Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин

The paper shows the relevance of studying the mechanical properties of biological tissues and biocompatible materials for solving the problems of general and reconstructive surgery, transplantology, manual therapy, virtual simulation of surgical operations, robotic surgery, etc. The authors present...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2020
Hauptverfasser:	Dubko, Andrii, Osipov, Roman, Bondarenko, Yuliia, Bondarenko, Oleksandr
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020
Schlagworte:	апаратно-програмний комплекс біологічна тканина біосумісний матеріал вимірювання механічні властивості
Online Zugang:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.40
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл:

Institution

Technology and design in electronic equipment

_version_	1867750873000574976
author	Dubko, Andrii Osipov, Roman Bondarenko, Yuliia Bondarenko, Oleksandr
author_facet	Dubko, Andrii Osipov, Roman Bondarenko, Yuliia Bondarenko, Oleksandr
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Andrii Dubko", "institution": "E. O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine; Igor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Roman Osipov", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Yuliia Bondarenko", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Oleksandr Bondarenko", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort	Dubko, Andrii
baseUrl_str	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-11T12:21:21Z
description	The paper shows the relevance of studying the mechanical properties of biological tissues and biocompatible materials for solving the problems of general and reconstructive surgery, transplantology, manual therapy, virtual simulation of surgical operations, robotic surgery, etc. The authors present basic information about biological tissue as an object of research and give a brief overview of the devices used for studying the mechanical characteristics of biological tissues. An experimental system for testing deformations of biological tissues and biocompatible materials during compression is described. The system is developed using modern hardware and software, as well as effective technical solutions. The results of the practical use of the developed device are presented and the obtained dependences of the mechanical stress of biological tissue samples on their deformation under pressure are analyzed. The system has high metrological characteristics and low cost, and allows performing all the necessary functions for measuring, processing and visualizing the data. The measurements obtained with this system can help form the recommendations for doctors on choosing the optimal operation mode of medical devices and instruments in each specific case. In addition, the measured data can be used to create mathematical models of biological tissues and biocompatible materials in order to further carry out virtual experiments. In further studies, the authors plan to create the mathematical models of biological tissues based on the finite element method and using the actual values characterizing the tissue, obtained with the developed system.
doi_str_mv	10.15222/TKEA2020.5-6.40
first_indexed	2025-09-24T17:30:24Z
format	Article
fulltext	Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–640 ISSN 2309-9992 (Online) 1 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА УДК 620.17.05 К. т. н. А. Г. ДУБКО1, 2, Р. С. ОСІПОВ1, к. т. н. Ю. В. БОНДАРЕНКО1, к. т. н. О. Ф. БОНДАРЕНКО1 Україна, м. Київ, 1КПІ ім. Ігоря Сікорського; 2ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України E-mail: andreyies17@gmail.com, romanosipov1997@gmail.com, bondarenkoaf@gmail.com ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН Сучасна медицина розвивається надзвичайно швидкими темпами завдяки використанню передо- вих досягнень різних технічних галузей, як то елек- троніка, механіка, мехатроніка, хімія, матеріалознав- ство, робототехніка, програмування та ін. Наприклад, підготовка хірургічних операцій на внутрішніх орга- нах здійснюється також і за допомогою тривимірного комп’ютерного моделювання. Під час медичного на- вчання, зокрема, в області ендоскопічної, ендоваску- лярної та відкритої хірургії активно застосовуються комп'ютерні симуляційні тренажери [1, 2], а опера- ції з реконструктивної хірургії проводяться за допо- могою високоякісних ендопротезів та штучних біо- сумісних тканин і матеріалів [3, 4]. Останнім часом також успішно поширюється запровадження техно- логії електрозварювання для з’єднання живих тканин [5—7], однак досягти максимальної ефективності за- стосування сучасних приладів та технологій для цьо- го можна лише при досконалому знанні характери- стик біологічних тканин та біосумі сних матеріалів. Задля вибору оптимальних режимів викори стання спеціального обладнання виконуються експеримен- ти з дослідження механічних деформацій, які вини- кають в тканинах під дією хірургічного інструменту [8], проводяться тестування впливу на тканини меха- тронних маніпуляторів та зварювальних електродів для відкритої хірургії. Застосування невідповідних режимів роботи медичного обладнання може заподі- яти непоправну шкоду здоров’ю пацієнтів. Так, при- міром, неправильний розрахунок необхідного тиску електродів при з’єднанні зварюванням живих тканин може завадити формуванню надійних електрохірур- гічних швів, а недостатнє вивчення характери стик міцності та деформаційних властиво стей штучних тканин може призвести до помилкових висновків щодо їхньої придатності як імплантатів. Описано розроблений експериментальний апаратно-програмний комплекс для дослідження деформації біологічних тканин і біосумісних матеріалів при стисненні та представлено результати її практичного засто- сування. Проаналізовано отримані залежності механічного напруження зразків біологічних тканин від їхньої деформації під дією тиску. Наведено приклади використання практичних даних, вимірюваних розробленою установкою, та визначено подальші кроки для розвитку досліджень в даному напрямку. Ключові слова: апаратно-програмний комплекс, біологічна тканина, біосумісний матеріал, вимірювання, механічні властивості. Очевидно, що для успішного вирішення завдань загальної та відновлювальної хірургії, транспланто- логії, мануальної терапії, віртуального моделюван- ня хірургічних операцій, роботизації хірургії тощо [5—14] вкрай актуальними є дослідження меха- нічних характеристик м'яких біологічних тканин і біо сумісних матеріалів з метою коректного опису їхньої поведінки під дією медичного обладнання та інструментів. Представлену роботу присвячено аналізу відомих рішень та підходів, що використовуються для дослі- дження механічних властивостей біологічних і біосу- місних тканин, та направлено на розробку спеціаль- ного обладнання для вимірювання механічних дефор- мацій цих тканин, яке матиме високі метрологічні ха- рактеристики, низьку ціну та достатній функціонал. Біологічна тканина як об’єкт дослідження Біологічна тканина являє собою композиційний матеріал, який утворюється об'ємним поєднанням хімічно та механічно різнорідних компонентів. При цьому біологічні тканини вважаються гіперпружни- ми (еластомерами) [15, 16], а їхня поведінка під дією навантаження сильно відрізняється від поведінки ма- теріалів, використовуваних у техніці. Біологічні тка- нини можуть витримувати істотні деформації, напри- клад шкіра людини внаслідок розтягування може до- сягати 200% первинної довжини. На рис. 1 в загальному вигляді показано залеж- ність механічного напруження σ від відносної де- формації шкіри ε та механічну модель пружної де- формації шкіри. Як видно з графіку, наведена залеж- ність є нелінійною: спочатку суттєві деформації ви- кликають доволі незначне напруження, а потім від- носно невелике збільшення деформації призводить до стрімкого наростання напруження [17]. У тако- DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.40 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 41ISSN 2309-9992 (Online) 2 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА му випадку зв'язок між напруженням та деформаці- єю не може бути описаним з використанням закону Гука, він задається за допомогою потенціалу енергії деформацій [18]. Пружні властивості та міцність біологічних тка- нин визначаються в основному волокнами білків еластину і колагену, механічні характеристики яких суттєво відрізняються. Еластинові волокна входять до складу стінок су- дин, м’язів, покривних оболонок тощо і являють со- бою гумоподібний матеріал, який є гнучким і здатним розтягуватися. Еластин має порівняно високу роз- тяжність, тобто низький модуль пружності при роз- тягуванні уздовж волокна: (0,4—1,0)·106 Н/м2 [19]. Колагенові волокна є важливою конструктивною частиною з’єднувальної тканини та входять до скла- ду кісток, стінок судин, м’язових оболонок тощо. Колаген має на порядок вищий, ніж еластин, модуль пружності (0,5—1,0)·107 Н/м2, тобто характеризуєть- ся нижчою здатністю до розтягування [19, 20]. Межа міцності колагену становить 18—25 МПа. Маючи ви- сокий модуль пружності та міцність, ці волокна за- побігають розриву сухожиль, стінок кровоносних су- дин та інших тканин при великих механічних наван- таженнях, а в легенях забезпечують тканинну стабі- лізацію альвеол [19, 21]. Завдяки різним поєднанням еластинових та ко- лагенових волокон біологічні тканини набувають необхідних механічних властивостей. Так, напри- клад, для стінок кровоносних судин характерною є в’язкопружність, яка відіграє велику роль у крово- току. Стінки мають забезпечувати збереження опти- мального діаметра судини, який у разі зміни ти ску не повинен змінюватися більш ніж на 12%. Слід відзначити, що останніми роками успішно засто- совують протезування кровоносних судин за допо- могою спеціальних штучних матеріалів, що відтво- рюють їхні основні властивості включно з підтри- муванням оптимального діаметра просвіту судини, який є функцією модуля пружності та артеріально- го тиску [22]. Все це свідчить про важливість проведення дослі- джень з точного вимірювання основних механі чних параметрів тканин та пред’являє особливо високі вимоги до характеристик та функціональних мож- ливостей відповідних програмно-технічних засобів. Засоби для дослідження механічних характеристик біотканин Відомі системи промислового виробництва, які здійснюють всі види досліджень механічних харак- теристик [23]. Серед них можна виділити як універ- сальні системи, призначені для досліджень різних ма- теріалів у широкому діапазоні параметрів, так і спе- ціалізовані системи для випробування in-vitro біоло- гічних тканин, зокрема на стиснення, вигин та роз- тягнення (рис. 2, а). Такі системи зазвичай мають відмінні технічні характеристики, проте їхня висока вартість спонукає дослідницькі та навчальні лабора- торії до пошуку дешевших альтернатив, якими мо- жуть бути вузькоспеціалізовані одиничні установки власного виробництва, що здатні здійснювати обме- жений перелік необхідних досліджень у достатньо- му діапазоні параметрів (рис. 2, б) [24]. Розглянемо спеціалізовані системи для прове- дення випробувань біологічних тканин на стиснен- ня, які можуть бути задіяні як частина дослідниць- кого обладнання в лабораторії електрозварювання живих тканин. На рис. 3 показано спрощену структуру, яка є за- гальною для будь-якої системи дослідження меха- нічної деформації тканин під дією тиску. Структура містить електрод-індентор з актуатором, давач ти ску, систему керування та збору даних з підключенням до персонального комп’ютера та блок живлення. Електрод-індентор діє безпосередньо на дослі- джуваний зразок тканини, що розміщується на жор- сткій платформі. Він приводиться в дію актуатором електромеханічного, пневматичного, гідравлічного або іншого типу, який здійснює плавне переміщен- ня електрода-індентора вздовж вертикальної осі, при цьому величина кроку переміщення впливає на точ- ність вимірювань: чим меншим є крок переміщення, тим вищою може бути точність. Система керування та збору даних надсилає актуатору сигнали керуван- ня, які задають закон руху електрода-індентора в про- цесі дослідження, а також приймає електричні сигна- ли з давача тиску, пропорційні тиску, здійснюваному електродом-індентором на дослідний зразок ткани- ни. При цьому система керування може або виводити дані на персональний комп’ютер, або мати власні за- соби обробки та візуалізації результатів вимірювання. Для побудови системи керування та збору даних можуть бути використані стандартні рішення у ви- гляді універсальних плат введення-виведення даних або пристрої з унікальною архітектурою. Переваги застосування готових універсальних рішень є цілком Рис. 1. Залежність напруження від відносної деформації шкіри (а) та модель пружної деформації шкіри (б) 0 ε, % Пружний елемент Зовнішнє зусилляа) б) Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–642 ISSN 2309-9992 (Online) 3 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА зрозумілими: швидкість та простота розробки, мож- ливість використання готового програмного забезпе- чення, сервісне обслуговування тощо. Серед таких рішень варто виділити платформи, що об’єднують потужні апаратні модулі збору даних, універсаль- ні драйвери та прикладне програмне забезпечення, яке реалізує графічні мови програмування [25]. Такі платформи дозволяють ефективно вирішувати бага- то технічних і дослідницьких завдань, проте зазви- чай мають дуже високу вартість, а їхня універсаль- ність часто означає наявність надлишкового апарат- ного функціонала та недостатню гнучкість систем графічного програмування. Альтернативою тут може бути використання недорогих апаратно-програмних комплексів, на кшталт Arduino, які при досить помір- ній вартості надають достатні можливості для вирі- шення технічних завдань, пов'язаних з вимірювання- ми, передачею даних до комп'ютера та управлінням виконавчими пристроями [26]. Arduino — це проста у використанні відкри- та електронна платформа, що включає відкрите програмне забезпечення, призначена для швидко- го створення інтерактивних електронних пристро- їв. Платформа будується на базі мікроконтролерів Atmel і використовується для отримання сигналів від аналогових і цифрових давачів, управління різ- ними виконавчими пристроями та обміну інформаці- єю з комп'ютером за допомогою різних інтерфейсів. Завдяки своїй простоті та невисокій вартості плат- форма знаходить широке застосування в навчальних лабораторіях. Зокрема, платформа Arduino була об- рана нами при побудові експериментальної установ- ки для отримання емпіричних даних про механіч- ні властивості біологічних тканин та біосумі сних матеріалів. Опис експериментальної установки За прототип експериментальної установки для до- слідження деформацій біологічних тканин і біосумі- сних матеріалів при стисненні було обрано систему, наведену на рис. 2, б. Структура установки відпові- дає рис. 3, а у загальному вигляді вона представлена на рис. 4. Функцію давача тиску тут виконує тензо- метричний давач, що перетворює величину дефор- мації в електричний аналоговий сигнал. Основою конструкції давача є резистивний міст Уітстона, елементи якого змінюють свій опір при деформа- ції. Давач використано спільно з високоточним дво- канальним модулем, побудованим на спеціалізова- ній мікросхемі HX711, який здійснює перетворен- Рис. 2. Приклади систем для дослідження механічних характеристик біотканин: а — промислового виробництва [23]; б — лабораторного виконання [24] а) б) Кроковий двигун Індуктивний давач переміщення Тензодавач Індектор Досліджуваний зразок біологічної тканини Рис. 3. Узагальнена схема системи дослідження деформацій біологічних тканин і біосумісних матеріалів при стисненні Блок живлення ПК Давач тиску АктуаторСистема керування та збору даних ~220 В Електрод-ідентор Зразок тканини Жорстка платформа F Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 43ISSN 2309-9992 (Online) 4 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА ня аналогових даних з давача до цифрового вигляду. Модуль має 24-розрядний аналого-цифровий перетво- рювач, що забезпечує високу точність вимірювання. З метою спрощення програмування мікросхеми HX711 використано відповідну бібліотеку Arduino, що містить готові функції для роботи з нею [27]. Роль актуатора виконує сервопривід MG996R, який забезпечує мінімальний крок переміщення 0,052 мм, що відповідає одному градусу повороту. Використання в розроблюваній установці сервопри- воду замість крокового двигуна, як у [24], дозволяє підвищити точність позиціонування електроду при- строю при переміщенні. Для здійснення безпосереднього тиску на дослі- джуваний зразок використано електрод-індентор круглого перерізу діаметром 5 мм зі сталі, що має підвищену ударостійкість і пружність. Попереднє визначення необхідних параметрів да- вача тиску та сервоприводу здійснювалось за допо- могою моделювання в пакеті COMSOL 5.2 процесу стиснення біотканини (фрагменту м’язової тканини) між двома жорсткими сталевими плитами (рис. 5). Так, в результаті моделювання були визначені крок переміщення сервоприводу, момент сили сервопри- воду, максимальне зусилля, на яке має бути розрахо- ваний тензодавач (не менш ніж 150 Н). Для побудови системи керування та збору даних використано апаратно-програмний комплекс Arduino Nano, який має компактні габаритні розміри та до- статні для виконання покладених на нього функцій технічні характеристики. В даній установці комплекс Arduino здійснює зокрема передачу вимірюваної ін- формації в комп’ютер, керування рухом сервоприво- ду, а також живлення тензометричного давача та мо- дуля аналого-цифрового перетворення. Для забезпечення зручної взаємодії користувача з розробленою установкою в середовищі NI LabView було створене спеціальне програмне забезпечен- ня (інтерфейс програми показано на рис. 6), здатне отримувати від комплексу Arduino результати дослі- дження та виводити на графічний дисплей діагра- му деформації, зберігати отримані дані у файл типу *.xls на комп’ютері, додавати коментар дослідника до збережених файлів, показувати індикатор збою роботи програми. Результати практичного застосування установки За допомогою експериментальної установки було досліджено деформації зразків біологічних тканин під дією тиску. На рис. 7 наведено діаграми дефор- мації зразків тканини курячої печінки та курячого серця. Діаграми містять пряму та зворотну ділянки, що відображують відповідно процеси стиснення та подальшого зняття тиску. Як видно з рисунків, тка- нина серця є більш пружною і демонструє набагато більші значення механічного напруження, ніж ткани- на печінки, за умов забезпечення однакових значень відносної деформації. Так, наприклад, при значен- ні відносної деформації 60% механічне напруження зразка печінки дорівнює 20 кПа, тоді як напруження зразка серця складає близько 140 кПа. Обидва графі- ки мають нелінійну залежність: на початковому ета- пі збільшення деформації напруження в тканинах на- Рис. 4. Загальний вигляд установки для дослідження деформації біологічних тканин і біосумісних матеріалів при стисненні Рис. 5. Моделювання стиснення біотканини в COMSOL 5.2 Рис. 6. Розроблений інтерфейс користувача Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–644 ISSN 2309-9992 (Online) 5 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА ростає повільно, тоді як при подальшому рості дефор- мації напруження суттєво збільшується. Зворотні ді- лянки графіків не збігаються з прямими через руйну- вання внутрішньої структури зразків під дією ти ску, в результаті чого пружні властивості тканин істотно змінюються. Нерівномірність зміни механічного на- пруження під дією тиску, наявність «викидів» на гра- фіках пояснюються неоднорідністю структури біоло- гічних тканин, які містять порожнини, заповнені по- вітрям та рідиною. Отримання достовірних експериментальних да- них про механічні властивості біологічних тканин та біосумісних матеріалів, в тому числі модуль пруж- ності E, коефіцієнт поперечної деформації μ (коефі- цієнт Пуассона), допустиме напруження σ тощо, є необхідною умовою для побудови адекватних мате- матичних моделей. Важливість створення таких мо- делей важко переоцінити, оскільки дослідження ме- ханічних властивостей під дією тиску належать до класу методів руйнівного контролю, що в багатьох випадках означає суттєві обмеження під час прове- дення експериментів над живими біологічними тка- нинами або навіть неможливість їхньої реалізації. Ефективним математичним інструментом для ство- рення моделей систем з розподіленими параметрами, якими є біотканини та біосумісні матеріали, вважа- ється метод кінцевих елементів [10, 28, 29], за допо- могою якого можливо розробити віртуальні об’єкти високої точності для проведення над ними надалі ши- рокого спектра досліджень. Висновки Розроблена з використанням сучасних апаратних та програмних засобів, а також ефективних техніч- них рішень система для дослідження механічних де- формацій біологічних тканин і біосумісних матеріа- лів при стисненні має високі метрологічні характе- ристики, низьку собівартість та дозволяє здійснюва- ти всі необхідні функції з вимірювання, обробки та візуалізації даних. На основі даних, отриманих в ре- зультаті вимірювання такою системою, можуть бути сформовані рекомендації для лікарів щодо обрання оптимальних режимів роботи медичних приладів та інструментів у кожному конкретному випадку. Крім цього, вимірювані дані можуть бути використані для побудови математичних моделей біологічних тканин та біосумісних матеріалів з метою подальшого про- ведення над ними віртуальних експериментів. Саме створенню математичних моделей біологічних тка- нин на основі методу кінцевих елементів із засто- суванням отримуваних за допомогою розробленої си стеми фактичних значень, що характеризують тка- нину, планується присвятити майбутні дослідження в даному напрямку. ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА 1. Кузьмин А.В. Трехмерное моделирование и визуализация в медицине. Вестник Пензенского государственного универси- тета, 2015, № 4 (12), с. 122–126. 2. Кузьмин А.В., Милюткин М.Г., Черепанов А.С. и др. Алгоритмы определения видимости объектов сцены при симу- ляционном обучении базовым навыкам лапароскопии. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические на- уки, 2013, № 3, С. 40–51. 3. Гаврюшин С.С., Утенков В.М., Хрыков С.С. Биомеханическое моделирование индивидуализированных имплантируемых изде- лий для реконструктивной хирургии. Инженерный журнал: нау- ка и инновации, 2017, № 2, с. 1–13. https://doi.org/10.18698/2308- 6033-2017-2-1582 4. Николаев С.Н. Программный модуль для трехмерного мо- делирования хирургической операции по увеличению груди. Компьютерные инструменты в образовании, 2012, № 3, с. 38–46. 5. Paton B.E. Welding and related technologies for medical application. The Paton Welding Journal, 2008, № 11, р. 11–19. 6. Патон Б.Є., Булавин Л.А., Актан О.Ю. та ін. Структурні пе- ретворення колагену при електрозварюванні м’яких живих тка- нин. Доповіді Національної академії наук України, 2010, № 2, с. 94–101. 7. Лебедев А.В., Дубко А.Г., Лопаткина К.Г. Особенности при- менения теории контактной сварки металлов к сварке живых тка- Рис. 7. Графік деформації дослідних зразків тканини курячої печінки (а) та курячого серця (б) а) σ, кПа 160 140 120 100 80 60 40 20 0 20 30 40 50 60 70 80 ε, % б) σ, кПа 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ε, % Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 45ISSN 2309-9992 (Online) 6 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА ней. Технічна електродинаміка. Тематичний випуск «Силова елек- троніка та енергоефективність», 2012, т. 2, с. 187–192. 8. Григорькина, Е.С., Кузьмин А.В., Сергеев С.В. Компью- терное 3D-моделирование травмирующего воздействия на верхнюю челюсть. Практическая медицина, 2015, № 2 (87), т. 2, с. 76–78. 9. Lam C.K., Sundaraj K., Sulaiman, M.N. Computer-based virtual reality simulator for phacoemulsifi cation cataract surgery training. Virtual Reality 18, 2014, p. 281–293. https://doi.org/10.1007/ s10055-014-0251-3. 10. Chanthasopeephan T., Desai J. P. and Lau A. C. W. Modeling soft-tissue deformation prior to cutting for surgical simulation: fi nite element analysis and study of cutting parameters. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2007, vol. 54, no. 3, p. 349–359, https:// doi.org/10.1109/TBME.2006.886937. 11. Guo Z., You S., Wan X., Bićanić N. A FEM-based direct method for material reconstruction inverse problem in soft tissue elastography. Computers and Structures, 2010, vol. 88, iss. 23–24, p. 1459–1468. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2008.06.004 12. Лекишвили М.В. Технологии изготовления костного плас- тического материала для применения в восстановительной хи- рургии: автореф. дис. … д-ра мед. наук, Мoсква, 2005, 47 с. 13. Нигматуллин Р.Т. Очерки трансплантации тканей, Уфа, 2003, 160 с. 14. Савельев В.И., Корнилов Н.В. Калинин А.В. Актуальные проблемы трансплантации тканей. СПб., МорсарАВ, 2001, 157 с. 15. Gasser T.C., Ogden R.W., and Holzapfel G.A. Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fi bre orientations. Journal of the royal society interface, 2006, vol. 3, iss. 6, p. 15–35. http://doi.org/10.1098/rsif.2005.0073 16. Holzapfel G.A., Gasser T.C., and Ogden R.W. A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. Journal of elasticity and the physical science of solids, 2000, vol. 61, p. 1–48. https://doi.org/10.1023/A:1010835316564 17. Антонюк В.С., Бондаренко М.О., Ващенко В.А. та ін. Біофізика і біомеханіка. Київ, НТУУ «КПІ», 2012, 344 с. 18. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. Мoсква, Наука, 1980, 260 c. 19. Владимиров Ю.А., Рощупкин Д.И., Потапенко А.Я., Деев А.И. Биофизика, Москва, Медицина, 1983, 272 с. 20. Franzke C.W., Bruckner P., and Bruckner-Tuderman L. Collagenous transmembrane proteins: recent insights into biology and pathology. Journal of Biological Chemistry, 2005, vol. 280, no. 6, p. 4005–4008. https://doi.org/10.1074/jbc.r400034200 21. Пуриня Б.А., Касьянов В.А. Биомеханика крупных кровеносных сосудов человека. Рига, Зинатне, 1980, 260 с. 22. Юсков В.Н. Хирургия в вопросах и ответах. Ростов-на- Дону, Феникс, 2000, 573 с. 23. Instron — Low-Force Testing of Tissues and Biomaterials In Vitro. https://www.instron.us/testing-solutions/by-material/ biomedical/tension/tissues--biomaterials (accessed date: 10.10.2020) 24. Yuen Q. W.-H., Zheng Y.-P., Huang Y.-P. et al. In-vitro strain and modulus measurements in porcine cervical lymph nodes. The Open Biomedical Engineering Journal, 2011, vol. 5, p. 39–46. https://doi. org/10.2174/1874120701105010039 25. Advantech USB-4716 200 kS/s, 16-Bit, 16-Ch Multifunction DAQ USB Module, https://www.advantech.com/products/1-2mlkno/ usb-4716/mod_a3ab933c-c6d3-49eb-9d25-58cacecdef7a (accessed date: 10.10.2020) 26. Arduino, https://www.arduino.cc (accessed date: 10.10.2020) 27. HX711 — 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales. Datasheet, http://image.dfrobot.com/image/data/ SEN0160/hx711_english.pdf (accessed date: 10.10.2020) 28. Бегун П.И., Афонин П.Н. Моделирование в биомеханике. Москва, Высшая школа, 2004, 390 с. 29. Nealen A., Müller M., Keiser R. et al. Physically based deformable models in computer graphics. Computer Graphics Forum, 2006, vol. 25, iss. 4, pp. 809–836. https://doi.org/10.1111/j.1467- 8659.2006.01000.x Дата надходження рукопису до редакції 16.11 2020 р. А. Г. ДУБКО1, 2, Р. С. ОСИПОВ1, Ю. В. БОНДАРЕНКО1, А. Ф. БОНДАРЕНКО1 Украина, г. Киев, 1КПИ им. Игоря Сикорского; 2ИЭС им. Е. А. Патона НАН Украины E-mail: andreyies17@gmail.com, romanosipov1997@gmail.com, bondarenkoaf@gmail.com ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ Показана актуальность исследований механических свойств биологических тканей и биосовместимых материалов для успешного решения задач общей и восстановительной хирургии, трансплантологии, мануальной терапии, вирту- ального моделирования хирургических операций, роботизации хирургии и пр. Представлены основные сведения о био- логической ткани как объекте исследования. Приведен краткий обзор средств для исследования механических харак- теристик биологических тканей. Описана разработанная с использованием современных аппаратных и программных средств, а также эффективных технических решений экспериментальная установка для исследования деформаций биологических тканей и биосовместимых материалов при сжатии. Представлены результаты практического при- менения разработанной установки и проанализированы полученные зависимости механического напряжения образ- цов биологических тканей от их деформации под действием давления. Система обладает высокими метрологически- ми характеристиками, низкой себестоимостью и позволяет осуществлять все необходимые функции по измерению, обработке и визуализации данных. На основе данных, полученных в результате измерения такой системой, могут быть сформированы рекомендации для врачей по выбору оптимального режима работы медицинских приборов и ин- струментов в каждом конкретном случае. Кроме этого, измеряемые данные могут быть использованы для постро- ения математических моделей биологических тканей и биосовместимых материалов с целью дальнейшего проведе- ния виртуальных экспериментов. Именно созданию математических моделей биологических тканей на основе мето- да конечных элементов с применением получаемых с помощью разработанной системы фактических значений, ха- рактеризующих ткань, планируется посвятить будущие исследования в данном направлении. Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, измерение, механические свойства, биологическая ткань, био- совместимый материал. DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.40 УДК 620.17.05 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–646 ISSN 2309-9992 (Online) 7 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА A. DUBKO1, 2, R. OSYPOV1, Yu. BONDARENKO1, O. BONDARENKO1 Ukraine, Kyiv, 1Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute; 2E. O. Paton Electric Welding Institute of NAS of Ukraine E-mail: andreyies17@gmail.com, romanosipov1997@gmail.com, bondarenkoaf@gmail.com ELECTRONIC DEVICES FOR STUDYING MECHANICAL PROPERTIES OF BIOLOGICAL TISSUES The paper shows the relevance of studying the mechanical properties of biological tissues and biocompatible materials for solving the problems of general and reconstructive surgery, transplantology, manual therapy, virtual simulation of surgical operations, robotic surgery, etc. The authors present basic information about biological tissue as an object of research and give a brief overview of the devices used for studying the mechanical characteristics of biological tissues. An experimental system for testing deformations of biological tissues and biocompatible materials during compression is described. The system is developed using modern hardware and software, as well as eff ective technical solutions. The results of the practical use of the developed device are presented and the obtained dependences of the mechanical stress of biological tissue samples on their deformation under pressure are analyzed. The system has high metrological characteristics and low cost, and allows performing all the necessary functions for measuring, processing and visualizing the data. The measurements obtained with this system can help form the recommendations for doctors on choosing the optimal operation mode of medical devices and instruments in each specifi c case. In addition, the measured data can be used to create mathematical models of biological tissues and biocompatible materials in order to further carry out virtual experiments. In further studies, the authors plan to create the mathematical models of biological tissues based on the fi nite element method and using the actual values characterizing the tissue, obtained with the developed system. Keywords: hardware and software complex, measurement, mechanical properties, biological tissue, biocompatible material. DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.40 UDC 620.17.05 REFERENCES 1. Kuz’min A.V. 3D modeling and visualization in medicine. Penza State University Bulletin, 2015, no. 4 (12), pp. 122–126. (Rus) 2. Kuz’min A.V., Milyutkin M.G., Cherepanov A.S. et al. Algorithms for estimation of scene objects visibility in simulation training of basic laparoscopy skills. University proceedings. Volga region. Technical sciences, 2013, no. 3, pp. 40–51. (Rus) 3. Gavryushin S.S., Utenkov V.M., Khrykov S.S. Biomechanical modeling of personalised implants for reconstructive surgery. Engineering Journal: Science and Innovations, 2017, no. 2 (62), pp. 1–13. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2017-2-1582 4. Nikolaev S.N. [Software module for 3D modeling of breast augmentation surgery]. Computer Tools in Education, 2012, no. 3, с. 38–46. (Rus) 5. Paton B.E. Welding and related technologies for medical ap- plication. The Paton Welding Journal, 2008, no. 11, pр. 11–19. 6. Paton B.E., Bulavyn L.A., Aktan O.Yu. et al. [Structural trans- formations of collagen during electric welding of soft living tissues]. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, no. 2, pp. 94–101. (Ukr) 7. Lebedev A.V., Dubko A.G., Lopatkina K.G. Features of appli- cation of the theory of contact welding of metals to welding of living tissues. Technical Electrodynamics. Special Issue “Power Electronics and Energy Effi ciency”, 2012, vol. 2, p. 187–192. (Ukr) 8. Grigorkina E.S., Kuzmin A.V., Sergeev S.V. Computer 3D-modeling of traumatic impact on the upper jaw. Practical Medicine, 2015, no. 2 (87), т. 2, с. 76–78. (Rus) 9. Lam C.K., Sundaraj K., Sulaiman, M.N. Computer-based virtual reality simulator for phacoemulsifi cation cataract surgery train- ing. Virtual Reality 18, 2014, pp. 281–293. https://doi.org/10.1007/ s10055-014-0251-3. 10. Chanthasopeephan T., Desai J. P. and Lau A. C. W. Modeling soft-tissue deformation prior to cutting for surgical simulation: fi nite element analysis and study of cutting parameters. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2007, vol. 54, no. 3, pp. 349–359, https:// doi.org/10.1109/TBME.2006.886937. 11. Guo Z., You S., Wan X., Bićanić N. A FEM-based direct method for material reconstruction inverse problem in soft tissue elastography. Computers and Structures, 2010, vol. 88, iss. 23–24, pp. 1459–1468. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2008.06.004 12. Lekishvili M.V. Tekhnologii izgotovleniya kostnogo plas- ticheskogo materiala dlya primeneniya v vosstanovitel’noy khirurgii: avtoref. dis. … d-ra med. nauk [Technologies for the manufacture of bone plastic material for use in reconstructive surgery: abstract of dis. ... Dr. med. sciences], Moscow, 2005, 47 p. (Rus) 13. Nigmatullin R.T. Ocherki transplantatsii tkaney [Essays on tissue transplantation], Ufa, 2003, 160 с. (Rus) 14. Savel’yev V.I., Kornilov N.V. Kalinin A.V. Aktual’nyye prob- lemy transplantatsii tkaney [Actual problems of tissue transplantation]. SPb., Morsar AV, 2001, 157 p.(Rus) 15. Gasser T.C., Ogden R.W., and Holzapfel G.A. Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fi bre orientations. Journal of the royal society interface, 2006, vol. 3, iss. 6, pp. 15–35. http://doi.org/10.1098/rsif.2005.0073 16. Holzapfel G.A., Gasser T.C., and Ogden R.W. A new constitu- tive framework for arterial wall mechanics and a comparative study of material models. Journal of elasticity and the physical science of solids, 2000, vol. 61, pp. 1–48. https://doi.org/10.1023/A:1010835316564 17. Antonyuk V.S., Bondarenko M.O., Vashchenko V.A. et al. Biophysica i biomekhanicsа [Biophysics and biomechanics]. Kyiv, NTUU “KPI”, 2012, 344 p. (Ukr) 18. Lur’ye A.I. Nelineynaya teoriya uprugosti [Nonlinear theory of elasticity]. Moscow, Nauka, 1980, 260 p. (Rus) 19. Vladimirov Yu.A., Roshchupkin D.I., Potapenko A.Ya., Deyev A.I. Biophysica, [Biophysics]. Moscow, Meditsina, 1983, 272 p. (Rus) 20. Franzke C.W., Bruckner P., Bruckner-Tuderman L. Collagenous transmembrane proteins: recent insights into biology Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 47ISSN 2309-9992 (Online) 8 БІОМЕДИЧНА ЕЛЕКТРОНІКА and pathology. Journal of Biological Chemistry, 2005, vol. 280, no. 6, pp. 4005–4008. https://doi.org/10.1074/jbc.r400034200 21. Purinya B.A., Kas’yanov V.A. Biomekhanika krupnykh kro- venosnykh sosudov cheloveka [Biomechanics of human large blood vessels]. Riga, Zinatne, 1980, 260 p. 22. Yuskov V.N. Khirurgiya v voprosakh i otvetakh [Surgery in questions and answers]. Rostov-on-Don, Feniks, 2000, 573 p. 23. Instron — Low-Force Testing of Tissues and Biomaterials In Vitro. https://www.instron.us/testing-solutions/by-material/biomedi- cal/tension/tissues--biomaterials (accessed date: 10.10.2020) 24. Yuen Q. W.-H., Zheng Y.-P., Huang Y.-P. et al. In-vitro strain and modulus measurements in porcine cervical lymph nodes. The Open Biomedical Engineering Journal, 2011, vol. 5, pp. 39–46. https://doi. org/10.2174/1874120701105010039 25. Advantech USB-4716 200 kS/s, 16-Bit, 16-Ch Multifunction DAQ USB Module, https://www.advantech.com/products/1-2mlkno/ usb-4716/mod_a3ab933c-c6d3-49eb-9d25-58cacecdef7a (accessed date: 10.10.2020) 26. Arduino, https://www.arduino.cc (accessed date: 10.10.2020) 27. HX711 — 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales. Datasheet, http://image.dfrobot.com/image/data/SEN0160/ hx711_english.pdf (accessed date: 10.10.2020) 28. Begun P.I., Afonin P.N. Modelirovaniye v biomekhanike [Modeling in biomechanics]. Moscow, Vysshaya shkola 2004, 390 р. 29. Nealen A., Müller M., Keiser R. et al. Physically based de- formable models in computer graphics. Computer Graphics Forum, 2006, vol. 25, iss. 4, pp. 809–836. https://doi.org/10.1111/j.1467- 8659.2006.01000.x Опис статті для цитування: Дубко А. Г., Осіпов Р. С., Бондаренко Ю. В., Бондаренко О. Ф. Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин. Техно логия и конструи рование в элек- тронной аппаратуре, 2020, № 5–6, с. 40–47. http://dx.doi. org/10.15222/TKEA2020. 5-6.40 Cite the article as: Dubko A. G., Osypov R. S., Bondarenko Yu. V., Bondarenko O. F. Electronic devices for studying mechanical properties of biological tissues. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2020, no. 5–6, pp. 40–47. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2020. 5-6.40 Ð Å Ö Å Í Ç Å Í Ò È Í Î Ì Å Ð À Бєлоха Галина Сергіївна, канд. техн. наук, доцент, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Сєвєродонецьк Дружинін Анатолій Олександрович, докт. техн. наук, професор, Національний університет «Львівська політехніка» Круковський Семен Іванович, докт. техн. наук, начальник відділку, НВП «Електрон- Карат», м. Львів Плаксін Сергій Вікторович, докт. фіз.-мат. наук, зав. відділом, Інститут транспортних систем і технологій НАНУ, м. Дніпро Поплавко Юрій Михайлович, докт. фіз.-мат. наук, професор, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
id	oai:tkea.com.ua:article-98
institution	Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-12T01:00:37Z
publishDate	2020
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwtkeacomua/ac/61d0ab39ef7345817c00c90dd88081ac.pdf
spelling	oai:tkea.com.ua:article-982026-06-11T12:21:21Z Electronic devices for studying mechanical properties of biological tissues Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин Dubko, Andrii Osipov, Roman Bondarenko, Yuliia Bondarenko, Oleksandr hardware and software complex measurement mechanical properties biological tissue biocompatible material апаратно-програмний комплекс біологічна тканина біосумісний матеріал вимірювання механічні властивості The paper shows the relevance of studying the mechanical properties of biological tissues and biocompatible materials for solving the problems of general and reconstructive surgery, transplantology, manual therapy, virtual simulation of surgical operations, robotic surgery, etc. The authors present basic information about biological tissue as an object of research and give a brief overview of the devices used for studying the mechanical characteristics of biological tissues. An experimental system for testing deformations of biological tissues and biocompatible materials during compression is described. The system is developed using modern hardware and software, as well as effective technical solutions. The results of the practical use of the developed device are presented and the obtained dependences of the mechanical stress of biological tissue samples on their deformation under pressure are analyzed. The system has high metrological characteristics and low cost, and allows performing all the necessary functions for measuring, processing and visualizing the data. The measurements obtained with this system can help form the recommendations for doctors on choosing the optimal operation mode of medical devices and instruments in each specific case. In addition, the measured data can be used to create mathematical models of biological tissues and biocompatible materials in order to further carry out virtual experiments. In further studies, the authors plan to create the mathematical models of biological tissues based on the finite element method and using the actual values characterizing the tissue, obtained with the developed system. Описано розроблений експериментальний апаратно-програмний комплекс для дослідження деформації біологічних тканин і біосумісних матеріалів при стисненні та представлено результати її практичного застосування. Проаналізовано отримані залежності механічного напруження зразків біологічних тканин від їхньої деформації під дією тиску. Наведено приклади використання практичних даних, вимірюваних розробленою установкою, та визначено подальші кроки для розвитку досліджень в даному напрямку. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020-12-27 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.40 10.15222/TKEA2020.5-6.40 Technology and design in electronic equipment; No. 5–6 (2020): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 40-47 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 5–6 (2020): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 40-47 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2020.5-6 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.40/88 Copyright (c) 2020 Andrii Dubko, Roman Osipov, Yuliia Bondarenko, Oleksandr Bondarenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle	апаратно-програмний комплекс біологічна тканина біосумісний матеріал вимірювання механічні властивості Dubko, Andrii Osipov, Roman Bondarenko, Yuliia Bondarenko, Oleksandr Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title	Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title_alt	Electronic devices for studying mechanical properties of biological tissues
title_full	Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title_fullStr	Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title_full_unstemmed	Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title_short	Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
title_sort	електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин
topic	апаратно-програмний комплекс біологічна тканина біосумісний матеріал вимірювання механічні властивості
topic_facet	hardware and software complex measurement mechanical properties biological tissue biocompatible material апаратно-програмний комплекс біологічна тканина біосумісний матеріал вимірювання механічні властивості
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.40
work_keys_str_mv	AT dubkoandrii electronicdevicesforstudyingmechanicalpropertiesofbiologicaltissues AT osipovroman electronicdevicesforstudyingmechanicalpropertiesofbiologicaltissues AT bondarenkoyuliia electronicdevicesforstudyingmechanicalpropertiesofbiologicaltissues AT bondarenkooleksandr electronicdevicesforstudyingmechanicalpropertiesofbiologicaltissues AT dubkoandrii elektronnízasobidoslídžennâmehaníčnihvlastivostejbíologíčnihtkanin AT osipovroman elektronnízasobidoslídžennâmehaníčnihvlastivostejbíologíčnihtkanin AT bondarenkoyuliia elektronnízasobidoslídžennâmehaníčnihvlastivostejbíologíčnihtkanin AT bondarenkooleksandr elektronnízasobidoslídžennâmehaníčnihvlastivostejbíologíčnihtkanin

Електронні засоби дослідження механічних властивостей біологічних тканин

Institution

Ähnliche Einträge