Исследование свойств кожного покрова методом компьютерного моделирования Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОЖНОГО ПОКРОВА МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Яцун Светлана Михайловна

зав. кафедрой медико-биологических дисциплин, д-р мед. наук, профессор

Курского государственного университета, г. Курск

E-mail: [email protected]

INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF THE SKIN BY MEANS OF

COMPUTER SIMULATION

Yatsun Svetlana

Head of the department of biomedical sciences, MD., Professor of Kursk State

University, Kursk

АННОТАЦИЯ

Методами компьютерного моделирования проведено исследование свойств кожного покрова путем построения обобщенной математической модели динамики взаимодействия вибрационного устройства и исследуемого объекта с позиций механики сплошных сред. Разработано устройство для проведения экспериментальных исследований. С помощью данного прибора проведены экспериментальные исследования и проанализированы полученные результаты, подтверждающие адекватность математических моделей и устанавливающей зависимость сдвига фаз от частоты возмущающего воздействия.

ABSTRACT

By computer simulation study the properties of the skin by building a generalized mathematical model of the dynamics of interaction between the device and the vibration of the object from the standpoint of continuum mechanics. A device for experimental studies. With the help of this device experimental studies and analyzed the results, confirming the adequacy of mathematical models and establish the dependence of phase shift of the frequency of the disturbance.

Ключевые слова: кожный покров, экспериментальный комплекс, упругодиссипативные свойства, математическая модель, компьютерное моделирование

Keywords: skin, experimental facility, elastic-dissipative properties,

mathematical model, computer simulation

Для постановки диагноза и оптимизации путей терапии необходима достоверная и объективная информация о состоянии пациента. В дерматологической практике важным диагностическим критерием являются физико-механические параметры кожного покрова.

Однако, анализ используемых в медицинской практике методик и приборов различного типа показал, что точность измерений, как правило, недостаточна высока. Это связано с тем, что недостаточно изучен вопрос о взаимодействии прибора с кожным покровом, кроме того, объект исследования

— кожа, состоит их нескольких слоев (наружного — эпидермиса, основного или собственно дермы и подкожной жировой клетчатки), обладающих своими особенными характеристиками, что, в целом, определяет гетерогенность ее свойств. Все это затрудняет интерпретацию результатов при исследовании свойств кожного покрова [2].

Особый интерес представляют устройства, измерительный элемент которых перемещается с кожным покровом, что открывает принципиально новые возможности, в плане повышения точности измерений.

Для определения упруго-диссипативных свойств кожи предложено устройство вибрационного типа, основанное на анализе поведения динамического, движущегося вместе с кожным покровом, контактного элемента (индентора).

На основе анализа различных схем приборов, было выявлено, что наиболее эффективным, с точки зрения простоты конструкций, при одновременно высокой точности измерения, является устройство, реализующее свободные колебания индентора на консольном упругом элементе [1].

Для изучения характера взаимодействия кожного покрова и индентора прибора была разработана методика компьютерного моделирования, базирующаяся на методе конечных элементов и позволяющая исследовать не

только свойства кожного покрова, но и определять динамические характеристики поведения индентора.

Для проведения исследования разработана методика проведения экспериментов. Одной из задач которой является подтверждение адекватности математического моделирования процесса взаимодействия индентора и кожного покрова, а также анализ эффективности работы прибора на различных режимах.

Особое внимание уделено цифровой системе управления, при этом пользовательский интерфейс позволяет максимально удобно использовать прибор в клинической практике. Данные выводятся как на ЖКИ-панель, так и через USB-порт на компьютер оператора.

В исследованиях использовались: экспериментальный комплекс, общий вид которого показан на рисунке 1 с установкой для исследования алгоритма идентификации при помощи вынужденных колебаний.

Устройство состоит из основания, индентора, датчиков ускорения, электродинамического вибровозбудителя, подвеса датчика, ЭВМ с интегрированным АЦП и ЦАП, усилителя мощности.

Рисунок 1. Общий вид экспериментального комплекса

ЭВМ использует разработанную программу, предназначенную для управления электродинамическим вибровозбудителем и одновременно синхронного считывания данных датчиков ускорения.

Рисунок 2. Общий вид экспериментальной установки для исследования алгоритма идентификации при помощи вынужденных колебаний

Целью экспериментальных исследований являлось определение упрого-вязких параметров исследуемого материала. Устройство работает следующим образом. Включается ЭВМ и усилитель мощности. Запускается программное обеспечение. На тестируемый участок устанавливается сенсорное устройство. На ЭВМ задается частота и амплитуда колебаний. Электродинамический вибровозбудитель совершает колебания с заданными параметрами. Датчик ускорений позволяет получать сигнал и оценивать правильность работы ЭВМ, ЦАП, усилителя.

В результате этого по тестируемой поверхности распространяется волновое возмущение. Датчик, закрепленный на упругом подвесе, подпружинен к тестируемой поверхности, что позволяет определять ускорение точек поверхности колеблющихся вместе с датчиком. Полученный сигнал с датчиков оцифровывается при помощи АЦП и, по необходимости, данные записываются на ЭВМ.

Одновременно используя быстрое преобразование Фурье, сигнал считывающего датчика ускорения представляется в частотной области, что

позволяет проверять частоту возбуждения и определять величину пика несущей частоты (Рис. 3).

о

С-

S -0.5-

-1.0-

-1.5-

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000

Время (і*

Рисунок 3. Сигнал считывающего датчика ускорения

Методами компьютерного моделирования проведено исследование свойств кожного покрова путем построения обобщенной математической модели динамики взаимодействия вибрационного устройства и исследуемого объекта с позиций механики сплошных сред. Сформулирован общий алгоритм экспериментальных исследований. Разработано устройство для проведения экспериментальных исследований, которое состоит из основания, индентора, датчиков ускорения, электродинамического вибровозбудителя, подвеса датчика, ЭВМ с интегрированным АЦП и ЦАП, усилителя мощности. С помощью данного прибора проведены экспериментальные исследования и проанализированы полученные результаты, подтверждающие адекватность математических моделей и устанавливающей зависимость сдвига фаз от частоты возмущающего воздействия.

Список литературы:

1. Яцун С.М., Шеполухин В.А., Мятенко Н.И. Анализ методов измерения механических свойств кожи // Вибрационные машины и технологии: Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции.

— Курск: КурскГТУ, 2001. — С. 225—231.

2. Arruda E.M., Boyce M.C. A three-dimensional model for the large sretch

behavior of rubber elastic materials J. Mech. Phys. Solids, 1993, 41(2), pp. 389—412.