عنوان

مدل‌سازی کنترل نیروی کاتتر در محیط دینامیک قلب

شماره

‭۱۵۱۸۰پ‬

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

مدل‌سازی کنترل نیروی کاتتر در محیط دینامیک قلب

نام نخستين پديدآور

/مینو کوه‌سلطانی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

: مهندسی برق و کامیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

، ‮‭۱۳۹۵‬

متن يادداشت

چاپی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکترا

نظم درجات

مهندسی برق گرایش کنترل

زمان اعطا مدرک

‮‭۱۳۹۵/۰۴/۲۰‬

کسي که مدرک را اعطا کرده

تبریز

متن يادداشت

پیاده‌صسازی رباتیکی جراحی‌صصهای با حداقل آسیب، رویکردی نو در جهت افزایش میزان موفقیت و کاهش عوارض ناشی از جراحی‌ص‍ بر روی بیمار و خود جراح می‌صباشد .تحقق این هدف مستلزم مدل-سازی و کنترل دقیق همزمان ابزار پزشکی و سیستم رباتیکی و هماهنگی آن با تمامی واسطصهای جانبی سیستم است .اولین گام در کنترل سیستم‌صهای مکانیکی مدل‌صسازی مناسب این سیستم‌صها است .یک مدل مناسب از دیدگاه کنترلی مدلی است که علاوه بر دقت کافی در توصیف سیستم، ویژگی‌صهای لازم برای قابل اعمال بودن با روش‌صهای کنترلی زمان-حقیقی را داشته باشد .کاتتر به عنوان کلاس خاصی از ربات‌صهای انعطاف‌صپذیر طبقه‌صبندی می‌صشود و برای کنترل آن نیاز به تنظیم همزمان موقعیت و نیرو می‌صباشد تا بتوان نیروی ثابتی را برای مدت مشخصی بر روی بافت مورد نظر قلبی وارد نمود .ساختار ویژه کاتترها و همچنین فضای محدود کاتترگذاری سبب تحمیل محدودیت‌صهای زیادی از ناحیه سنجش کمیت‌صصهای مورد نظر می‌صگردد .برای غلبه بر این مشکل، نیاز به طراحی رویتگرها می‌صباشد .روش کنترلی ارائه شده در این رساله بر مبنای مدل‌صسازی استاتیکی کاتتر است .در این راستا، نیاز به توصیف سینماتیکی کاتتر، توصیف تغییر شکل کاتتر بر اثر بارهای خارجی با استفاده از قوانین تعادلی نیرو و ممان و بهره‌صگیری از قوانین سازنده برای برقراری رابطه بین نیرو و ممان و جابه‌صجایی‌صهای سینماتیکی می‌صباشد .مدل حاضر علاوه بر توصیف دقیق شکل سیستم، آن را برای کاربردهای کنترلی بهنگام مناسب می‌صسازد .از آنجاییکه مدل ارائه شده فرم بسته‌صای ندارد و پاسخ آن با استفاده از شرایط مرزی و مقادیر اولیه تعیین می‌صگردد، برای تامین هدف تعقیب مسیر بافت قلبی، کنترل‌صکننده‌صهای مبتنی بر ژاکوبین و پیش‌صبین غیرخطی طراحی گردیده‌صاند .کنترل‌صکننده مبتنی بر ژاکوبین نوک کاتتر را به صورت چند مرحله‌صای به موقعیت هدف می‌صرساند تا مانع از ایجاد اثرات دینامیکی- که در مدل شبه استاتیک صرفنظر گردیده- شود .مهم‌صترین مزیت این کنترل‌صکننده سادگی و در نتیجه توان بالای محاسباتی آن است که آن را به عنوان گزینه مناسبی برای به کارگیری در سیستم رباتیکی مطرح می‌صسازد .کنترل‌صکننده پیش‌صبین قادر است تا قیود کنترلی را به صورت مستقیم در نظر بگیرد .با استفاده از فرمول‌صبندی مجدد مدل شبه استاتیکی، پایداری کنترل‌صکننده با بهره‌صگیری از روش لیاپانوف ارزیابی گردیده است .کنترل نیروی تماسی مجری نهایی کاتتر به وسیله روش کنترل موقعیت حلقه داخلی صورت می‌صگیرد .در مقایسه با سایر روش‌صهای کنترل نیرو، این روش به خوبی می‌صتواند مسئله کنترل نیروی کاتتر را حل نماید .علت این امر این است که اغتشاش و مشکلات ذاتی سیستم) هیسترزیس ( در حلقه کنترل موقعیت جبران می‌صشوند و حلقه کنترل خارجی مسئله تنظیم نیرو را حل می‌صنماید .جهت کنترل نیرو نیاز به سنجش نیروی تماس با بافت هدف می‌صصباشد .اما به دلیل موانع موجود در ساخت سنسورها اعم از محدودیت در ابعاد اندازه‌صگیری نیرو، سازگاری با تصویربرداری تشدید مغناطیسی ، تداخل با عملکرد کاتتر، هزینه و... ، امکان دسترسی به سنسورهای مورد نیاز نمی‌صباشد .برای غلبه بر این مشکل، تخمین نیروی سه بعدی کاتتر بدون استفاده از سنسور نیرو در این رساله انجام گرفته است .تخمینگر پیشنهادی قادر است علاوه بر تخمین نیرو، سختی کاتتر را نیز که تابعی از مشخصات کاتتر و دمای محیط می‌صباشد، تخمین زند .مدل پیشنهادی مقاوم به نامعینی‌صهای محیطی است و دقت بالایی در تخمین نیروهایی در محدوده نیروهای وارد در ابلیشن دارد .کاتترهای قابل هدایت از طریق دستی آن‌صها توسط جراح کنترل می‌صگردند .سیستم رباتیکی جایگزین دست جراح برای جابه‌صجایی و هدایت کاتتر می‌صگردد تا جراح را از در معرض قرار گرفتن اشعه‌صهای زیانبار تصویربرداری حفظ نماید .برای تحقق اهداف کنترلی و سنجش نیروی تماس، نرم‌صافزار کنترلی طراحی شده تا به عنوان واسطی با تمامی دستگاه‌صهای جانبی عمل نماید .برای اعمال ورودی‌صهای کنترلی، نیاز به جبران دینامیک‌صهای ناخواسته سیستم از جمله هیسترزیس می‌صباشد که به صورت عملی محاسبه گردیده اند .در نهایت آزمایش‌صهایی به صورت اکس ویو انجام گرفته که نشان از قابلیت بالای روش‌صهای ارائه شده در کنترل سیستم را داراست

متن يادداشت

Robot-assisted minimally invasive surgery (RMIS) is a recent prevailing approach towards increasing success rate and reducing trauma of interventions compared to open surgeries. This requires thorough examination of various aspects including surgical tool modeling, tool and robotic system control, and coordinating all robotic system components and their interactions for experimental implemention. The first step in the mechanical system controller design is its efficient modeling. The two major principles considered in system modeling are its accuracy and time effieciency for real-time implementation. Steerable catheters are flexible tubes designed for cardiac arrhythmia treatment. Steerable catheter control requires both position and force control for applying consistent force on a targeted cardiac tissue. Specific structural features of catheter and confined surgical environment impose many limitations for contact force sensing of catheters. To tackle with this issue, observer design has been investigated. In this dissertation, a qusi-static model is proposed for catheter modeling. The accurate, yet computationally efficient modeling approach makes it appealing for real-time applications. On the other hand, since, there is no closed form solution to the exact model of the distal shaft, Jacobian-based and nonlinear model predictive controllers (NMPC) are introduced for catheter tip position tracking on the cardiac tissue. The Jacobian-based controller is designed to reach the targeted tissue in multisteps to prevent dynamic effects not considered in the model. The significant advantage of this approach is its simplicity, and therefore its low computational cost making it appropriate for incorporating in the robotic system control. NMPC satisfy the control input constraints directly taken into account in the controller design. Lyapunov-based stability analysis is conducted by reformulating the developed system model. The position control is performed in the inner control loop, where the force control is implemented in the outer loop, which yields disturbance and intrinsic mechanical constraints, for instance hysteresis, rejection in the inner loop. Force feedback is vital but remains to be one of the foremost challenges due to limitations in the number of force measurement axes, compatibility with MRI imaging, operation of the special-purpose end-effectors (e.g., cardiac ablation), cost, etc. To cope with these problems, three-dimensional cardiac ablation contact force estimation without using force sensors, as the first study, is proposed in this dissertation. For force estimation, adaptive Kalman filter and Cosserat rod model of the catheter are incorporated. The proposed estimator is capabable to provide stiffness estimation in addition to force estimation that is a function of structural specifications of the catheter and different environmental conditions, e.g., environmental temperature. The estimator is robust to modeling and measurement uncertainties and the results verify the viability of the introduced technique. Steerable catheters are usually manipulated manually by the interventions. The robotic system replaces the interventionalists hand which prevents exposure to the imaging ionizing radiation. To tackle with this issue, in this dissertation, an autonomous control platform is developed to steer the catheter and track the targeted tissue in addition to applying constant forces on it. Electromagnetic tracking sensors provide pose measurements of the required points. For catheter handle actuation, inadvertent system dynamics, e.g. hysteresis need to be compensated that are specified experimentally. Finally, ex vivo experiments have been conducted that represent the potential application of the introduced approaches in clinical experiments

مستند نام اشخاص تاييد نشده

کوه‌سلطانی، مینو

مستند نام اشخاص تاييد نشده

خان محمدی، سهراب، استاد راهنما

مستند نام اشخاص تاييد نشده

قالیچی، فرزان، استاد مشاور

مستند نام اشخاص تاييد نشده

جنابی شریفی، فرخ، استاد مشاور

يادداشت عمومي

سیاه و سفید

وضعیت فهرست نویسی

نمایه‌سازی قبلی