Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/10528
Title: Κατασκευή και έλεγχος ρομποτικής πλατφόρμας για χειρουργικές λαπαροσκοπικές επεμβάσεις
Other Titles: Design and control of a robotic platform for laparoscopic surgical interventions
Authors: Ευαγγελίου, Νικόλαος
Keywords: Ρομποτική χειρουργική
Ελάχιστα επεμβατική χειρουργική
Ρομποτικοί βραχίονες
Απτική ανάδραση
Υπολογιστική όραση
Ρομποτική θωρακοχειρουργική
Ρομποτική λαπαροσκοπική χειρουργική
Δομοστοιχείωτο ρομπότ
Μορφομνήμονα κράματα
Υπερεύκαμπτο ρομπότ
Keywords (translated): Robotic surgery
Surgical robot
Redundant robots
Overactuated robots
Shape memory alloys
Thoracic surgery
Robotic laparoscopy
Haptic feedback
Visual servoing
Modular robot
Abstract: Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την κατασκευή και τον έλεγχο καινοτόμων ρομποτικών συστημάτων με στόχο την εφαρμογή τους σε ελάχιστα επεμβατικές, ρομποτικά υποβοηθούμενες, χειρουργικές επεμβάσεις. Τα συστήματα που κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό φέρουν πληθώρα καινοτόμων χαρακτηριστικών με τα βασικότερα να αποτελούν τους αυξημένους βαθμούς ελευθερίας σε σχέση με υπάρχοντα εμπορικά συστήματα, τη δομοστοιχειωτή φύση, τη φορητότητα, την εύκολη αλλαγή χειρουργικών εργαλείων, το χαμηλό κόστος, καθώς και το ανοιχτού πηγαίου κώδικα υποστηρικτικό λογισμικό τους. Ειδικότερα, τα υλοποιηθέντα ρομποτικά συστήματα αποτελούνται από έξω-επεμβατικούς βαθμούς ελευθερίας που επιτρέπουν την εισχώρηση στην χειρουργική κοιλότητα και έσω-επεμβατικούς βαθμούς ελευθερίας, ώστε να καθοδηγηθούν μικροσκοπικά ιατρικά εργαλεία στο σημείο ενδιαφέροντος. Η κατασκευή έγινε με μεθόδους ταχείας προτυποποίησης και με παραμετρικά εκφρασμένα δομικά χαρακτηριστικά, οδηγώντας σε δομοστοιχειωτού χαρακτήρα ρομπότ. Ένας σημαντικός παράγοντας που συντελεί στην επίτευξη των ανωτέρω καινοτομιών είναι η χρήση μορφομνήμονων κραμάτων νικελίου-τιτανίου για την ενεργοποίηση των αρθρώσεων των έσω-επεμβατικών βαθμών ελευθερίας. Τα κράματα αυτά, παρά τη δυσκολία στον έλεγχό τους, δίνουν την δυνατότητα να μειωθεί αισθητά το βάρος των κατασκευών, ενώ παράλληλα εγγυώνται βιοσυμβατότητα και μελλοντική πιθανή χρήση σε περιβάλλον μαγνητικού τομογράφου. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που υλοποιήθηκαν για την οδήγηση των βαθμών ελευθερίας ενσωματώνονται στο ρομπότ και επιτρέπουν την ανάδραση θέσης από τους προαναφερθέντες ενεργοποιητές. Στο άκρο των ρομποτικών βραχιόνων τοποθετείται, πέραν του κατ' επιλογή χειρουργικού εξοπλισμού, στερεοσκοπική κάμερα και φωτισμός, ώστε να είναι εφικτή η οπτικοποίηση σε μικρή απόσταση του σημείου αλληλεπίδρασης με τον ιστό. Η κύρια επέκταση της συγκεκριμένης δομής είναι ότι δεν απαιτείται πλέον η χρήση δεύτερης οπής για εισχώρηση ενδοσκοπίου, πράγμα πολύ σημαντικό για τον χρόνο αποκατάστασης και τη χρονική διάρκεια των χειρουργικών επεμβάσεων. Ο έλεγχος των ρομποτικών συστημάτων γίνεται με χρήση κατάλληλων εύκολα επεκτάσιμων αλγορίθμων, ενώ παράλληλα έχει αναπτυχθεί κατάλληλο λογισμικό εκμάθησης, οπτικοποίησης της θέσης και προ-εγχειρητικής καταχώρησης επιθυμητών θέσεων. Ο χειρισμός των συστημάτων γίνεται με χρήση συσκευών απτικής ανάδρασης. Τα συστήματα αξιολογούνται τόσο όσον αφορά την αυτονομία τους, όσο και σε κλασικά ενδοσκοπικά πειράματα, ώστε να είναι δυνατή η εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με την λειτουργικότητά και την δυνατότητα κλινικής εφαρμογής τους.
Abstract (translated): This dissertation presents the development and control of innovative robotic systems, aiming at applications of minimally invasive robotic-assisted surgical operations. The developed systems bear many innovative features, including the additional degrees of freedom compared to commercial systems, the modular design, the mobility, the easiness in surgical instrumentation change, the low cost and the open-source supportive software. Specifically, the developed robotic systems consist of extraoperative degrees of freedom allowing the insertion to the operating cavity, as well as intraoperative degrees of freedom allowing to move micro-medical instrumentation towards the point of interest. The construction was done using rapid prototyping techniques in a parametric manner, which justifies the modular nature of the developed robots. An important factor contributing to the feasibility of the innovative features is the use of shape memory alloy actuators for the actuation of the intraoperative degrees of freedom. These alloys, despite the difficulties they pose in terms of control, allow to rapidly decrease the weight of the structures, while providing biocompatibility and potential future use in an MRI environment. Electronics are embedded into the robot structure and allow for stroke feedback from the actuators. At the distal tip of the robotic systems an additional stereoscopic camera, as well as LED illumination are fitted, so as to closely visualize the tissue interaction point. The main attribute of the architecture is the lack of need for a second insertion port for endoscopic instrumentation, leading to faster recovery times and faster surgical operations. The control of the robotic systems is done using proper modular algorithms. A supportive training software has been developed, allowing also to visualize the robot and use preoperative planning techniques. The manipulation of the instrumentation is done using haptic devices specifically designed for surgical operations. The systems are evaluated regarding their autonomy, as well as in endoscopic experiments, so as to reach conclusions regarding their functionality and potential clinical use.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Evangeliou(ele).pdf12.54 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons