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:  mbd155@mail.ru

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,  упруго-диссипативные  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).

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.