Управление внедрением иглы в ткань фантома головного мозга с помощью пьезоэлектрического приводастатья
Статья опубликована в журнале из списка RSCI Web of Science
Информация о цитировании статьи получена из
Scopus
Статья опубликована в журнале из перечня ВАК
Статья опубликована в журнале из списка Web of Science и/или Scopus
Дата последнего поиска статьи во внешних источниках: 30 января 2024 г.
Аннотация: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.