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Modelling and testing of a sensor capable of determining the stiffness of biological tissues

机译：能够确定生物组织刚度的传感器的建模和测试

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Cet article discute de la conception, la fabrication, l'essai et la réalisation de modèles mathématiques d'un nouveau capteur déterminant la rigidité de tissus biologiques. Une sonde tactile est construite en utilisant du polyfluorure de vinylidène (PVDF) principalement dans l'élément capteur. La sonde est composée de plusieurs parties qui ensemble peuvent fournir une estimation de la rigidité d'un matériau qu'elle touche. Deux différents matériaux élastiques en forme de deux cylindres avec différents facteurs d'élasticité composent la structure principale du détecteur. Le cylindre central du capteur possède une rigidité supérieure à celle du cylindre périphérique. Pour l'essai, le capteur est installé sur une structure de base rigide. Ensuite, la sonde résultante est serrée contre un caoutchouc pour déterminer expérimentalement le facteur d'élasticité de Young du matériau touché. En plus du travail expérimental (et pour la première fois), on dérive une méthode analytique qui peut prédire le facteur d'élasticité de l'objet touché sans avoir besoin de connaître l'épaisseur de l'objet. Basé sur cette approche, la rigidité de l'objet mesuré est obtenue via une équation de forme fermée. En plus, la conception d'élément fini est utilisée pour un calcul plus précis de l'approximation du même paramètre. Il s'avère que la différence entre les deux méthodes théoriques soit négligeable. Des comparaisons de données expérimentales avec des approches numériques et analytiques démontrent une correspondance raisonnablement bonne entre les deux méthodes. Les implications pratiques du système conçu sont considérables puisqu'il fournit une base solide pour la d╚ection de tumeurs se retrouvant dans divers tissus biologiques.%In this paper, the design, fabrication, testing, and mathematical modelling of a new sensor for determining the stiffness of biological tissues are discussed. A tactile probe is constructed using polyvinylidene fluoride (PVDF) as the main element of the sensing system. The probe is composed of several parts that together can provide an estimate of the stiffness of a material that it touches. Two different elastic materials in the form of two cylinders with different moduli of elasticity make up the major structure of the sensor assembly. The central cylinder in the sensor has a greater stiffness than the peripheral cylinder. To test the sensor, it is mounted on a rigid base structure. Then the resulting probe is pressed against a rubber-like material to experimentally determine the Young's modulus of elasticity of the touched material. In addition to the experimental work (and for the first time), an analytical method is derived that can predict the modulus of elasticity of the touched object without needing to know the thickness of the object. Based on this approach, the stiffness of the sensed object is obtained by means of a closed-form formula. Additionally, finite element modelling is used to compute a more accurate estimate for the same parameter. The discrepancy between the two theoretical methods is proven to be negligible. Comparisons of the experimental data with the analytical and numerical approaches show a reasonably good correspondence between the methods. The practical implications of the designed system are considerable, since it provides a strong basis for detecting tumours embedded in various biological tissues.
机译：本文讨论了确定生物组织刚度的新型传感器的数学模型的设计，制造，测试和实现。主要在传感器元件中使用聚偏二氟乙烯（PVDF）构造触觉探头。探头由几个部分组成，这些部分可以共同估算所接触材料的刚度。具有不同弹性系数的两个圆柱体形式的两种不同的弹性材料构成了探测器的主要结构。传感器的中心圆柱体的刚度大于外围圆柱体的刚度。为了进行测试，传感器安装在坚固的基本结构上。然后，将所得探针夹在橡胶上，以实验确定受影响材料的杨氏弹性系数。除了实验工作之外（也是第一次），我们导出了一种分析方法，该方法可以预测受影响对象的弹性因子，而无需知道对象的厚度。基于这种方法，可以通过封闭形式方程获得被测物体的刚度。此外，有限元设计用于更精确地计算相同参数的近似值。事实证明，两种理论方法之间的差异可以忽略不计。用数值和分析方法对实验数据进行比较表明，这两种方法之间具有相当好的对应性。设计的系统的实际意义是巨大的，因为它为检测各种生物组织中的肿瘤提供了坚实的基础。％在本文中，新型传感器的设计，制造，测试和数学建模确定生物组织的刚度进行了讨论。使用聚偏二氟乙烯（PVDF）作为传感系统的主要元件构造的触觉探头。探头由几个部分组成，这些部分可以共同估算所接触材料的刚度。具有不同弹性模量的两个圆柱体形式的两种不同的弹性材料构成了传感器组件的主要结构。传感器中的中心圆柱比周围的圆柱具有更大的刚度。为了测试传感器，将其安装在刚性基础结构上。然后将所得探针压在橡胶状材料上，以实验确定接触材料的杨氏弹性模量。除了实验工作之外（也是第一次），还导出了一种分析方法，该方法可以预测被触摸物体的弹性模量，而无需知道物体的厚度。基于此方法，可以通过封闭形式的公式获得被测物体的刚度。此外，有限元建模用于为相同参数计算更准确的估算值。两种理论方法之间的差异被证明可以忽略不计。实验数据与分析方法和数值方法的比较显示了方法之间的合理良好对应。设计的系统的实际意义是巨大的，因为它为检测嵌入在各种生物组织中的肿瘤提供了坚实的基础。

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