Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом




Скачать 237.66 Kb.
НазваниеАдаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом
страница1/3
Дата29.11.2012
Размер237.66 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3


На правах рукописи


Войнов Вячеслав Вячеславович


АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ВНУТРИСОСУДИСТЫМ МЕДИЦИНСКИМ МИКРОРОБОТОМ


Специальности: 05.02.05 – Роботы, мехатроника и

робототехнические системы

05.11.17 – Приборы, системы и изделия

медицинского назначения


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва - 2009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана


Научный руководитель: Доктор технических наук,

профессор Ющенко А.С.


Научный консультант: Доктор технических наук,

профессор Саврасов Г.В.


Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор Манько С.В.


Кандидат технических наук,

доктор биологических наук, профессор Иткин Г.П.


Ведущая организация: ФГУ Всероссийский научно-исследовательский

и испытательный институт медицинской техники

Росздравнадзора


Защита состоится «16» июня 2009 года в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.141.02 при Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу:

105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул. д. 5.

Ваш отзыв на реферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью организации, просим высылать по адресу:

105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, ученому секретарю совета Д 212.141.02, ауд. 613М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.
Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан «___» мая 2009 года.


Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент ___________ Иванов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В последние годы в мире наблюдается стремительный рост числа разработок, направленных на совершенствование существующих средств диагностики и лечения трубчатых органов человека (кровеносные сосуды, сегменты желудочно-кишечного тракта). Особенно актуальной на сегодняшний день является задача диагностики и хирургии кровеносных сосудов. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание медицинских микророботов, способных перемещаться внутри трубчатых органов, используя для этого принцип перемещения дождевого червя, путем последовательных сокращений своих сегментов (принцип перистальтики).

Такой принцип перемещения роботов использовался в ряде зарубежных работ, в том числе в работах P. Dario, M.C. Carrozza, A. Rovetta и др., а так же при создании внутрисосудистого медицинского микроробота в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Г.В. Саврасов, О.С. Нарайкин, С.С. Гаврюшин, А.С Ющенко и др., пат. 2218191 РФ).

Результаты анализа существующих аналогичных разработок позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методы управления микроробототехническими устройствами, предназначенными для выполнения тех или иных операций в трубчатых органах человека. Вместе с тем, управление такими устройствами обладает существенными особенностями. Необходимо обеспечить адаптивность процесса управления к индивидуальным особенностям биологической среды и безопасность использования робототехнического устройства внутри человеческого организма. Поскольку непосредственное управление движением робота со стороны хирурга в условиях дефицита информации является достаточно сложной задачей, то для поддержки его работы целесообразно использовать современные методы искусственного интеллекта. В том числе методы теории конечных автоматов, нечеткой логики и ситуационного управления, разработанные в трудах Л.Заде, Д.А. Поспелова, Л.С. Бернштейна, А.Н. Мелихова, В.Б. Тарасова, А.А. Жданова. Методы искусственного интеллекта нашли применение при решении задач управления роботами в разработках И.М. Макарова, В.М. Лохина, С.В. Манько, Е.И. Юревича, В.Г. Градецкого, В.Е. Павловского, Ю.В. Подураева, А.С. Ющенко. Особенности устройства и применения микророботов перистальтического типа в медицине позволяют считать целесообразным применение указанных подходов при создании их систем управления.

В связи с этим возникла задача разработки методов управления микророботами медицинского назначения перистальтического типа. Разрабатываемые методы управления могут найти применение и при создании внутритрубных микро- и минироботов, применяемых для технической диагностики трубопроводов малого диаметра.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципов и алгоритмов адаптивного управления внутрисосудистым медицинским микророботом (ВМР) перистальтического типа.

Для достижения заданной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих медицинских роботов перистальтического типа, предназначенных для перемещения в трубчатых органах, с точки зрения возможности их использования для диагностики и хирургии кровеносных сосудов;

- определить требования к разрабатываемой системе управления ВМР;

- разработать архитектуру системы управления ВМР, принципы и алгоритмы управления его перемещением с учетом особенностей биологической среды;

- провести экспериментальные исследования разработанной системы управления ВМР методами математического моделирования;

- реализовать прототип системы управления ВМР, позволяющий проверить справедливость основных теоретических положений диссертации.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории автоматического управления, нечетких множеств, конечных автоматов и ситуационного управления. Разработка программных средств велась с использованием технологии объектно-ориентированного программирования на языке C++.

Математическое моделирование проводилось в среде MATLAB и с использованием программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS.

Научная новизна работы. В диссертации разработана многоуровневая система адаптивного управления ВМР, использующим перистальтический принцип перемещения и функционирующим в условиях недетерминированной биологической среды.

Предложен принцип адаптивного управления процессом силового взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом, использующий механизм нечеткого логического вывода.

Разработана логическая модель перемещения ВМР с использованием теории конечных автоматов.

Предложена методика ситуационного управления ориентацией ВМР при перемещении в сосуде, позволяющая распознавать текущую ситуацию и автоматически формировать управляющее воздействие при возникновении препятствий.

Практическая ценность. Разработанная система управления и соответствующее программное обеспечение ВМР могут быть использованы для управления как медицинскими микророботами перистальтического типа, так и при решении задач технической диагностики трубопроводов малого диаметра.

Практическая ценность разработки состоит в существенном облегчении труда хирурга и в повышении безопасности операции для пациента.

Разработанный прототип системы управления ВМР может быть использован для обучения персонала работе с микроробототехнической системой.

Реализация результатов работы. Проведенная работа является частью фундаментальных исследований в области применения теории нечетких множеств, нечеткой логики и ситуационного управления для управления робототехническими системами, которые проводились на кафедре «Робототехнические системы», а также исследований в области медицинской робототехники на факультетах «Биомедицинская техника» и «Радиоэлектроника и лазерная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана в течение последних лет.

Результаты диссертационной работы были использованы в МГТУ им. Н.Э. Баумана при разработке системы управления микроробота для внутрисосудистой диагностики и хирургии, проводимой в рамках НИР по теме «Исследование и разработка внутрисосудистого медицинского микроробота для диагностики и хирургии» (ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направления развития науки и техники" на 2002-2006 годы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы») и Государственного контракта от «09» августа 2007 г. № 02.523.12.3009 (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 16-й и 18-й научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» в Государственном Научном Центре ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург, Россия) в 2005 г. и 2007 г., на международном симпозиуме по микро- и нано технологиям и системам (г. Москва, Россия) в 2007 г. и на Конференции по результатам выполнения мероприятий федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы" в 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе в двух публикациях в журналах «Мехатроника, автоматизация, управление» и «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника», входящих в перечень ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 190 печатных страниц, включая рисунки, список литературы и приложения. Библиография содержит 51 наименование, из них 8 иностранных источников.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена область исследования, обозначены основные проблемы в данной области, сформулированы задачи работы. Показано практическое значение и раскрыта научная новизна работы, а также описана ее структура.

В первой главе проведен анализ существующих микроробототехнических устройств для диагностики и лечения трубчатых органов человека. Проведенный анализ позволил определить особенности и принципы построения медицинских микророботов для внутрисосудистой диагностики и хирургии. Показано, что наиболее естественным для использования в трубчатых органах человека является перистальтический принцип перемещения. Сравнение различных типов движителей показало, что наиболее приемлемым вариантом для перемещения внутри кровеносных сосудов является использование движителей гидравлического типа. В результате проведенного анализа было обосновано применение для внутрисосудистой диагностики и хирургии ВМР, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана с участием автора диссертации. Схема ВМР приведена на рис. 1. Движитель робота включает в себя три последовательно соединенных одинаковых по конструкции звена. Каждое звено движителя состоит из упругой сильфонной оболочки и четырех упругих пластинчатых контактных элементов (КЭ), которые крепятся к ее торцам. При сжатии сильфонной оболочки в продольном направлении за счет создания разряжения в сильфоне происходит совместный прогиб всех четырех упругих элементов, прикрепленных к одному модулю, что обеспечивает его фиксацию в канале. Диаметр сильфона значительно меньше диаметра сосуда, поэтому свободный ток крови обеспечивается в любой фазе работы устройства.



Рис. 1. Внутрисосудистый микроробот (ВМР)

На торцевых участках ВМР предполагается установка датчиков давления крови и датчиков визуальной информации. На контактных элементах возможна установка микродатчиков сил тензометрического типа.

Описан перистальтический принцип перемещения движителя, заключающийся в образовании вдоль тела бегущей продольно-поперечной волны деформации.

В работе предложена универсальная обобщенная кинематическая схема, позволяющая описать принцип работы любого движителя перистальтического типа, независимо от особенностей его конструкции.

Проведен анализ свойств рабочей среды, определяющих конструктивные особенности движителя и принципы управления его перемещением в кровеносных сосудах.

Центральным разделом этой главы является исследование процесса взаимодействия ВМР с кровеносным сосудом. Методами математического моделирования с использованием пакета конечно-элементного анализа ANSYS исследовались процессы взаимодействия контактных элементов движителя и сосудистой стенки, а также взаимодействия движителя с потоком крови. Результаты моделирования представлены в виде распределения напряжений по толщине сосудистой стенки, возникающих под действием контактных элементов, а также векторов направленности тока крови в сосуде. Были определены контактные силы, необходимые для удержания робота в потоке крови и не приводящие к повреждению сосудистой стенки. Проведенный анализ позволил сформулировать требования к системе управления движителем ВМР, обеспечивающие условия его безопасного использования в кровеносных сосудах человека.

Условия внешней среды, в которой функционирует микроробот, не могут быть полностью определены заранее – в процессе движения робота может изменяться внутренний рельеф сосуда, механические характеристики его стенок, диаметр, могут возникать повороты и т.п. Система управления ВМР должна обеспечить автономное движение робота внутри сосуда под контролем оператора с возможностью автономной адаптации к изменениям параметров внешней среды. В условиях неопределенности система управления должна обеспечивать поддержку принятия решений оператором.

С учетом сформулированных требований к системе управления ВМР предложена многоуровневая структура этой системы (рис. 2), в которой можно выделить следующие уровни:

- исполнительный уровень, обеспечивающий управление элементами исполнительной подсистемы и движителя;

- логический уровень управления движителем ВМР;

- ситуационный уровень, обеспечивающий поддержку решения оператора об управлении, соответствующем текущей ситуации.

Во второй главе рассмотрена задача адаптивного регулирования усилий, прикладываемых к стенкам сосуда со стороны КЭ, которая решается на исполнительном уровне системы управления.

Рис. 2. Структурная схема системы управления

С учетом особенностей функционирования сердечно – сосудистой системы человека выделены следующие основные этапы процесса управления ВМР на исполнительном уровне:

1) определение максимального (систолического) давления крови, действующего на микроробот в текущий момент времени с использованием микродатчика давления, установленного на движителе;

2) расчет требуемого усилия фиксации и сравнение полученного значения с максимально допустимым;

3) формирование требуемого усилия, либо остановка перемещения с информированием оператора.

Наиболее ответственной и сложной задачей является управление процессом прижатия КЭ к сосудистой стенке. Предлагается осуществлять прижатие с регулируемой переменной скоростью. Это позволяет сократить время, затрачиваемое на фиксацию звена в сосуде, а также минимизировать возможность травмирования стенки сосуда.

На рис. 3 представлен график изменения скорости прижатия контактного элемента к стенке сосуда во времени. Период t0-t1 соответствует приближению контактного элемента к стенке сосуда, а интервал t1-t2 отображает процесс прижатия КЭ с плавным уменьшением скорости прижатия в зависимости от величины силы прижатия. В период t2-t3 КЭ находится в фиксированном положении, а интервал t3-t4 соответствует его отжатию от стенки сосуда.

О
Рис. 3. График изменения скорости прижатия-отжатия контактного элемента
тметим, что информация о силе прижатия КЭ может быть получена лишь весьма приблизительно. При этом требуемая зависимость скорости прижатия от возникающих сил также может быть определена лишь качественно. Поэтому для практической реализации адаптивного управления на

исполнительном уровне был выбран метод нечеткого логического вывода.

Принимается, что доступными измерениями являются силы Fij, действующие на стенки кровеносного сосуда в местах контакта, где i=1,2,3 – номер звена движителя, j = 1,2,3,4 – номер КЭ, на котором расположен датчик давления. Сила прижатия КЭ является наблюдаемой лингвистической переменной, принимающей нечеткие значения из множества А = («очень маленькая», «маленькая», «средняя», «большая», «очень большая»). Управляемой лингвистической переменной является скорость vFj прижатия КЭ к стенке сосуда, принимающая нечеткие значения из множества В = («очень высокая», «высокая», «средняя», «низкая», «очень низкая»). Нечеткие значения определяются функциями принадлежности. На рис. 4 приведены функции принадлежности управляемой переменой.



Рис. 4. Нечеткое разбиение управляемой переменной vFj

Ниже приведена база нечетких продукционных правил, связывающих входные и выходные лингвистические переменные:

R1: ЕСЛИ «сила Fij очень маленькая», ТО «скорость прижатия vFj очень высокая»;

R2: ЕСЛИ «сила Fij маленькая», ТО «скорость прижатия vFj высокая»;

R3: ЕСЛИ «сила Fij средняя», ТО «скорость прижатия vFj средняя»;

R4: ЕСЛИ «сила Fij большая», ТО «скорость прижатия vFj низкая»;

R5: ЕСЛИ «сила Fij очень большая», ТО «скорость прижатия vFj очень низкая».

Нечеткий логический вывод выходной переменной выполняется с помощью алгоритма Мамдани с последующей дефаззификацией выходной переменной методом определения центра тяжести.

Исследование предложенного способа управления проводилось с использованием программного пакета MATLAB Fuzzy Logic Toolbox. На рисунке 5(а) представлены результаты моделирования в виде зависимости скорости прижатия контактного элемента от силы, действующей в зоне контакта. Как видно из рисунка, использование предложенных правил обеспечивает постепенное уменьшение скорости прижатия КЭ в процессе фиксации микроробота в сосуде по мере увеличения силы прижатия. Последующая коррекция параметров функций принадлежности позволяет сделать данный процесс более плавным (рис. 5(б)).

а)

б)

Рис. 5. Зависимость изменения скорости прижатия КЭ vFj от силы Fij, действующей в зоне контакта

В ряде случаев конструкция движителя не позволяет разместить датчики сил на контактных элементах. В этой связи, в работе предлагается способ формирования силового воздействия со стороны КЭ, основанный на принципе косвенных измерений. Он состоит в том, что измерение давления в полости сильфона микроробота может осуществляться опосредовано через измерение давления на выходе гидропривода микроробота. Изменяя давление рабочей жидкости в полости сильфона, можно регулировать усилия, возникающие в зоне контакта с сосудом. Таким образом, можно обеспечить адаптивное управление без непосредственного измерения контактных сил.

Предложенная математическая модель взаимодействия микроробота и кровеносного сосуда позволяет связать величину прогиба контактного элемента с усилием прижатия, развиваемым в зоне контакта с сосудистой стенкой. Благодаря этому разработанная методика также может быть использована для опосредованной оценки геометрических характеристик сосуда, позволяющих судить о наличии сужения или расширения артерии по ходу движения микроробота.

  1   2   3

Похожие:

Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconЗадача оптимального управления в форме проблемы моментов для одиночного и двойного интеграторов дробного порядка
Адаптивная система автоматического управления силовой установкой беспилотного летательного аппарата
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconЭкзаменационные билеты по дисциплине Основы автоматики и систем
Сау), автоматизированные системы управления (асу), разомкнутая система управления, замкнутая система управления
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconАдаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского
Работа выполнена в лаборатории управляемого роста кристаллов Учреждения Российской академии наук Института физики твердого тела ран...
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconВопросы к экзамену по дисциплине «теория систем и системный анализ» для студентов группы 22418
Управление и его сущность. Система управления и управляемая система. Задачи управления
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconСовершенствование менеджмента промышленных предприятий на основе экономической полезности результатов их функционирования
Охватывает предприятие в целом, то система управления выступает в качестве одной из подсистем. Если же производственная система рассматривается...
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом icon«Путеводитель по тематическим электронным ресурсам Интернет»
«Адаптивная образовательная система»: Библиографическое пособие / Ред. Л. К. Кириловских; Сост. Л. К. Кириловских, Е. В. Минкаирова,...
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconАсу автоматизированная система управления Автоматизированная система управления
Автоматизированные системы управления производством: методы реализации, примеры реализации
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconУчебно-методический комплекс по дисциплине б в дв. 02 «Автоматизированая система управления строительством» для специальности 220400
Рабочая учебная программа дисциплины Автоматизированная система управления строительством
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом icon5 Наименование курсов Клиническая лабораторная диагностика
К работе в должности врача клинической лабораторной диагностики допускаются специалисты с высшим медицинским или фармацевтическим...
Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом iconР. Арзуманян Парадигма нелинейности в военной сфере
Ключевые слова: метафора нелинейности, парадигмальный сдвиг, Клаузевиц, нелинейность, непредсказуемость, двойственность войны, взаимодействия,...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница