующая на нее со стороны ткани. Показано, что результаты экспериментов достаточно хорошо согласуются с расчетами в рамках модели. Предложен алгоритм управления иглой путем задания частоты возбуждения ПЭП. Целью управления является внедрение иглы на заданную глубину с заданной постоянной скоростью с последующим удержанием иглы на этой глубине. При этом требуется избежать перерегулирования по скорости и положению. Проведено численное моделирование. Исследовано влияние параметров обратной связи на характер процесса. Показано, что при надлежащем выборе параметров удается избежать перерегулирования.

Currently, stereotaxic brain surgery is an actively developing branch of medicine. During these operations, a special needle is inserted into the brain through a hole in the skull. This needle is moved in the brain tissue so that its tip reaches a certain point, after which the necessary medical manipulation is performed (for example, taking a puncture). To ensure accurate positioning of the needle, it is advisable to monitor the process of such operations using the magnetic resonance imaging apparatus. This puts restrictions on the type of actuators that can be used to drive the needle. The paper considers the problem of controlling the penetration of a cylindrical needle into a phantom of the brain where the control force is generated using a piezoelectric drive (PED). To describe the interaction of the needle with the tissue, a phenomenological model is proposed, under which it is assumed that the phantom tissue is a viscoelastic and plastic material, and also demonstrates relaxation properties. When describing forces acting on the lateral surface of the needle from the side of the tissue, the presence of dry friction is taken into account. The proposed model contains a number of parameters that are identified based on experiments carried out at the NCKU (Taiwan). In these experiments, a standard biopsy needle was inserted into a phantom made from agar-agar solution, and the position of the needle and the force acting on it from the tissue were registered. It is shown that the experimental results are in good agreement with the calculations in the context of the model. An algorithm for controlling the needle by setting the frequency of excitation of the probe is proposed. The aim of the control is to introduce the needle to a given depth at a given constant speed, and then hold the needle at this depth. During the process, it is required to avoid overshooting in speed and position. Numerical simulation has been carried out. The effect of the feedback parameters on the nature of the process is investigated. It is shown that the proper choice of parameters allows for avoiding the overshooting.

стереотаксическая операцияпьезоэлектрический приводматематическая модельконтактные характеристикиалгоритм управленияstereotactic operationpiezoelectric drivemathematical modelcontact characteristicscontrol algorithmРабота выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект 19-58-52004) и министерства науки и технологий Тайваня (MOST 108-2923-E-006-003-MY3).The work is partially supported by RFBR (Project No. 19-58-52004) and the Ministry of Science and Technology of Taiwan (project MOST 108-2923-E-006-003-MY3).ReferencesPoole E. I., McGavin J. J., Cochkanoff N. L., Crosby K. M. Stereotaxic surgery for implantation of guide cannulas for microinjection into the dorsomedial hypothalamus in young rats // MethodsX. 2019. Vol. 6. P. 1652—1659. https://doi.org/10.1016/j.mex.2019.07.005.Poole E. I., McGavin J. J., Cochkanoff N. L., Crosby K. M. Stereotaxic surgery for implantation of guide cannulas for microinjection into the dorsomedial hypothalamus in young rats, MethodsX, 2019, vol. 6, pp. 1652—1659, https://doi.org/10.1016/j.mex.2019.07.005.Glud A. N., Bech J., Tvilling L., Zaer H., Orlowski D., Fitting L. M., Ziedler D., Geneser M., Sangill R., Alstrup A. K. O., Bjarkam C. R., Sørensen J. C. H. A fiducial skull marker for precise MRI-based stereotaxic surgery in large animal models // Journal of Neuroscience Methods. 2017. Vol. 285. P. 45—48. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2017.04.017.Glud A. N., Bech J., Tvilling L., Zaer H., Orlowski D., Fitting L. M., Ziedler D., Geneser M., Sangill R., Alstrup A. K. O., Bjarkam C. R., Sørensen J. C. H. A fiducial skull marker for precise MRI-based stereotaxic surgery in large animal models, Journal of Neuroscience Methods, 2017, vol. 285, pp. 45—48, https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2017.04.017.Cappelleri D. J., Frecker M. I., Simpson T. W., Snyder A. Design of a PZT bimorph actuator using a metamodel-based approach // J. Mech. Des. 2002. Vol. 124, N. 2. P. 354—357.Cappelleri D. J., Frecker M. I., Simpson T. W., Snyder A. Design of a PZT bimorph actuator using a metamodel-based approach, J. Mech. Des., 2002, vol. 124, no. 2, pp. 354—357.Yeh C.-H., Su F.-C., Shan Y.-S., Dosaev M., Selyutskiy Y., Goryacheva I., Ju M.-S. Application of piezoelectric actuator to simplified haptic feedback system // Sensors and Actuators A: Physical. 2020. Vol. 303. P. 111820. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111820.Yeh C.-H., Su F.-C., Shan Y.-S., Dosaev M., Selyutskiy Y., Goryacheva I., Ju M.-S. Application of piezoelectric actuator to simplified haptic feedback system, Sensors and Actuators A: Physical, 2020, vol. 303, pp. 111820, https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111820.Горячева И. Г., Досаев М. З., Селюцкий Ю. Д., Яковенко А. А., Hsiao C.-H., Huang C.-Yu., Ju M.-S., Yeh C.-H. Управление внедрением индентора в вязкоупругую ткань с использованием пьезоэлектрического привода // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т.21, № 5. С. 304—311. https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311.Goryacheva I. G., Dosaev M. Z., Selyutskiy Y. D., Yakovenko A. A., Hsiao C.-H., Huang C.-Yu., Ju M.-S., Yeh C.-H. Control of insertion of indenter into viscoelastic tissue using a piezoelectric drive, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol.21, no. 5, pp. 304—311 (in Russian), https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311.McPherson T., Ueda J. A force and displacement selfsensing piezoelectric MRI-compatible tweezer end effector with an on-site calibration procedure // IEEE/ASME Trans. Mechatron. 2014. Vol. 19. N. 2. P. 755—764.McPherson T., Ueda J. A force and displacement selfsensing piezoelectric MRI-compatible tweezer end effector with an on-site calibration procedure, IEEE/ASME Trans. Mechatron., 2014, vol. 19, no. 2, pp. 755—764.Lorenzo D. D., Momi E. D., Dyagilev I., Manganelli R., Formaglio A., Prattichizzo D., Shoham M., Ferrigno G. Force feedback in a piezoelectric linear actuator for neurosurgery // Int. J. Med. Robot. 2011. Vol. 7. N. 3. P. 268—275.Lorenzo D. D., Momi E. D., Dyagilev I., Manganelli R., Formaglio A., Prattichizzo D., Shoham M., Ferrigno G. Force feedback in a piezoelectric linear actuator for neurosurgery, Int. J. Med. Robot., 2011, vol. 7, no. 3, pp. 268—275.Mukhopadhyay S., Kumar J., Behera B. Low Operating Voltage based Piezoelectric Ultrasonic Actuator for Tactile System Applications // Ferroelectrics. 2021. Vol. 585. P. 1—15.Mukhopadhyay S., Kumar J., Behera B. Low Operating Voltage based Piezoelectric Ultrasonic Actuator for Tactile System Applications, Ferroelectrics, 2021, vol. 585, pp. 1—15.Wurpts W., Twiefel J. An ultrasonic motor with intermittent contact modeled as a two degree of freedom oscillator in time domain // PAMM. 2009. Vol. 9. P. 287—288. https://doi.org/10.1002/pamm.200910117.Wurpts W., Twiefel J. An ultrasonic motor with intermittent contact modeled as a two degree of freedom oscillator in time domain, PAMM, 2009, vol. 9, pp. 287—288, https://doi.org/10.1002/pamm.200910117.Mashimo T., Terashima K. Dynamic analysis of an ultrasonic motor using point contact model // Sensors and Actuators A: Physical. 2015. Vol. 233. P. 15—21. https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.05.009.Mashimo T., Terashima K. Dynamic analysis of an ultrasonic motor using point contact model, Sensors and Actuators A: Phys., 2015, Vol. 233, pp. 15—21, https://doi.org/10.1016/j.sna.2015.05.009.Досаев М. З., Селюцкий Ю. Д., Е Ч. С., Су Ф. Ч. Моделирование тактильной обратной связи, реализуемой с помощью пьезоэлектрического привода // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т.19, № 7. С. 480—485. https://doi.org/10.17587/mau.19.480-485.Dosaev M. Z., Selyutskiy Yu. D., Yeh C.-H., Su F.-C. Modeling Tactile Feedback Realized by Piezoelectrical Actuator, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol. 19, no. 7, pp. 480—485 (in Russian), https://doi.org/10.17587/mau.19.480-485Sabarianand D. V., Karthikeyan P., Muthuramalingam T. A review on control strategies for compensation of hysteresis and creep on piezoelectric actuators based micro systems // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020. Vol. 140. P. 106634. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106634.Sabarianand D. V., Karthikeyan P., Muthuramalingam T. A review on control strategies for compensation of hysteresis and creep on piezoelectric actuators based micro systems, Mechanical Systems and Signal Processing, 2020, vol. 140, pp. 106634. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.106634.Aranda-Lara L., Torres-García E., Oros-Pantoja R. Biological Tissue Modeling with Agar Gel Phantom for Radiation Dosimetry of 99mTc // Open Journal of Radiology. 2014. Vol. 4. P. 44—52. http://dx.doi.org/10.4236/ojrad.2014.41006Aranda-Lara L., Torres-García E., Oros-Pantoja R. Biological Tissue Modeling with Agar Gel Phantom for Radiation Dosimetry of 99mTc, Open Journal of Radiology, 2014, vol. 4, pp. 44—52, http://dx.doi.org/10.4236/ojrad.2014.41006Magsood H., Hadimani R. L. Development of anatomically accurate brain phantom for experimental validation of stimulation strengths during TMS // Materials Science and Engineering: C. 2021. Vol. 120. P. 111705. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111705.Magsood H., Hadimani R. L. Development of anatomically accurate brain phantom for experimental validation of stimulation strengths during TMS, Materials Science and Engineering: C, 2021, vol. 120, pp. 111705, https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111705.Ozkaya E., Triolo E. R., Rezayaraghi F., Abderezaei J., Meinhold W., Hong K., Alipour A., Kennedy P., Fleysher L., Ueda J., Balchandani P., Eriten M., Johnson C. L., Yang Y., Kurt M. Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021. Vol. 122. P. 104680. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104680.Ozkaya E., Triolo E. R., Rezayaraghi F., Abderezaei J., Meinhold W., Hong K., Alipour A., Kennedy P., Fleysher L., Ueda J., Balchandani P., Eriten M., Johnson C. L., Yang Y., Kurt M. Brain-mimicking phantom for biomechanical validation of motion sensitive MR imaging techniques, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2021, vol. 122, pp. 104680, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2021.104680.Argatov I. An analytical solution of the rebound indentation problem for an iotropic linear viscoelastic layer loaded with a spherical punch // Acta Mech. 2012. Vol. 223. P. 1441—1453.Argatov I. An analytical solution of the rebound indentation problem for an iotropic linear viscoelastic layer loaded with a spherical punch, Acta Mech., 2012, vol. 223, pp. 1441—1453.Lyubicheva A. Closed-Form Solution of Axisymmetric Contact Problem for a Viscoelastic Base within Cycle of Increasing and Decreasing of Load on the Indenter // Journal of Friction and Wear. 2017. Vol. 38, N. 2. P. 138—143.Lyubicheva A. Closed-Form Solution of Axisymmetric Contact Problem for a Viscoelastic Base within Cycle of Increasing and Decreasing of Load on the Indenter, Journal of Friction and Wear, 2017, vol. 38, no. 2, pp. 138—143.Yakovenko A. A., Lai Y.-X., Goryacheva I. G., Ju M.-S., Dosaev M. Z., Selyutskiy Y. D. Modelling and experimental study of the needle indentation into a brain phantom // International Journal of Non-Linear Mechanics. 2021. Vol. 137. P. 103832. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2021.103832.Yakovenko A. A., Lai Y.-X., Goryacheva I. G., Ju M.-S., Dosaev M. Z., Selyutskiy Y. D. Modelling and experimental study of the needle indentation into a brain phantom, International Journal of Non-Linear Mechanics, 2021, vol. 137, pp. 103832, https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2021.103832.Liu Z., Yao Z., Li X., Fu Q. Design and experiments of a linear piezoelectric motor driven by a single mode // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87. P. 115001. https://doi.org/10.1063/1.4966251.Liu Z., Yao Z., Li X., Fu Q. Design and experiments of a linear piezoelectric motor driven by a single mode, Review of Scientific Instruments, 2016, vol. 87, pp. 115001, https://doi.org/10.1063/1.4966251.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.