Исследование и разработка методов определения механических характеристик гибких управляемых эндоскопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Иванов, Андрей Юрьевич

• Иванов, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Андрей Юрьевич

Введение. Постановка задачи

1. Краткий обзор и критический анализ методов исследования механических систем медицинских эндоскопов

1.1 Анализ технических решений механических систем эндоскопов по патентным источникам

1.2. Обзор состояния методов проектирования и исследования механических систем эндоскопов

1.3. Основные подходы к определению возможностей автоматизированного проектирования ДЧЭ

1.4. Постановка задачи исследования и расчета дистальной части механической системы эндоскопа

2. Математические модели гибкой дистальной части медицинского эндоскопа

2.1. Методы кинематического анализа механической системы эндоскопа

2.2. Представление ДЧЭ в виде конечно-элементной модели

3. Определение характеристик деформированного состояния ДЧЭ методов конечных элементов

3.1. Метод конечных элементов для определения перемещений элементов механической системы эндоскопа

3.2. Методы определения положения равновесия ДЧЭ как гибкого стержня

3.3. Нелинейная задача определения деформированного состояния ДЧЭ

3.4. Расчет основных характеристик состояния механической системы эндоскопа с использованием персонального компьютера

3.5. Сравнительная характеристика геометрических и механических параметров ДЧЭ для основных эксплуатационных состояний эндоскопа

4. Разработка методов и средств экспериментального определения геометрических и механических характеристик ДЧЭ

4.1. Анализ возможных методов определения различных характеристик ДЧЭ

4.2. Разработка средств экспериментального определения характеристик эндоскопа

4.3. Результаты экспериментального исследования медицинского эндоскопа типа ГД-Б-ВО-3 на разработанном стенде для испытания эндоскопов

4.4. Сравнительная оценка результатов расчета и экспериментального исследования механической части эндоскопа

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов определения механических характеристик гибких управляемых эндоскопов»

В настоящее время, учитывая научно-технический прогресс во многих областях науки и техники, у нас в стране и за рубежом бурное развитие получила разработка и изготовление новых видов медицинской техники. Особое место в разработке медицинских приборов занимают приборы, используемые для диагностики и лечения труднодоступных полостей в организме человека. В самом начале своего развития эндоскопические приборы применялись для обследования и лечения органов пищеварительного тракта. В настоящее время область применения эндоскопов возросла. Эндоскопы используют для диагностики практически всех труднодоступных полостей в организме человека, а также для проведения хирургических операций. В постоянный медицинский обиход вошли такие понятия как гастроскоп, гастрофиброскоп, лапароскоп, ларингоскоп, стробоскоп и многие другие. Так только за рубежом выпущено более 200 моделей эндоскопов для гастроэнтерологии и количество других видов эндоскопов постоянно растет. Также эндоскопы применяются для диагностики состояния отдельных элементов в различных технических объектах, визуальный непосредственный осмотр которых невозможен. Производством и разработкой эндоскопов занимаются практически все развитые страны мира, например: Япония, США, Россия, Германия, Австрия, Великобритания и другие. Наиболее известные фирмы, которые занимаются эндоскопами в Японии - "Олимпас", " Фуджинон", "Пентакс", " Машида"; в США - " АКМИ"; в Германии- " Веплер"; в Великобритании - " Минвейд"; в Австрии- "Райкорт", " Юнг" и другие фирмы. Особое место в мире, по номенклатуре и функциональным возможностям, занимают эндоскопы японского производства. Особенно широко распространены во всем мире эндоскопы фирмы "Олимпас".

Первые эндоскопы в нашей стране появились в семидесятые годы. Но по оптическим и механическим характеристикам они сильно уступали зарубежным аналогам. Поэтому в практике использовались преимущественно только импортные аналоги. Необходимо заметить, что хотя в настоящее время количество эксплуатируемых эндоскопов российского производства резко возросло, проблема надежности и качества также осталась стоять остро. Наиболее проблемной частью любого эндоскопа, из-за которой чаше всего происходит частичная или полная потеря работоспособности, является гибкая управляемая часть или дистальная часть эндоскопа (ДЧЭ). Изгиб ДЧЭ на достаточно большие углы вызывает нарушение внутренних коммуникаций, таких как: излом оптических световодов, усиление нагрузок на гибкие управляющие канаты, что вызывает растяжение и обрыв последних и повреждение защитной оболочки.

Основная проблема, которая не позволяет улучшить характеристики эндоскопа и соответственно сделать его конкурентно способным на мировом рынке - это отсутствие методов проектирования, базирующихся на реальной математической модели для конструирования эндоскопов. Отсутствие математической модели приводит к необходимости решать все проблемы только путем реализации тех или иных конструкторских или технологических решений, которые позволяют устранить обнаруживаемые недостатки. Без математической модели нет возможности конструировать эндоскоп по заданным параметрам. Любое конструирование без математической модели является приблизительным, так как не дает возможности создать эндоскоп, отвечающий всем заданным параметрам.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель работы заключается в создании реальной математической модели для расчета ДЧЭ по заданным параметрам.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методы исследования базируются на теории конечных элементов, применимой к упругим системам, использования программных средств, положений теоретической механики и сопротивления материалов, деталей машин и механизмов, роботов и манипуляторов, а также научных основ технологии приборостроения. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании, созданном в процессе работы над диссертацией.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

• применение математической модели для исследования кинематики дистальной части эндоскопа оригинальной конструкции. Разработана математическая модель для упругой системы на основе метода конечных элементов;

• предложена статическая модель гибкого стержня;

• рассмотрена нелинейная задача определения деформированного состояния ДЧЭ;

• разработан стенд для экспериментального определения характеристик эндоскопа.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

• математическая модель для исследования ДЧЭ, основанная на методе конечных элементов, применимом к упругим системам;

• статическая модель гибкого стержня; новое конструкторско-технологическое решение для ДЧЭ, защищенное заявкой;

• принципиальная схема и конструкторское решение экспериментального стенда для определения характеристик эндоскопа.

Несмотря на довольно большой срок эксплуатации эндоскопов и большое число модификаций эндоскопов с разными функциональными возможностями, в настоящее время имеются лишь патентные решения, которые отражают только конструктивные и функциональные предложения по конструированию новых типов эндоскопов, а также результаты заводских и клинических испытаний конкретных приборов. А этого для полноценного конструирования новых типов эндоскопов мало. Поэтому, создав математическую модель эндоскопа, можно добиться следующего:

• отказаться от некоторых вариантов конструкций, не анализируя их характеристик, что сокращает количество вариантов, требующих дальнейшей проработки;

• выявить такие комбинации переменных геометрических параметров, которые дают оригинальные и работоспособные конструкторские решения;

• предлагать такие комбинации, которые на данный момент технологически невыполнимы, но могут стимулировать дальнейшее развитие технологии;

• привлекать к начальному моделированию менее квалифицированный технический персонал, оставляя за специалистами высокой квалификации выбор оптимального решения.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Иванов, Андрей Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Все задачи, поставленные перед данной научной работой выполнены полностью. Основные научные и практические результаты работы:

1. Проведена оценка методов проектирования и исследования механических систем эндоскопов; выявлена сборочная единица эндоскопа (дистальная часть), в основном определяющая надежность механической части эндоскопа.

2. Предложен способ представления ДЧЭ в виде конечно-элементной модели.

3. Создана реальная математическая модель для расчета новых типов ДЧЭ по заданным параметрам, основанная на теории конечных элементов.

4. Предложен метод определения положения равновесия ДЧЭ, как гибкого стержня.

5. Рассмотрена нелинейная задача определения деформированного состояния ДЧЭ.

6. Разработана новая конструкция ДЧЭ.

7. Предложена общая схема конструирования любого типа ДЧЭ.

8. Экспериментально получены зависимости углов поворота элементов конечно-элементной модели в плоскости от приложенной внешней нагрузки.

9. Разработан стенд для обеспечения контроля положений элементов ДЧЭ при произвольном рабочем положении привода серийного эндоскопа.

10. Проведены экспериментальные исследования по определению положений элементов ДЧЭ при действии внешних нагрузок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Андрей Юрьевич, 1998 год

1. А. с. СССР № 388732. Оптическая система эндоскопа. БИ, № 29, 1973.

2. А. с. СССР № 344845. Устройство для эндоскопического зондирования полостей сердца в эксперименте. БИ, № 22, 1972.

3. А. с. СССР № 34846. Цветной телевизионный эндоскоп. БИ, № 22, 1972.

4. А. с. СССР № 410767. Устройство для исследований полостей тела. БИ, № 2, 1974.

5. А. с. СССР № 411842. Зонд для электроплазмографического исследования легких. БИ, № 3, 1974.

6. А. с. СССР № 486741. Эндоскоп. БИ, № Ъ1, 1975.

7. А. с. СССР № 564856. Устройство для управления эндоскопом. БИ, № 26, 1977.

8. А. с. СССР № 660660. Мандрен для эндоскопов. БИ, № 17, 1979.

9. А. с. СССР № 810205. Эндоскоп. БИ, № 9, 1981.

10. А. с. СССР № * 14331. Эндоскоп. БИ, № 11, 1988.

11. А. с. СССР № 871786. Трубка для эндоскопии. БИ, № 3 8, 1981.

12. А. с. СССР № 1509031. Управляемая гибкая трубка. БИ, № 35, 1989.

13. А. с. СССР № 925310. Гибкая управляемая трубка к эндоскопу. БИ, № 17, 1982.

14. А. с. СССР № 933072. Эндоскоп. БИ, № 21, 1982.

15. A. с. СССР № 950303. Эндоскоп. БИ, № 30, 1982.

16. А. с. СССР № 1329603. Гибкая трубчатая конструкция. БИ, № 29, 1987.

17. А. с. СССР № 1389747. Эндоскоп. БИ, № 15, 1988.

18. А. с. СССР № 1215654, Эндоскоп. БИ, № 9, 1986.

19. А. с. СССР № 1007648. Гибкая управляемая трубка к эндоскопу. БИ, № 12, 1983.

20. А. с. СССР № 1012882. Устройство для регулирования изгиба дистальной части эндоскопа. БИ, № 15, 1983.

21. А. с. СССР № 1026762. Гибкая управляемая трубка для эндоскопии. БИ, № 25, 1983.

22. А. с. СССР № 1097263. Эндоскоп. БИ, № 22, 1984.

23. А. с. СССР № 1099949. Гибкая управляемая трубка для эндоскопа. БИ, №24, 1984.

24. Биндюк В.В. Средства измерения жесткости сечений при изгибе упругих микроэлементов прецизионных устройств. Изв. Вузов.: Приборостроение, т. XXVII, № 2, 1984.

25. Биндюк В.В. Метод определения жесткости упругих элементов. Л.: Труды ЛИТМО, вып. 91, 1977, 27-32с.

26. Биндюк В.В., Борисов Ю.А., Гурьянов В.А., Храбров C.B., Юдин Ю.В. Исследование и разработка кинематических моделей дистальной части медицинского эндоскопа на ЭВМ. Материалы научно технического семинара 24-25 июня. С.-Петербург, 1992, 107-116с.

27. Воробьев Е.И., Попов С.А., Шевелева Г.И. Механика промышленных роботов. Кн. I: Кинематика и динамика. М.: Высшая школа, 1988. -304с.

28. Гусан A.A. Элементы методов вычичлений. Минск: БГУ, 1974. 168с.

29. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И.И. Оптические кабели. М.: Энергоиздат, 1985. 174с.

30. Гроднев И.И., Ларин Ю.Т., Теумин И. И. Оптические кабели. М.: Энергоиздат, 1985. 174 с.

31. ГОСТ 23. 496 86 Эндоскопы медицинские с волоконной оптикой гибкие. М.: Издательство стандартов, 1987. - 17 с.

32. Заявка на изобретение № 96117886 от 3.09.1996, МПК А61 В1/00. Гибкая управляемая трубка для эндоскопа. Борисов Ю.А., Иванов А.Ю., Краснов Н.А.

33. Каталог фирмы "Олимпас" " Эндоскопические аппараты", 1970.

34. Каталог фирмы "Пентакс" " Эндоскопические аппараты", 1984.

35. Каталог фирмы "Олимпас" "Медицинские фиброскопы", 1990.

36. Каталог фирмы "Олимпас" "Медицинские фиброскопы", 1991.

37. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: ФМ 1961. 824 с.

38. Математический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1988, 638с.

39. Немировский М.Н., Чуркин А.А. Новые модели эндоскопов. "Медицинская техника", №2, 1985.43.44,45,46,47