Robotik cerrahi matkaplarda güç analizi ile matkap ucu çıkış tespiti

Abstract

Ortopedik cerrahide gerçekleştirilen kemik delme operasyonlarında delme işleminin başarısı cerrahın duyu ve hislerine bağlıdır. Matkap ucunun kemikten çıktıktan sonra ilerlemesi ile hastanın hayati organlarına zarar verme olasılığı vardır. Elektrik makinelerinde yükten kaynaklanan değişiklikler sistem dinamiğini değiştirerek tüketmiş olduğu elektriksel güçte değişimlere neden olur. Böylelikle yük momentindeki değişiklikler güç analizi ile anlık gözlemlenebilir. Bu motivasyon ile bu tez çalışmasında güç analizi ile matkap ucu çıkışını tespit etmek hedeflenmiştir. Ortopedik cerrahide kemik delme operasyonlarında kullanılan medikal matkapların özelliklerini taşıyan doğru akım motorlu bir matkabın parametreleri Lineer Olmayan En Küçük Kareler Yöntemi ile tahmin edilmiş ve Genetik Algoritma Sezgisel Eniyileme Yöntemi kullanılarak %40 oranında iyileştirilme gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan matematiksel model kullanılarak Oransal-İntegral, Doğrusal Kuadratik Regülatör ve Model Öngörülü Kontrol yöntemleri tasarımları yapılmıştır. Tasarlanan kontrol yöntemleri ve deney düzeneği ile Kontrplak-Polistiren-Kontrplak ve koyun uyluk kemikleri delinmiş, akım, gerilim, güç, kuvvet, ilerleme hızı ve dönme hızı verileri kaydedilmiştir. Kaydedilen veriler ile K-En Yakın Komşu ve Topluluk Sınıflandırıcılar eğitilmiş ve test edilmiştir. Testler sonucunda koyun uyluk kemiğinde kuvvet verisi kullanılmadan en iyi sonuç Oransal-İntegral ve K-En yakın Komşu Sınıflandırıcı ile maksimum 1,0179 mm ve 0,0179 saniyede matkap ucu atılımı tespiti yapılmıştır.

The success of the drilling process in bone drilling operations in orthopedic surgery depends on the senses and feelings of the surgeon. There is a possibility of damaging the vital organs of the patient in the situation of go forward after the drill bit goes out of the bone. The load changes in electrical machines change the system dynamics and cause change consuming electrical power patterns. Therefore, change in load moment can be observed by power analysis instantaneously. It is aimed to detect drill bit states by power analysis in this thesis with this motivation. The parameters a direct-current drill motor which imitates characteristics of orthopedic drill used in bone drilling operations were estimated by the Nonlinear Least Squares method and the estimates were improved by the Genetic Algorithm correction. Proportional-Integral, Linear Quadratic Regulator and Model Predictive Control methods were designed and control parameters were determined by using the mathematical models and parameters. Plywood Polystyrene Plywood and sheep thigh bones were drilled with the designed control methods while current, voltage, power, force, feed rate and rotational speed data were recorded via constructed experimental setup. K-Nearest Neighbor and Ensemble Classifiers have been trained and tested with the recorded data. As a result of the tests, the best results were obtained using the Proportional-Integral and K-Nearest Neighbor Classifier without force signal that breakthrough drill bit detection performance is observed as 1,0179 mm and 0,0179 seconds.