АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Яцун Андрей Сергеевич

Аспирант, Юго-Западный государственный университет, г. Курск

E-mail:

Лунева Наталья Васильевна

канд. мед. наук, доцент, Курский государственный университет, г. Курск

Работа выполнена в рамках ГК №14.740.11.0249 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Аннотация. В медицинских исследованиях крайне актуальной является проблема получения объективной информации о состоянии биологических структур. Широкое распространение получили вибрационные методы идентификации параметров. Особенно эффективно применение вибрационного оборудования в биомехатронике для разработки нового класса медицинских приборов с тактильным очувствлением, что существенно повышает точность измерений.

Предлагаемое диагностическое оборудование, основанное на свободных колебаниях, обладает более высокой точностью и быстродействием, что позволяет применять его для мониторинга состояния кожного покрова на разных участках практически в непрерывном режиме.

Целью данной работы является разработка конструкции автоматизированного вибродиагностического комплекса на основе принципа вынужденных колебаний рабочего органа.

Метод или методология проведения работы: в работе использован метод оптимального синтеза параметров прибора и методы математического моделирования.

Результаты: Разработан аппаратно-программный вибродиагностический комплекс для неинвазивной диагностики состояния кожного покрова на основе принципа вынужденных колебаний рабочего органа - индентора.

Область применения результатов: медицина (дерматология и косметология).

Ключевые слова: кожный покров, математическое моделирование, аппаратно-программный комплекс, вибровозбуди́тель, индентор.

В настоящее время широкое распространение получили вибрационные методы идентификации параметров различных материалов. Применяемая при этом вибрационная техника чрезвычайно разнообразна: от ручного вибрационного инструмента до сложных виброиспытательных комплексов.

Особенно эффективно применение вибрационного оборудования в биомехатронике для разработки нового класса медицинских приборов с тактильным очувствлением, что существенно повышает точность измерений [1].

Разрабатываемый аппаратно-программный комплекс характеризуется тем, что для получения информации о физико-механических свойствах кожного покрова применяется генератор вынужденных колебаний. Общий вид устройства представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид устройства без крышки

На рисунке 2 представлен вид сбоку устройства без корпуса. На этом рисунке представлено расположение активного элемента (индентора) - 1, генератора колебаний, состоящего из управляемого электродвигателя - 3, на валу которого установлена дебалансная масса - 2. Двигатель питается от батареек, установленных в отсеке - 5. Управление осуществляется с помощью блока управления - 4.

Рисунок 2. Устройство для неинвазивной диагностики состояния кожного покрова (вид сбоку без корпуса)

1- индентор; 2- дебаланс; 3- электропривод; 4 - система управления; 5- батарейный отсек

Устройство работает следующим образом: оператор нажимает на кнопку управления, электромотор приводит дебалансную массу во вращательное движение. В результате чего индентор совершает направленные колебания с заданной частотой и амплитудой. Прикосновение индентора к кожному покрову приводит к тому, что совместно с индентором колеблется присоединенный фрагмент кожного покрова, поэтому информация о колебаниях индентора используется для определения физико-механических свойств кожного покрова. Прибор позволяет в автоматическом режиме изменять частоту колебаний индентора с заданным шагом, при этом измеряется амплитуда колебаний индентора с присоединенной массой кожного покрова. Таким образом, строится амплитудно-частотная характеристика. Колебания индентора практически полностью повторяют колебания кожного покрова, что дает возможность  по резонансному пику для различных параметров упругости и вязкости определить состояние кожи.

В нашем исследовании, на основе разработанной математической модели, исследуется динамика аппаратно-программного комплекса, оснащенного регулируемым дебалансным электроприводом, рабочий орган (индентор) которой  взаимодействует с кожным покровом, моделируемой упруго-вязко-пластической моделью.

Исследуемый в настоящей работе прибор относится к классу вибрационных инструментов, которым соответствует принципиальная схема, изображенная на рисунке 3. Инструмент представляет собой несущий корпус-1, упруго-вязким образом связанный с неподвижным основанием-2. В полости корпуса расположен дебалансный вибровозбудитель-3 с приводом от электродвигателя ограниченной мощности. Корпус жестко соединен с рабочим органом (индентором)-5, который, в свою очередь, воздействует на кожный покров-6. Направление движения инструмента и обработки обеспечивается идеальными (без трения) направляющими-4.

Рисунок 3. Принципиальная схема вибрационного инструмента

Разработанный алгоритм численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений позволил проанализировать как нестационарное, так и стационарное движение рабочего органа с учетом свойств электропривода и модели кожного покрова.

Установлено, что при малых коэффициентах вязкости и относительно небольшой массе дебаланса изменение свойств кожного покрова проявляется в немонотонном характере изменения средней мощности от средней скорости вращения в виде резонансного пика, а при значительных массах дебаланса происходит сглаживание резонансного пика.

Предлагаемый способ диагностики отличается от рассмотренных ранее способов, основанных на свободных колебаниях, более высокой точностью и быстродействием, что позволяет применять прибор для мониторинга кожного покрова практически в непрерывном режиме изменения исследуемых на разных участках.

Список литературы

1.                     Блехман И. И., Фрадков А. Л. Управление мехатронными вибрационными установками. Спб: Наука, 2001. – 278 с.