Keratokonus Hastalığında Uygulanan Ccl Tedavisi İçin Görüntü İşleme Temelli Otomatik Bir Servomekanizma Sisteminin Tasarımı Ve Kontrolü

Abstract

Keratoconus korneanın zaman içinde sivrileşmesi ve incelmesiyle oluşan ciddi bir göz hastalığıdır. Yeryüzünde 2000 kişiden biri Keratoconus hastası olmaktadır. Keratoconus hastaları için farklı tedavi seçenekleri bulunmaktadır. Bu tedaviler (ICR, Sert-Yumuşak lensler, PRK) hastalığın ilerleyişini durmamakta, sadece hastanın Keratoconus yüzünden bozulan görüşünü düzeltmeye çalışılmaktadır. Corneal Cross-Linking (Korneal Çapraz-Bağlama, CCL) tedavisi hastalığın ilerleyişini durduran yegâne seçenektir. Bu operasyon günümüzde geliştirilmeye devam edilmekte ve başarısı birçok cerrah ve bilim adamları tarafından arttırılmaya çalışılmaktadır. CCL tedavisinin başarısında Riboflavin ve UVA ışını çok önemli iki faktördür. Operasyon iki otuz dakikalık aşamadan oluşmaktadır. İlk yarım saatlik aşamada göze üç dakika aralıklarla Riboflavin damlatılmaktadır. İkinci aşamada Riboflavin üç dakika aralıkla damlatılmaya devam edilmekte buna ek olarak göze UVA ışını uygulanmaktadır. Güncel tedavideki eksiklik ışının göze uygulanması aşamasında oluşmaktadır. Işın kaynağı sabit bir şekilde konumlandırılmakta ve hastaya ışının içine bakması söylenilmektedir. Fakat gerek uzun tedavi süresi gerekse dış etkenler (ışık, ses gibi) hastanın dikkatinin dağılmasına ve gözünü oynatmasına yol açmaktadır. Operatör bu göz hareketlerini el ile ışını veya hastanın baş konumunu tekrar konumlandırarak ışının istenilen bölgeye tekrar düşmesini sağlamaktadır. Bu düzeltmeler operatörün iş yükünü arttırmasının yanında operatörün de geniş süre içerisinde dikkatinin zayıfladığı ve düzeltmelerin yavaş kaldığı görülmektedir. Göz hareketleri sebebiyle ışın gözün istenmeyen noktalarına uygulanarak sağlıklı hücrelere zarar vermekte ve ışının uygulanması gereken noktaya uygulanmamasından dolayı tedavinin etkisi azalmış olmaktadır. UVA ışınının uygulanmasının tedavinin başarısında en büyük etken olması sebebiyle göz hareketlerinden kaynaklanan hataları ortadan kaldıracak bir sistemin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen sistem, elektronik, mekanik ve programlama tekniklerinin birleşimi olan bir projedir. Gözün konumunu belirlemek için görüntü işleme kullanılmıştır. Görüntü işleme için OpenCV kütüphanesinden yararlanılmıştır. Kullanıcı arabirimi C# programlama dilindedir fakat OpenCV C++ dili için geliştirilmiştir. OpenCV kütüphanesini C# dilinde kullanabilmek için OpenCVSharp çeviricisi kullanılmıştır. OpenCVSharp yardımıyla oluşturulan algoritma ile gözün konumu belirlendikten sonra geliştirilen protokol yardımıyla bilgi PIC kontrolcüsüne seri iletişi yolu aktarılmıştır. PIC kontrolcüsü bünyesinde barındırdığı PID algoritması ile konum bilgisi kullanılarak PWM dalgaları hesaplanmış ve bu dalgalarla iki DC motor sürülmüştür. Bu motorlar iki platforma bağlanmış ve bu platformların hareketleri ile X ve Y düzlemindeki düzeltmeler yapılmıştır. Geliştirilen seri iletişim protokolü konum bilgisini transferinin dışında, PID kontrolcü kazançlarının ayarlanması, sistemin operatörün istediği şekilde yönlendirilmesi, sistemin simülasyon ayarlarına geçirilmesini de sağlamaktadır. Sistemin performansı sistem tanımlama ve PID kontrolcüsü tasarım teknikleriyle geliştirilmiştir. Sistem bünyesinde farklı aktarma elemanları barındırması ve bu elemanlarım matematik modellemesinin daha zor olacağının düşünülmesinden dolayı, sistem giriş çıkış ilişkisine dayanılarak gerçeklenmeye çalışılmıştır. Sistem rastgele girişlerle sürülmüş ve çıkış verileri ölçülmüştür. Bu bilgiler ışığında ARX algoritması ile sistemin transfer fonksiyonu elde edilmeye çalışılmıştır. Sistemin mertebesini ve en uygun modeli belirlemek amacıyla farklı yaklaşımlar ve mertebeler denenmekle birlikte sisteme ikinci dereceden yaklaşmak uygun bulunuştur. Yaklaşılan sistem gerçek sisteme %87 oranlarında uyumludur. Kaynaklanan hata sistemin fiziksel eksikliğinden kaynaklanmaktadır ve bu tezde detaylandırılmıştır. ARX algoritmasıyla elde edilen transfer fonksiyonu ayrık PID kontrolcüsünün tasarımında kullanılmıştır. Kontrolcü tasarımında köklerin yeri dolayısıyla sistemin kazanç ile kararlı hale getirilebileceği gözlenmiş. Daha sonra PID kontrolcüsü en kısa düzeltme zamanı ve en fazla %10 aşma olacak şekilde ayarlanmıştır. Sistem gerekli onay alınmadıkça ve sıkı test prosedürleri gerçekleştirilmediği sürece yasal olarak insan üzerinde test edilememektedir. Bu sebeple sistemin performansı bir göz modeli ile test edilmiştir. Göz farklı hata ile konumlandırılmış ve sistemin tepkisi ölçülmüştür. Bu tepkiler PID kontrolcüsünün son ayarlarının yapılmasında yol gösterici olmuştur. Sistem son kontrolcü ayarlarıyla test edilmiş ve bu test süreci video olarak kaydedilmiştir. Deneylerin sonuçları danışman doktorlarla tartışılmış ve sonuçların başarılı olduğu sonucuna varılmıştır. Bilgisayar kontrollü bu sistemin CCL operasyonunun başarısında önemli bir etki yapacağı düşünülmekte ve bunun yanı sıra operatörün çalışma yükünü azalacağı öngörülmektedir. Bugüne kadar CCL operasyonu üzerinde yapılan tüm çalışmalar, insan faktörünü göz ardı etmiştir. Bu çalışma, operasyon sonuçlarının tutarlılığını arttıracağı için gelecek refraktif çalışmalara önemli katkılarda bulunacaktır. Bu tezde, mekanik, elektronik sistemler ve geliştirilen programlar açıklanacak. Sistemin tanımlanması ve ayarlanması süreci detaylandırılarak sistemin kullanılabilirliği test edilecektir.

Keratoconus is a serious illness of the cornea, which usually bilateral and progresses over time. In general population 1 in 2000 people is a Keratoconus patient. There are many treatment option for Keratoconus patients. Most of these solutions are for improving patient’s vision. None of these techniques stops the progression of Keratoconus except Corneal Cross-Linking surgery. CCL surgery is the unique solution for Keratoconus patients. The method of CCL operation is still improving and many surgeons try to improve success of the operation. The regular CCL treatment has two fundamental elements, which are riboflavin and UVA irradiation. The operation has two 30 minutes periods. In first 30 minutes period the Riboflavin drops applied to the cornea in every 3 minutes. It is also continued in the second 30 minutes period. In addition, the UVA irradiation source is applied in this second part. The deficiency of the regular CCL treatment occurs on applying the UVA source. The UVA source is stable, it is asked to the patients to look directly inside of the source but because of the long treatment period and external disturbances such as light or sounds, patients lose their concentrations. Therefore, the laser source is applied to the sclera (white part of the eye). The UVA source damages the healthy cells in sclera. Application of UVA irradiation has direct effect on the success of the treatment. These movements decrease the success of the treatment. Hence, a computer-controlled system is designed to compensate errors. The automated system is a mixture of electronic, mechanic and programming skills. OpenCV library is used for detection of the eye position. This position data is send with serial communication to the PIC controller. The PIC controller has PID algorithm inside, with these algorithm motors are driven by PWM pulses calculated in PID controller. Motors are attached to platforms which can move in X and Y axes. With these movements, errors are compensated. The performance of the system is tuned by system identification and PID controller design techniques. There are many mechanical components are used such as motors, shafts, screw and nuts. Mathematical modeling these elements would decrease the accuracy of the simulation process. Thus, the characteristic of the system is obtained by input-output relation. The system is driven by randomly generated inputs and outputs were measured. With ARX algorithm, an estimation is made for obtaining the transfer function of the system. The obtained transfer function is used in MATLAB for tuning the discrete PID controller. This system can not be directly experimented on human eye without proper approval and certification. Thus, the system is tested with an eye pattern in order to obtain the performance. The results of experiments were discussed with medical advisors. The medical consultants found the results satisfying. The computer-controlled system for CCL operation would make significant improvement on the treatment and the system would reduce the workload of the operator. Moreover, none of the studies on Keratoconus has taken the human factor into consideration. This device would make improvement on accuracy of the future refractive surgery studies. In this thesis, the design of the mechanic, electronic and software will be explained. Identification and calibration processes of the system will be detailed and the usability of the system will be introduced.