Управление внедрением индентора в вязкоупругую ткань с использованием пьезоэлектрического привода
https://doi.org/10.17587/mau.21.304-311
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.
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.
Ключевые слова
стереотаксическая операция,
пьезоэлектрический привод,
математическая модель,
контактные характеристики,
алгоритм управления
При поддержке: Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 19-58-52004) и министерства науки и технологии Тайваня (MOST 108-2923-E-006-003-MY3).
Об авторах
И. Г. Горячева
НИИ механики МГУ,
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия
Россия
акад. РАН,
Москва
М. З. Досаев
НИИ механики МГУ
Россия
канд. физ.-мат. наук, dosayev@imec.msu.ru
Москва
Россия
канд. физ.-мат. наук, dosayev@imec.msu.ru
Москва
Ю. Д. Селюцкий
НИИ механики МГУ
Россия
Россия
канд. физ.-мат. наук,
Москва
А. А. Яковенко
Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН
Россия
Россия
аспирант
Москва
С.-Н. Hsiao
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
аспирант, n16061480@mail.ncku.edu.tw
Тайвань
аспирант, n16061480@mail.ncku.edu.tw
C.-Yu. Huang
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
Тайвань
профессор
M.-S. Ju
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
профессор
Тайвань
профессор
C.-H. Yeh
Национальный университет Чен Кун
Тайвань
PhD
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.
Рецензия
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:
793
.png)
Послать статью по эл. почте 