Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/15567
Title: Design And Control Of A Laparoscopic Surgery Device
Other Titles: Laparoskopik Cerrâhi Alet Tasarımı Ve Kontrolü
Authors: Koç, İlker Murat
Çerçi, Nurettin
10125046
Mekatronik Mühendisliği
Mechatronics Engineering
Keywords: Laparoskopik Cerrahi Alet
Laparsocopic Surgery Device
Issue Date: 19-Sep-2016
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Bu tez, cerrahi operasyonlarda kullanılan ve tutucu mekanizmasına sahip, açısal açılma-kapanma mekanizmasına sahip bir laparoskopi aletinin, dokuya zarar vermeden cerrahi operasyon yapılabilmesini sa˘glamayı amaçlamı¸stır. Tutulan dokunun hangi organda oldu˘guna göre de˘gi¸siklik gösteren bir kuvvet limiti öngörerek, cerrahı da yormadan ve cerrah da dahil olmak üzere ortama herhangi bir zorluk çıkarmadan gerçekle¸stirilmesi amaçlanmı¸stır. Öngörülen kuvvet limitleri daha önceki çalı¸samalardan elde edilen bilgilerden 1-3 Newton aralı˘gıdır. Bu demektir ki, 3 Newtonun üzerindeki durumda dokuda zedelenme, yaralanma veya daha kötü bir durum olu¸sturabilir. ˙Ilk olarak minimal invaziv cerrahide kullanılan geleneksel laparoskopi aleti irdelenerek, mekanizma yapısı ve kuvvet mertebeleri, hem analitik hem de deney ortamında gerçeklenmi¸s ve %13 e varan hatalar elde edilmi¸stir. Bu hata oranı biraz fazla olsa da karakterisik açıdan bir sıkıntı gözlemlenmemi¸stir. Analitik analizler için bazı hesaplamalar ya˘gılmı¸sıtr. Ayrıca laparoskopi aleti bütün parçalarına ayrılarak gerekli ölçüler alınmı¸stır. Bu hesaplamalar deneysel düzene˘gin yanında bilgisayar ortamında da incelenerek laparoskopi aletinin yapısı eyleyici eklenmeden incelenmi¸stir. ˙Inceleme hem matematik denklemlerle hem de animasyonla incelenerek bütün hesaplar birbirleriyle örtü¸stürülmü¸stür. Bu a¸samanın önemi büyüktür, daha sonra özel eyleyicimizi ekledikten sonra herhangi bir düzensizlikle kar¸sıla¸smak do˘gru olmaz. Deney düzene˘ginde ¸saftın hareketi için bir do˘grusal motor kullanılmı¸s ve bu da çene açıklı˘gını ve kuvvet mertebelerini bize do˘gru biçimde verebilmi¸stir. Yayların do˘grusal olmasıyla bu durum kolayca sa˘glanıp sistem kuvvet durumu ve konum durumları elde edilmi¸stir. Cerrahın fazla yorulmaması ve tutucu kuvvetinin kontrolü için geleneksel laparoskopi aletinin bir eyleyici ile kontrolü gerekmektedir. Bu dizaynda kullanılacak olan eyleyici ¸sekil hafızalı ala¸sımdır. Bu ¸sekil hafızalı ala¸sım denilen malzeme belirli ko¸sullarda ısıya maruz kalınca hafızasındaki ¸sekline dönen özel bir malzemedir. Burada kullanılacak olan bu malzeme, ala¸sım, Dynalloy firmasından temin edilen Flexinol R malzemesidir. Bu ala¸sım günden düne daha da ön plana çıkan bir malzemedir. Süperelastisite özelli˘ginden dolayı kolayca ¸sekil verilebilen ve belli ısı altında hafızasındaki ¸sekle geri dönebilen ve özellikle mikro yapıdaki robotik çalı¸smalarda ön plana çıkmaktadir. Bu malzemenin düzgün çalı¸sması için kar¸sıt bir kuvvete ihtiyaç vardır. Bunun nedeni ise, malzemenin tek taraflı olarak daralma karakteristi˘gi göstermesidir. Bu ¸sekil hafızalı ala¸sımla birlikte kullanılan yay, laparoskopik aletin ¸saftı yerine yerle¸stirilmi¸stir. Geleneksel laparoskopi aletlerinin kaldıraç mekanizması veya basit mekanizmaların aksine, ¸sekil hafızalı ala¸sımla tasarlanan bu eyleyici, cerrahın el yorgulu˘gunu ortadan kaldırır. Ayrıca cerrahın konforunu biraz artırır. Bunun nedeni mekanik güç yerine elektrik devreleri ve kontrol kartları kullanılmı¸stır. 15mmye varana küçük çizikler (ameliyatın yapılaca˘gı hasta vücudundaki noktalar) dü¸sünüld˘günde, laparoskopi aletinin ¸saftı 15 mmyi geçmemelidir. Ayrıca standart bir laparoskopi aletinin ¸saft uzunlupu 300mm oldu˘gundan dolayı, ¸saftın içine yerle¸stirilen eyleyiciyle beraber ¸saft toplam 300 mmyi geçmemelidir. Bütün bunların yanında cerrah için aletin tutulan kısmı da ergonomik olmalıdır. Elektrik devreleri ve kontrol kartlarının bulundu˘gu bu kısım tamamen topraklanmı¸s olmalı ve cerrahı herhangi bir elektriksel güçle rahatsız etmemelidir. Ayrıca elektrik devreler için kullanılacak güç tutma kısmını fazla ısıtmamalı ve sistemi besleyen elektrik güçü fazla olmamalıdır. Tabi bu durum elektrik kaçaklarının da önüne geçmede etkili olacaktır veya riski azaltacaktır. Bu laparoskopi aletinin tutucu kuvveti söylendi˘gi gibi belli limitlere göre belirlenmeli ve tutucu kuvveti istenen seviyede bir kuvvetle kontrol edilmelidir. Belli kuvvet de˘geri için sistem iki tip kontrolcü ile kontrol edilmi¸stir. Bu kontrolcüler ise, PID (Proportional-Integral-Derivative) kontrolcü ve SMC (Sliding Mode Controller)’dir. Bu kontrol esnasında belirlenen tutucu kuvvet aslında ¸sekil hafızalı ala¸sımın daralma ve gev¸seme esnasındaki haeketleri ile elde edilen kıuvvetin kontrolü demektir. Yani, ¸sekil hafızalı ala¸sımın üstündeki kuvveti kontrol ederek tutucu kuvvetini belli seviyeler altında tutarak dokuyu tutma i¸slemi gerçeklenmi¸stir. Kuvveti ölçme i¸slemi ise, laparoskopik aletin tutucu kısmının çenesinin altına yerle¸stirilen bir yük hücresi yardımıyla ölçülmü¸stür. Laparoskopi aletini tanıma a¸samasında da aynı ¸sekilde bir yük hücresi kullanılmı¸stır, bu da ¸saftın geri kısmına yerle¸stirilerek çene kısmıyla arasında kuvvet ili¸skileri de sistemi tanımaya yardımcı olmu¸stur. Çene kısmındaki kuvveti direk olarak ölçülemeyece˘gi için, do˘grusal bir yay çene ile yük hücresi arasına yerle¸stirilmi¸s ve bu yayın da karakterizasyonu yapılarak tutucu kuvveti ölçülmü¸stür. Bu kontrol eklemeleri sisteme uygulandıktan sonra tutucu kuvveti çok az hataya varan sonuçlarle kontrol edilmi¸stir. Kontrol gerçek zamanlı olarak Labview üzerinden kontrol edilmi¸stir. Labview ortamı ¸sekil hafızalı ala¸sımları süren, sürücü devresine ba˘glıdır. Bu sürücü devre de ¸sekil hafızalı ala¸sımı yük olaral algılayıp çalı¸saca˘gı aralıkta elektrik akımı, güç, sa˘glayarak ısınma i¸slemini gerçekle¸stirir. Bu ¸sekilde de laparoskopi aletinin açılması/kapanması sa˘glanmı¸stır. Isınma i¸slemi en fazla 3.2 amper akım de˘gerleriyle sa˘glanmı¸stır. Bunun üzerindeki de˘gerlerde ¸sekil hafızalı ala¸sımın kimyasal yapısına zarar gelebilir ve bir daha istedi˘gimiz gibi çalı¸smayabilir. Bu da akımı sınırlanmı¸s bir güç kayna˘gına ihtiyaç oldu˘gunu gösterir. Isı verim i¸slemi normalde uzun sürerken burada 1 saniye süresinden daha az bir sürede çene kısmı kapanabilmekte veya istenilen kuvvet kısa bir sürede kontrol edilebilmektedir. Kapalı çevrim sonuçları için %3.34 yüzde a¸sım ve sıfır hata ile tutucu kuvveti kontrol elde edilmi¸stir. Bütün bunlara ilave olarak so˘gutma da sistemin çalı¸smasını etkilemi¸stir. Isınma esnasında sistem hızlı olsa da ¸sekil hafızalı ala¸sımın s˘guması oldukça yava¸stır. Bunun iyile¸sti˘gi açıkça görülmü¸stür. Yüzde a¸sımı azaltmı¸s ve sistemin oturma zamanını dü¸sürmü¸stür. Yani so˘gutma iyi derecede bir iyile¸stirme sa˘glamı¸stır. So˘gutma i¸slemi ise normalde karbondioksit gazı ile sa˘glanır. Bu karbondioksit gazı basıncı ayarlanabilir bir ¸sekilde, laparoskopik aletin ¸saft kısmından hastanın karın bölgesine enjekte edilebilir. Dokunsal hissiyatın olmaması ve kısıtlı alan içerisinde gerçekle¸stirilen ameliyat neticesinde doku üzerindeki tutma, kesme, dikme vb. gibi i¸slemler dokuad zarar açabilir. Hem bunun önünen geçmek için hem de dokunma hissinin tamamen verilebilmesi geli¸stirilmesi gereken bir durumdur. Bu çalı¸sma sırasında tutucu kuvveti dolaylı olarak ölçülmü¸stür. Bu durumun önüne geçmek için çeneye dokunsal bir algılayıcı yerle¸stirilmelidir. Bu algılayıcı da direk olarak dokunun temas etti˘gi çenenin iç kısmında olmalı ve do˘grudan doku üzerinden kuvvet de˘gerleri vermelidir.
This thesis focuses on grasping mechanism in laparoscopic surgery where an excessive grasper force can lead to an unnecessary harm to tissue. The dynamics of grasping mechanism of a conventional laparoscopic grasper is investigated analytically and experimentally. Relative error values are obtained up to %13. In this design a Nickel-Titanium based shape memory alloy actuator is used. Shape memory alloys (SMAs) are alloys, which can remember their original shape. In this thesis, SMA wire that is provided from Dynalloy, is used. This actuator is composed of a shape memory alloy wire and a linear antogonistic spring. The actuator is integrated to laparoscopic tool, instead of the conventional tool’s shaft. Unlike conventional laparoscopic tools which are generally based on lever mechanism or other mechanical simple machine mechanisms, SMA actuated devices reduces surgeon’s hand fatigue and by achieving this, it improves surgeon’s comfort during operation due to electrical actuation system compared to manual mechanical actuation. Considering the small incisions up to 15 mm, the tool’s shaft diameter must be no larger than 15 mm. Actuation mechanism is based on SMA wire which must be no longer than 300 mm. The tool’s handle must be ergonomic. Due to containing electrical parts, the tool must not shock the patient and the surgeon. Additionally, voltage and current level must be as minimum as possible in electronic parts. These will lead to a surgical tool with lower power usage and lower harm risk. The grasper force is controlled through the actuator by different controllers where structure of the controller effects are examined. Force control of shape memory alloy actuator allows a force limit. This means grasper force can be controlled with no harm on the tissue. This actuator is controlling the grasping force with a PID and a SMC controller. Closed-loop dynamics of the grasper mechanism is achieved with %3.34 overshoot and zero steady state error with SMC controller. Cooling procedure is applied to actuator where the response time of the actuator greatly improves, steady-state error goes to zero.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
URI: http://hdl.handle.net/11527/15567
Appears in Collections:Mekatronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10125046.pdf32.69 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.