Помощь студентам в учебе
Модель деформируемого объекта управления
|
Введение 4
1. Аналитический обзор научных и информационных источников по исследованиям и разработкам 7
1.1 Обзор математического моделирования отклонения медицинских игл от прямолинейного движения при проведении операций 7
2. Разработка модели, описывающей отклонение иглы от прямолинейного движения в мягких тканях человека 15
2.1 Постановка задачи 16
2.2 Двухмерная модель, описывающая отклонение движения иглы от прямолинейного движения 16
2.3 Трехмерная модель, описывающая отклонение движения иглы от прямолинейного движения 21
3. Результаты моделирования 26
3.1 Программная среда и архитектура работы системы 26
3.2 Экспериментальная установка 27
3.3 Влияние силы тяжести на иглу в горизонтальном положении, моделирование ненагруженного состояния 30
3.4 Результаты моделирования и эксперимента 31
4. Заключение 35
5. Список литературы 36
1. Аналитический обзор научных и информационных источников по исследованиям и разработкам 7
1.1 Обзор математического моделирования отклонения медицинских игл от прямолинейного движения при проведении операций 7
2. Разработка модели, описывающей отклонение иглы от прямолинейного движения в мягких тканях человека 15
2.1 Постановка задачи 16
2.2 Двухмерная модель, описывающая отклонение движения иглы от прямолинейного движения 16
2.3 Трехмерная модель, описывающая отклонение движения иглы от прямолинейного движения 21
3. Результаты моделирования 26
3.1 Программная среда и архитектура работы системы 26
3.2 Экспериментальная установка 27
3.3 Влияние силы тяжести на иглу в горизонтальном положении, моделирование ненагруженного состояния 30
3.4 Результаты моделирования и эксперимента 31
4. Заключение 35
5. Список литературы 36
В наши дни роботы все больше заменяют ручной труд человека. Машины уже могут выполнять не только монотонные производственные действия, но и заменять человека в более сложных операциях. К примеру можно отнести выполнение медицинских операций, как мало инвазивных, так и полноценных. В настоящей работе рассматривается проведение операций брахитерапии рака предстательной железы.
В настоящее время в медицине для выполнения операций различной сложности широко применяются робототехнические комплексы. Данная процедура проводится посредством внедрения микроисточников радиоизлучения в предстательную железу максимально близко к опухоли. Основная сложность заключается в подведении кончика иглы к целевой точке (опухоли) при проведении операции. На сегодняшний день в ЦНИИ РТК разработан макет роботизированной системы «ОнкоРОБОТ» для брахитерапии рака предстательной железы (РПЖ) [1, 2].
Преимущества использования роботов по сравнению с традиционными методами заключаются в том, что роботизированный манипулятор способен обеспечить практически любую требуемую точность наведения инструмента и его контролируемого силового воздействия, что позволяет рассчитывать не только на повышение качества освоенных в настоящее время операций, но и на создание базиса для разработки принципиально новых хирургических технологий. Другим важным преимуществом является отсутствие прямого контакта врача с радиоактивными источниками, что позволит обезопасить медицинский персонал от сопутствующего радиационного облучения.
Из-за своих геометрических особенностей и прилагаемых нагрузок в процессе выполнения операции игла деформируется, что приводит к ее отклонению от прямолинейного движения.
Таким образом, основной целью работы является необходимость разработать модель, которая позволяет прогнозировать и корректировать движение иглы в тканях человека. На дальнейших этапах данную модель можно будет интегрировать или создать на ее основе такой программный продукт, который позволит при работе роботизированной системы прогнозировать движение иглы при проведении медицинских операций.
Совместив данный продукт с другими системами, можно будет прогнозировать более оптимальные точки для прокола при проведении операции, корректировать движение иглы для повышения точности. Отладив настоящую модель и дополнив ее моделью вязкоупругих тканей, можно будет моделировать процесс проведения операции в различных целях, к примеру, для обучения работников медицинской сферы.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: выбрать подход для моделирования движения медицинской инъекционной иглы, определить метод описания воздействия внешней среды на иглу при ее движении в тканях человека, разработать алгоритм (модель) для расчета отклонения иглы при движении, на основании предложенных выражений реализовать программу для расчета отклонения иглы от прямолинейного движения, сравнить результаты моделирования с результатами экспериментов.
В данной работе объектом исследования является процесс внедрения медицинской инъекционной иглы в фантом мягких тканей человека. Предметом исследования является процесс отклонения медицинской инъекционной иглы от прямолинейного движения при внедрении в ткани человека.
Будет разработана физико-математическая модель для описания отклонения иглы при прямолинейном движении в тканях человека.
Предложен новый способ моделирования воздействия окружающей среды на медицинскую инъекционную иглу в процессе ее движения в мягких тканях. На основе предложенного подхода разработана модель которая реализована в виде программы и Simulink модели в MATLAB.
Данная модель отличается тем, что может быть использована для итерационных расчётов в реальном времени, так же имеет высокую точность при достаточном количестве рассчитанных коэффициентов для различных скоростей внедрения иглы в мягкие ткани.
Модель может быть использована для прогнозирования движения иглы в мягких тканях. С помощью данной системы возможно проведение предварительных виртуальных операций, ее можно использовать в системе управления позиционирования кончика иглы в мягких тканях. Также предложенная модель может быть использована в системах с прогнозирующим управлением «Model predictive controls» (MPC).
Модель, разработанная в рамках данной работы, была частично представлена на следующих конференциях: «Современные проблемы математики и ее приложения в естественных науках и информационных технологиях» (Харьков, 2018), IV Международная конференция «Комплексная безопасность и физическая защита» (Санкт-Петербург, 2018), «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж 2018), XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ», (Новосибирск, 2018), «СПИСОК-2019 Всероссийская научная конференция по проблемам информатики» (Санкт-Петербург, 2019), «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж 2019), IX Поляховские чтения (Санкт-Петербург, 2021).
Результаты работы были частично опубликованы в журнале «Российский журнал биомеханики» в 2018 году, так же переданы материалы для публикации статьи в журнале «Российский журнал биомеханики» по теме «Трехмерная модель, описывающая отклонения асимметричной иглы при движении в мягких тканях», и в журнале Journal of Physics: Conference Series по теме «3D model of deflection of an asymmetrical needle during motion in soft tissues».
По теме исследования опубликовано 7 работ в том числе 1 из них в научном журнале, проиндексированном в базе Scopus, 2 работы в процессе публикации также в журналах, реферируемых Scopus.
В настоящее время в медицине для выполнения операций различной сложности широко применяются робототехнические комплексы. Данная процедура проводится посредством внедрения микроисточников радиоизлучения в предстательную железу максимально близко к опухоли. Основная сложность заключается в подведении кончика иглы к целевой точке (опухоли) при проведении операции. На сегодняшний день в ЦНИИ РТК разработан макет роботизированной системы «ОнкоРОБОТ» для брахитерапии рака предстательной железы (РПЖ) [1, 2].
Преимущества использования роботов по сравнению с традиционными методами заключаются в том, что роботизированный манипулятор способен обеспечить практически любую требуемую точность наведения инструмента и его контролируемого силового воздействия, что позволяет рассчитывать не только на повышение качества освоенных в настоящее время операций, но и на создание базиса для разработки принципиально новых хирургических технологий. Другим важным преимуществом является отсутствие прямого контакта врача с радиоактивными источниками, что позволит обезопасить медицинский персонал от сопутствующего радиационного облучения.
Из-за своих геометрических особенностей и прилагаемых нагрузок в процессе выполнения операции игла деформируется, что приводит к ее отклонению от прямолинейного движения.
Таким образом, основной целью работы является необходимость разработать модель, которая позволяет прогнозировать и корректировать движение иглы в тканях человека. На дальнейших этапах данную модель можно будет интегрировать или создать на ее основе такой программный продукт, который позволит при работе роботизированной системы прогнозировать движение иглы при проведении медицинских операций.
Совместив данный продукт с другими системами, можно будет прогнозировать более оптимальные точки для прокола при проведении операции, корректировать движение иглы для повышения точности. Отладив настоящую модель и дополнив ее моделью вязкоупругих тканей, можно будет моделировать процесс проведения операции в различных целях, к примеру, для обучения работников медицинской сферы.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: выбрать подход для моделирования движения медицинской инъекционной иглы, определить метод описания воздействия внешней среды на иглу при ее движении в тканях человека, разработать алгоритм (модель) для расчета отклонения иглы при движении, на основании предложенных выражений реализовать программу для расчета отклонения иглы от прямолинейного движения, сравнить результаты моделирования с результатами экспериментов.
В данной работе объектом исследования является процесс внедрения медицинской инъекционной иглы в фантом мягких тканей человека. Предметом исследования является процесс отклонения медицинской инъекционной иглы от прямолинейного движения при внедрении в ткани человека.
Будет разработана физико-математическая модель для описания отклонения иглы при прямолинейном движении в тканях человека.
Предложен новый способ моделирования воздействия окружающей среды на медицинскую инъекционную иглу в процессе ее движения в мягких тканях. На основе предложенного подхода разработана модель которая реализована в виде программы и Simulink модели в MATLAB.
Данная модель отличается тем, что может быть использована для итерационных расчётов в реальном времени, так же имеет высокую точность при достаточном количестве рассчитанных коэффициентов для различных скоростей внедрения иглы в мягкие ткани.
Модель может быть использована для прогнозирования движения иглы в мягких тканях. С помощью данной системы возможно проведение предварительных виртуальных операций, ее можно использовать в системе управления позиционирования кончика иглы в мягких тканях. Также предложенная модель может быть использована в системах с прогнозирующим управлением «Model predictive controls» (MPC).
Модель, разработанная в рамках данной работы, была частично представлена на следующих конференциях: «Современные проблемы математики и ее приложения в естественных науках и информационных технологиях» (Харьков, 2018), IV Международная конференция «Комплексная безопасность и физическая защита» (Санкт-Петербург, 2018), «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж 2018), XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ», (Новосибирск, 2018), «СПИСОК-2019 Всероссийская научная конференция по проблемам информатики» (Санкт-Петербург, 2019), «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж 2019), IX Поляховские чтения (Санкт-Петербург, 2021).
Результаты работы были частично опубликованы в журнале «Российский журнал биомеханики» в 2018 году, так же переданы материалы для публикации статьи в журнале «Российский журнал биомеханики» по теме «Трехмерная модель, описывающая отклонения асимметричной иглы при движении в мягких тканях», и в журнале Journal of Physics: Conference Series по теме «3D model of deflection of an asymmetrical needle during motion in soft tissues».
По теме исследования опубликовано 7 работ в том числе 1 из них в научном журнале, проиндексированном в базе Scopus, 2 работы в процессе публикации также в журналах, реферируемых Scopus.
В данной работе был произведён анализ существующих методов описания отклонения иглы при ее движении в тканях человека.
Проведена декомпозиция процесса разработки полной модели, описывающей отклонение иглы при ее взаимодействии с данной средой, определены этапы разработки модели.
Описан ход разработки двухмерной и трехмерной моделей, описывающих отклонение от прямолинейного движения медицинской инъекционной иглы в тканях человека. Показан способ расчета коэффициентов сопротивления лобового сопротивления C для моделирования при различных параметрах систем. Способ позволил минимизировать различие между результатами моделирования и экспериментальными данными. Это отчетливо видно, если сравнить результаты расчета отклонения иглы в настоящей работе и в работе [3], где коэффициент сопротивления являлся постоянной величиной. Погрешность моделирования при использовании предложенных коэффициентов составляет не более 0,3 мм.
Как видно из приведенных таблиц и графиков, вращение иглы с различными скоростями позволяет существенно уменьшить отклонение иглы от прямолинейного движения. При этом показано, что при угловой скорости 4 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм ее отклонение лежит в диапазоне от 0,15 мм до 0,49 мм. Такое отклонение является оптимально минимизированным при данных условиях.
Разработана система для быстрого и автоматизированного расчета коэффициентов. Также была сделана программная среда, позволяющая упростить и оптимизировать разработку модели и ее валидацию, а также применение данной модели на других этапах исследований и разработки робототехнической системы.
Проведена декомпозиция процесса разработки полной модели, описывающей отклонение иглы при ее взаимодействии с данной средой, определены этапы разработки модели.
Описан ход разработки двухмерной и трехмерной моделей, описывающих отклонение от прямолинейного движения медицинской инъекционной иглы в тканях человека. Показан способ расчета коэффициентов сопротивления лобового сопротивления C для моделирования при различных параметрах систем. Способ позволил минимизировать различие между результатами моделирования и экспериментальными данными. Это отчетливо видно, если сравнить результаты расчета отклонения иглы в настоящей работе и в работе [3], где коэффициент сопротивления являлся постоянной величиной. Погрешность моделирования при использовании предложенных коэффициентов составляет не более 0,3 мм.
Как видно из приведенных таблиц и графиков, вращение иглы с различными скоростями позволяет существенно уменьшить отклонение иглы от прямолинейного движения. При этом показано, что при угловой скорости 4 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм ее отклонение лежит в диапазоне от 0,15 мм до 0,49 мм. Такое отклонение является оптимально минимизированным при данных условиях.
Разработана система для быстрого и автоматизированного расчета коэффициентов. Также была сделана программная среда, позволяющая упростить и оптимизировать разработку модели и ее валидацию, а также применение данной модели на других этапах исследований и разработки робототехнической системы.
