Машиностроение и компьютерные технологии. 2018; : 15-23
Конечноэлементное моделирование хирургического скальпеля с пьезоэлектрическим приводом
https://doi.org/10.24108/1218.0001442Аннотация
Основной целью настоящей работы является математическое и конечно-элементное моделирование составных динамических колебательных систем, включающих в себя пьезокерамические элементы, упругие элементы и внешние воздействия от мягких тканей, описывающих работу ультразвуковых медицинских приборов, применительно к инструментам, приборам и аппаратам медицинской направленности для нахождения наиболее эффективных форм и режимов их работы. Упругие и пьезокерамические среды моделируются в рамках линейной теории упругости и электроупругости, а мягкие ткани акустической средой с определенными коэффициентами вязкости. В качестве инструмента исследования используются CAE пакет ACELAN, в котором строятся трехмерные и осесимметричные модели устройства. В численных экспериментах проводится модальный и гармонических анализ, на основе которого выявляются наиболее эффективные рабочие частоты.
Список литературы
1. Лощилов В.И., Волков С.М. К вопросу о механизме ультразвуковой резки биологических тканей // Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1973. Вып. 165. С. 29–33.
2. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии: учеб. пособие / под ред. С. И. Щукина. 2-е изд. М.: Юрайт, 2017. 223 с.
3. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: учеб. М.: ВЛАДОС-Пресс, 2003. 669 с.
4. Carovac A., Smajlovic F., Junuzovic D. Application of ultrasound in medicine // Acta Informatica Medica. 2011. Vol. 19. No. 3. Pp. 168–171. DOI: 10.5455/aim.2011.19.168-171
5. Shuxiang Dong. Review on piezoelectric, ultrasonic, and magnetoelectric actuators // J. of Advanced Dielectrics. 2012. Vol. 2. No. 1. 1230001. 18 p. DOI: 10.1142/S2010135X12300010
6. Kuang-Chen Liu D., Friend J., Yeo L.Y. A brief review of actuation at the micro-scale using electrostatics, electromagnetics and piezoelectric ultrasonics // Acoustical Science and Technology. 2010. Vol. 31. No. 2. Pp. 115–123. DOI: 10.1250/ast.31.115
7. Skaliukh A., Guorong Li. The general theory of polarization of ferroelectric materials // Advanced materials: Manufacturing, physics, mechanics and applications. Cham: Springer, 2016. Pp. 393–411. DOI: 10.1007/978-3-319-26324-3_28
8. Vykhodtseva N.I., Hynynen K., Damianou C. Pulse duration and peak intensity during focused ultrasound surgery: theoretical and experimental effects in rabbit brain in vivo // Ultrasound in Medicine & Biology. 1994. Vol. 20. No. 9. Pp. 987–1000. DOI: 10.1016/0301-5629(94)90058-2
9. Duck F.A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. L.: Academic Press, 1990. 346 p.
10. Белоконь А.В., Наседкин А.В., Соловьев А.Н. Новые схемы конечно-элементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств // Прикладная математика и механика. 2002. Т. 66. № 3. С. 491–501.
Mechanical Engineering and Computer Science. 2018; : 15-23
Finite Element Modeling of Surgical Scalpel with Piezoelectric Actuator
https://doi.org/10.24108/1218.0001442Abstract
The main goal of the present work is mathematical and finite element modeling of component dynamic oscillatory systems, including piezoceramic elements, elastic elements and external influences from soft tissues that describe the operation of ultrasonic medical devices, as applied to instruments and medical devices for finding the most effective forms and modes of operation. Elastic and piezoceramic solids are modeled within the linear theory of elasticity and electroelasticity, and soft tissues are acoustically medium with certain viscosity coefficients. As a research tool used CAE package ACELAN, which builds three-dimensional and axisymmetric models of the device. In numerical experiments, a modal and harmonic analysis is performed, on the basis of which the most effective operating frequencies are identified.
References
1. Loshchilov V.I., Volkov S.M. K voprosu o mekhanizme ul'trazvukovoi rezki biologicheskikh tkanei // Tr. MVTU im. N.E. Baumana. 1973. Vyp. 165. S. 29–33.
2. Akopyan V.B., Ershov Yu.A. Ul'trazvuk v meditsine, veterinarii i biologii: ucheb. posobie / pod red. S. I. Shchukina. 2-e izd. M.: Yurait, 2017. 223 s.
3. Dubrovskii V.I., Fedorova V.N. Biomekhanika: ucheb. M.: VLADOS-Press, 2003. 669 s.
4. Carovac A., Smajlovic F., Junuzovic D. Application of ultrasound in medicine // Acta Informatica Medica. 2011. Vol. 19. No. 3. Pp. 168–171. DOI: 10.5455/aim.2011.19.168-171
5. Shuxiang Dong. Review on piezoelectric, ultrasonic, and magnetoelectric actuators // J. of Advanced Dielectrics. 2012. Vol. 2. No. 1. 1230001. 18 p. DOI: 10.1142/S2010135X12300010
6. Kuang-Chen Liu D., Friend J., Yeo L.Y. A brief review of actuation at the micro-scale using electrostatics, electromagnetics and piezoelectric ultrasonics // Acoustical Science and Technology. 2010. Vol. 31. No. 2. Pp. 115–123. DOI: 10.1250/ast.31.115
7. Skaliukh A., Guorong Li. The general theory of polarization of ferroelectric materials // Advanced materials: Manufacturing, physics, mechanics and applications. Cham: Springer, 2016. Pp. 393–411. DOI: 10.1007/978-3-319-26324-3_28
8. Vykhodtseva N.I., Hynynen K., Damianou C. Pulse duration and peak intensity during focused ultrasound surgery: theoretical and experimental effects in rabbit brain in vivo // Ultrasound in Medicine & Biology. 1994. Vol. 20. No. 9. Pp. 987–1000. DOI: 10.1016/0301-5629(94)90058-2
9. Duck F.A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. L.: Academic Press, 1990. 346 p.
10. Belokon' A.V., Nasedkin A.V., Solov'ev A.N. Novye skhemy konechno-elementnogo dinamicheskogo analiza p'ezoelektricheskikh ustroistv // Prikladnaya matematika i mekhanika. 2002. T. 66. № 3. S. 491–501.
