Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Управление внедрением индентора в вязкоупругую ткань с использованием пьезоэлектрического привода

https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311

Полный текст:

Аннотация

Стереотаксические операции активно применяются в современной малоинвазивной медицине. При этом во внутренние органы вводится гибкая игла, с помощью которой осуществляется биопсия или проводится локальное лечение. Применение подобных подходов в нейрохирургии требует обеспечения точного позиционирования кончика иглы в целевой точке. Настоящее исследование связано с созданием  робототехнической системы, доставляющей иглу в заданную точку и использующей приводы, совместимые с аппаратами магнитно-резонансной томографии, визуализирующими положение иглы. В данной работе предложена конечномерная математическая модель мехатронной системы, использующей пьезоэлектрический привод (ПЭП) для перемещения иглы (канюли) вдоль заданной прямой. Для описания контакта канюли с мягкой тканью разработана математическая модель их взаимодействия. Решена контактная задача, описывающая два процесса, протекающих в ходе внедрения иглы в биологическую ткань: внедрение жесткого (по сравнению с тканью) индентора и его удержание на определенной глубине. При этом  учитываются релаксационные свойства ткани. Поведение ткани описывается с помощью феноменологического подхода, основанного на модифицированной модели Кельвина—Фойгта. Это позволило свести решение контактной задачи к интегрированию системы обыкновенных дифференциальных уравнений.
Одним из признанных способов разработки и отладки медицинских робототехнических систем является тестирование их функционирования с применением фантомов биологических тканей. С этой целью изготовлен фантом свиного головного мозга на основе агар-агара. Проведены эксперименты по индентированию стандартной канюли в тело фантома. На основе полученных экспериментальных данных проведена идентификация параметров модели контакта. Предложен алгоритм управления частотой ПЭП, обеспечивающий внедрение канюли в мягкую биологическую ткань на заданную глубину. Проведено численное моделирование внедрения канюли в мягкую ткань с использованием этого алгоритма. Исследовано влияние коэффициентов обратной связи по положению и скорости индентора на характер процесса внедрения.

Об авторах

И. Г. Горячева
НИИ механики МГУ, Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия

акад. РАН,

 Москва



М. З. Досаев
НИИ механики МГУ
Россия
канд. физ.-мат. наук, dosayev@imec.msu.ru

Москва


Ю. Д. Селюцкий
НИИ механики МГУ
Россия

канд. физ.-мат. наук, 

Москва



А. А. Яковенко
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия

аспирант

Москва



С.-Н. Hsiao
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
аспирант, n16061480@mail.ncku.edu.tw



C.-Yu. Huang
Национальный университет Чен Кун
Тайвань

профессор

 



M.-S. Ju
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
профессор



C.-H. Yeh
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
PhD


Список литературы

1. Stoianovici D. et al. Multi-Imager Compatible, MR Safe, Remote Center of Motion Needle-Guide Robot // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2018. 65 (1). P. 165—177. Doi: 10.1109/TBME.2017.2697766.

2. Park Y. L., et al. Real-Time Estimation of 3-D Needle Shape and Deflection for MRI-Guided Interventions // IEEE ASME Trans Mechatron. 2010. 15(6). P. 906—915.

3. 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. 19 (2) P. 755—764.

4. Lorenzo D. D., Momi1 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. 7 (3). P. 268—275.

5. 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. 124 (2). P. 354—357.

6. Yeh C.-H. et al. Application of piezoelectric actuator to simplified haptic feedback system // Sensors and Actuators A: Physical. 2020. 303. 111820. doi:10.1016/j.sna.2019.111820.

7. 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; doi: 10.1002/pamm.200910117.

8. 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. doi: 10.1016/j.sna.2015.05.009.

9. 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. doi:

10. 17587/mau.19.480-485.

11. 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. 140, 106634, DOI: 10.1016/j.ymssp.2020.106634.

12. Patil S., Burgner-Kahrs J., Webster R., Alterovitz R. Needle Steering in 3-D Via Rapid Replanning. // IEEE Transactions on Robotics. 2014. 30, P. 853—864. DOI: 10.1109/TRO.2014.2307633.

13. Onishi T., Ishido R., Takimoto T., Saito. K., Uebayashi S., Takahashi M., Ito K. Biological Tissue-Equivalent Agar-Based Solid Phantoms and SAR Estimation Using the Thermographic Method in the Range of 3—6 GHz // IEICE Transactions on Communications. 2005. 88-B(9). P. 3733—3741.

14. 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. N. 4. P. 44—52. http://dx.doi.org/10.4236/ojrad.2014.41006

15. Oldfield M., Dini D., Giordano G., Rodriguez y Baena F. Detailed finite element modelling of deep needle insertions into a soft tissue phantom using a cohesive approach // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2013. 16(5), P. 530—543, DOI: 10.1080/10255842.2011.628448.

16. Argatov I., Mishuris G. An analytical solution for a linear viscoelastic layer loaded with a cylindrical punch: evaluation of the rebound indentation test with application for assessing viability of articular cartilage // Mech. Res. Commun. 2011. 38 (2011). P. 565—568.

17. Argatov I. An analytical solution of the rebound indentation problem for an iotropic linear viscoelastic layer loaded with a spherical punch // Acta Mech. 2012. 223. P. 1441—1453.

18. 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. 38(2). P. 138—143.

19. 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. 87. 115001; doi: 10.1063/1.4966251.

20. Klimina L., Shalimova E., Dosaev M., Garziera R. Closed dynamical model of a double propeller HAWT // Procedia engineering. 2017. 199. P. 577—582.

21. Selyutskiy Y. D., Klimina L. A. Effect of nonlinear electromechanical interaction upon wind power generator behavior // AIP Conference Proceedings. 2014. 1637 (1). P. 982—987.


Для цитирования:


Горячева И.Г., Досаев М.З., Селюцкий Ю.Д., Яковенко А.А., Hsiao С., Huang C., Ju M., Yeh C. Управление внедрением индентора в вязкоупругую ткань с использованием пьезоэлектрического привода. Мехатроника, автоматизация, управление. 2020;21(5):304-311. https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311

For citation:


Goryacheva I.G., Dosaev M.Z., Selyutskiy Y.V., Yakovenko A.A., Hsiao C., Huang C., Ju M., Yeh C. Control of Insertion of Indenter into Viscoelastic Tissue using a Piezoelectric Drive. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2020;21(5):304-311. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311

Просмотров: 134


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)