УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для исследования механических свойств материалов и преимущественно может быть использовано в медицине, в частности в практике и технике эндоскопии органов человека.
Известно устройство для измерения твердости мышц, которое может быть использовано в медицине (JP 2010107318 [1]). Устройство содержит индентор, который вводится в контакт с мышцей человека с помощью соответствующего привода. В процессе измерения фиксируются расстояние, на которое перемещается вдавливаемый в мышцу индентор и усилие его вдавливания. Вычислительное устройство на основании обработки данных измерения определяет твердость мышц. Недостатком устройства является ограниченность применения, поскольку оно позволяет определять ограниченное число механических свойств, а, кроме того, оно не применимо в практике и технике эндоскопии органов человека.
Известно устройство для исследования плотности ткани при эндоскопическом исследовании, которое содержит эндоскоп с датчиками плотности ткани, подключенными к компьютерной системе. Датчиками плотности ткани являются датчики давления, выполненные в виде упругих камер, заполненных воспринимающей давление средой, например, физиологическим раствором, установленных на торце эндоскопа, а компьютерная система выполнена с возможностью раздельной фиксации каждым датчиком давления плотности подлежащего участка ткани и регистрации сопротивления давлению в динамическом режиме (RU 2286080 [2]). Недостатком устройства является ограниченность применения, поскольку оно позволяет определять ограниченное число механических свойств, в частности только плотность ткани и не позволяет определять такую важную характеристику как, например, модуль упругости.
Известно устройство тактильного дисплея для исследования плотности ткани, которое содержит эндоскоп с датчиками плотности ткани, причем датчиками плотности ткани являются датчики давления, выполненные в виде упругих камер, заполненных воспринимающей давление средой, например, физиологическим раствором. В устройство дополнительно введены модули тактильного дисплея, содержащие камеры теплового актюатора, приводящие в движение элементы отображения тактильной информации, датчики давления актюатора, нагревательные элементы, охладители и соединительные трубки. Кроме того, в устройство дополнительно введены измерительные усилители, блоки сравнения с опорным напряжением, блоки сравнения с обратной связью, сумматор общего давления, блоки выделения отрицательного значения, выпрямители, усилители, блоки выделения положительного значения, блоки управления охладителем, измерительные усилители датчиков давления теплового актюатора, источник опорного напряжения, элементы индикации равномерности прижатия датчиков давления эндоскопа, элемент индикации значения общего давления (RU 2488343 [3]). Недостатком устройства является ограниченность применения, поскольку оно позволяет определять ограниченное число механических свойств, в частности только плотность ткани и не позволяет определять такую важную характеристику как, например, модуль упругости.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является датчик для тактильного считывания при проведении методом инвазивной хирургии, известный из US 2011071436 [4]. Устройство содержит тактильный датчик в виде полого цилиндра с наконечником, средства измерения перемещения наконечника и соединенный с полостью цилиндра регулируемый источник сжатого воздуха или жидкости со средствами измерения их давления.
Недостатком устройства является ограниченность применения, поскольку оно позволяет определять ограниченное число механических свойств, например, позволяет получить карту распределения жесткости, но не позволяет количественно определить модуль упругости, а также не позволяет наблюдать исследуемый участок образца или ткани.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для определения механических характеристик мягких материалов направлено на расширение функциональных возможностей - определение нескольких механических свойств и обеспечение возможности наблюдения точки исследуемого материала, контактируемой с наконечником.
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения механических характеристик мягких материалов содержит тактильный датчик в виде полого цилиндра с наконечником, средства измерения перемещения наконечника и соединенный с полостью цилиндра регулируемый источник сжатого воздуха или жидкости со средствами измерения их давления, при этом наконечник выполнен в виде соединенной со стенками цилиндра прозрачной деформируемой оболочки и устройство снабжено средством измерения размера пятна контакта деформируемой оболочки с исследуемым материалом.
Указанный результат достигается также тем, что деформируемая оболочка выполнена из биологически приемлемого материала, в частности силикона.
Указанный результат достигается также тем, что средство измерения перемещения наконечника выполнено в виде оптического бесконтактного датчика перемещения.
Указанный результат достигается также тем, что оптический бесконтактный датчик перемещения выполнен в виде излучателя и приемника луча, размещенных в одном корпусе, причем излучатель содержит источник света и систему управления светом.
Указанный результат достигается также тем, что излучатель выполнен в виде лазера или источника инфракрасного излучения.
Указанный результат достигается также тем, что средство измерения размера пятна контакта деформируемой мембраны с исследуемым материалом выполнено в виде видеокамеры, встроенной в корпус полого цилиндра.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- выполнение наконечника в виде соединенной со стенками цилиндра прозрачной деформируемой оболочки;
- снабжение устройства средством измерения размера пятна контакта деформируемой мембраны с исследуемым материалом;
- выполнение оболочки из биологически совместимого материала, в частности из силикона;
- выполнение средства измерения перемещения наконечника в виде излучателя, содержащего источник инфракрасного света, отражательного элемента, закрепленного на внутренней поверхности деформируемой оболочки, и приемника отраженного луча, соединенного с блоком измерительной системы бесконтактного оптического датчика;
- выполнение средства измерения размера пятна контакта деформируемой оболочки с исследуемым материалом в виде миниатюрной видеокамеры, встроенной в полый цилиндр.
Предлагаемое устройство обеспечивает определение механических свойств человеческих органов и мягких тканей при проведении малоинвазивной хирургической операции. В медицине хорошо известно, что при заболевании мягкой ткани человека, например, появлении опухоли, происходит изменение ее механических свойств. Знание величины отклонения механических характеристик патологического участка от здоровых соседних участков мягкой ткани, а также от известных средних статистических механических параметров человеческих органов позволяет хирургу делать выводы о назначении лечения или удалении злокачественного участка или органа целиком. Наличие видеокамеры в тактильном датчике обеспечивает в процессе измерения механических характеристик возможность наблюдения участка исследуемого материала и помогает определять его состояние по внешним признакам.
Механические характеристики ткани, в частности: модуль упругости, карта жесткости ткани, деформация патологической ткани определяются в результате математического итерационного численного расчета, то есть - решением обратной контактной задачи о взаимодействии тонкой оболочки с деформируемым телом. Необходимыми и достаточными параметрами, используемыми в численном расчете, являются экспериментально измеряемые значения размера области контакта и деформация оболочки тактильного датчика. Наряду с получаемыми механическими характеристиками возможно определить размер измененного участка мягкой ткани, например, опухоли, и его местоположение. Регулировка внутреннего давления в корпусе устройства позволяет изменять конструкционную жесткость тактильного датчика, что дает возможность измерять механические свойства мягких материалов в большом диапазоне механических характеристик, в частности различных органов, отличающихся своими механическими свойствами.
Выполнение оболочки из биологически совместимого материала позволяет использовать устройство при проведении эндоскопических исследований и лароскопических операций на людях in vivo. Наиболее подходящим является силикон. Он обеспечивает достаточные для работы устройства прозрачность, прочность и эластичность.
Выполнение средства измерения в виде бесконтактного оптического датчика позволяет с высокой точностью определить величину перемещения наконечника, и, соответственно, в дальнейшем, на основании результатов измерения, определить параметры исследуемого материала.
Выполнение средства измерения размера пятна контакта деформируемой мембраны с исследуемым материалом в виде видеокамеры позволяет получать изображение участка контакта, увеличивать его для возможной детализации участка, автоматически получать геометрические характеристики контакта с высокой точностью, зависящей от разрешения видеокамеры.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема предпочтительного варианта реализации устройства.
Устройство для определения механических характеристик мягких материалов содержит тактильный датчик в виде полого цилиндра 1 с наконечником 2 в виде соединенной со стенками цилиндра прозрачной деформируемой оболочки, средства измерения перемещения наконечника и соединенный с полостью цилиндра регулируемый источник сжатого воздуха или жидкости 3 со средствами измерения их давления 4. Средство измерения перемещения наконечника выполнено в виде источника инфракрасного света 5, отражательного элемента 6, закрепленного на внутренней поверхности деформируемой оболочки 2 и приемника отраженного света 7, соединенного с блоком измерения 8, в качестве которого может использоваться компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Устройство снабжено средством измерения размера пятна контакта деформируемой мембраны с исследуемым материалом, которое выполнено в виде видеокамеры 9, соединенной с блоком измерения 8. Кроме того, устройство снабжено источником света 10, например, в виде светодиода для подсветки участка исследуемого материала 11.
Все входящие в состав устройства блоки, за исключением цилиндра с наконечником в виде соединенной со стенками цилиндра прозрачной деформируемой оболочки и отражательного элемента, закрепленного на внутренней поверхности деформируемой мембраны, выбраны из числа известных и производимых промышленностью серийно.
Устройство используется следующим образом. Тактильный датчик в виде полого цилиндра 1 вводится через сделанный в стенке брюшной полости человека троакар, имеющий стандартный диаметр 10 мм. Светодиод 10, встроенный внутрь полого цилиндра, освещает исследуемую ткань 11, а видеокамера 9 передает получаемое изображение на дисплей монитора измеряющего блока 8. Хирург, выбрав участок измерения, производит ее индентирование, при этом измерительный блок автоматически и одновременно фиксирует как деформацию оболочки 2 по сигналу, принятому приемником отраженного света 7 от отражательного элемента 6, так и видеокамерой 9 фотографирует размер области контакта оболочки 2 с мягкой тканью 11. Если оболочка тактильного датчика деформируется слишком сильно, о чем свидетельствуют показания, полученные от приемника отраженного света 7, тогда давление в цилиндре 1 повышают, таким образом, меняя чувствительность устройства для измерения более жесткого участка мягкой ткани.
Измеренные значения размера области контакта и деформации оболочки передаются измерительному блоку 8, в котором, при помощи специально разработанной математической модели, происходит расчет всех механических характеристик индентируемого участка мягкой ткани, определяются размеры и положение включения, например, опухоли.