Hastaya spesifik terapi parametreleri bulanık mantık ile belirlenen gömülü ultrasonik terapi cihazı tasarımı ve üretimi
The design and construction of an embedded ultrasonic therapy device using fuzzy-logic based patient specific therapy parameters
Yazar: ALİ ERBAŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. FİKRET YALÇINKAYA
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enstrümantasyon = Instrumentation ; Gömülü sistemler = Embedded systems ; Ultrasonik tedavi = Ultrasonic therapy

Özet:
Bu çalışmada Endüstriyel-PC (IPC) ve PIC18F452 mikro-kontrolcüsü kullanılarak ultrasonik terapi cihazı tasarlanmış ve üretilmiştir. Hastaya has terapi parametreleri bulanık mantık yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Ultrasonik terapide, ultrason dalgasının gücünün belirlenmesinde etkili olan faktörlerden bazıları, hastanın yaşı, daha önce kaç seans ultrasonik terapi gördüğü, doku kalınlığı, kilosu, boyu, kan grubu, beslenme alışkanlıkları, hangi coğrafi bölgede yaşadığı ve cinsiyeti olarak sayılabilir. Bu başat parametrelerin sadece beşi bu tezde kullanılmıştır.Tasarlanan terapi cihazının geliştirilen yazılımı aracılığıyla, bu beş faktör tıbbi uzman tarafından sisteme ?input? olarak verilmekte ve terapi cihazı geliştirilen bulanık mantık kuralları yardımı ile gerekli ultrason parametrelerini ( sinyal gücü, sinyal görev oranı, sinyal frekansı ) belirlemektedir. 1 MHz ve 3 MHz frekansındaki ultrason dalgaların etkilediği sınır bölgelerine uygulanan terapinin etkinliğini artırmak için her iki frekanstaki ultrason dalgalarının sırayla uygulanması esasına dayanan Ultrasonik Mixed Effect terapisi de bir ihtiyaç olarak ortaya çıkmış ve incelenmeye değer bulunmuştur.Tasarlanan ultrasonik terapi cihazı iki ana bloktan oluşmaktadır; birinci blok, Endüstriyel-PC (IPC) tabanlı ana kontrol modülü ve ikincisi ise PIC18F452 mikro-kontrolör tabanlı ultrason sinyalini üreten görev modülüdür. Ana kontrol modülü veri girişlerini ve gösterimini, bulanık mantığın icrasını ve görev modülünün kontrol edilmesini sağlar. Görev modülü ise aldığı ?input? verilere göre ultrason sinyalini üretmektedir. Terapi cihazı 1MHz ve 3MHz frekansında özgün dalgalar üretebilmektedir. Bu sayede derin dokulara ultrason dalgalarının ulaşmasına imkan sağlamaktadır. Geliştirilen ve üretimi yapılan Ultrasonik terapi cihazı; taşınabilir, kullanıcı dostu ve güvenilir bir yapıya sahiptir.Tasarlanan ultrasonik terapi cihazının gerçek dokularda test edilmesi ilk aşamada sakıncalıdır. Bu nedenle cihaz testleri için gerçek dokular yerine, gerçek dokuların karakteristik özelliklerine sahip doku benzeri ortam [ Ultrasonik Fantom Malzeme (Ultrasonic Phantom Material)] geliştirilmiştir. Ultrasonik fantom malzemenin hazırlanması için yeni bir protokol geliştirilmiştir. Az yoğun ve çok yoğun olmak üzere iki farklı doku benzeri ortam hazırlanmıştır.Ultrasonik terapi cihazının az yoğun ve çok yoğun ortamlarda testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlerin sonucunda ortam yoğunluğunun ultrason dalgalarının dokular tarafından emilimini etkilediği gözlemlenmiştir. Hazırlanan çok yoğun ortamda, az yoğun ortama göre daha fazla sıcaklık artışı gözlemlenmiştir.Bulanık mantık kural tabanı oluşturulurken hastanın yaşı, daha önce kaç seans ultrasonik terapi gördüğü ve doku kalınlığı parametrelerine ek olarak vücut kitle indeksi parametresi de giriş parametresi olarak kullanılmıştır. Vücut kitle indeksi parametresi, hastanın yaşı ve ağırlığı kullanılarak hesaplanmaktadır.

Abstract:
An embedded ultrasonic therapy device has been designed and constructed by integrating an industrial PC (IPC) with a PIC18F452 microcontroller.Patient specific therapy parameters have been determined by using fuzzy-logic rules. In ultrasonic therapy, the parameters affecting the output power applied to the patient are as follows: the age of the patient, the number of times patient has taken ultrasonic therapy, patient?s tissue thickness, patient?s weight, patient?s height, patient?s blood group, patient?s nutritional habit, geographic region and patient?s sex. This thesis has only used four of the main parameters, which are patient?s age, the number of times patient has gone through ultrasonic therapy, patient?s tissue thickness, and body mass index which requires patient?s height and patient?s weight.Medical experts can input the four variables into the computerised system using the developed software. The medical instrument developed uses fuzzy-logic rules to decide the three main output signals which are the power of the signal, the percent of the duty-cycle and the signal frequency. Normal working frequencies are 1 MHz and 3 MHz. But there are regions where these two frequencies can not effectively reach, therefore a new concept has been developed and suggested which is named as Ultrasonic Mixed Effect. Ultrasonic mixed effect is supposed to be an alternative for the therapy of such regions but this thesis did not experimentally prove the concept.This ultrasonic therapy device consists of two main modules, the first is industrial PC (IPC) based main control module and the second is a microcontroller based duty module which produces ultrasonic signals. The Industrial PC (IPC) is used to input and store the data, display programs and messages, carry out fuzzy logic algorithms and controls of microcontroller based duty module. The microcontroller based duty module produces ultrasound signal for received ?input? data from IPC.The ultrasonic therapy device can produce 1 MHz and 3 MHz frequency of the specific waves. The ultrasonic therapy device is not only portable and user friendly but also has a reliable structure.It is not safe to experimentally test the ultrasonic device developed on real tissues and to a certain degree it is dangerous as well. Therefore it is mandatory to test the instrument with so-called phantom materials acting like real tissues. These phantom materials are showing the characteristic properties of real tissues. These phantom mediums are developed at home for sole purpose of experimental work. This thesis is suggesting a well developed protocol in preparation of such materials. Tissue-like phantom materials are two types: one is low-density tissue-like phantom medium and the other is high-density tissue-like phantom medium. All required experimental tests have successfully been done on these mediums accordingly. The carried out tests have proved that the density of the tested medium is affecting the absorption ability of the ultrasonic waves. It is observed that the temperature rise in high-density medium is higher than the temperature rise in low-density medium. In this thesis a new parameter has been included to the fuzzy-logic rule base which is body-mass index. Body-mass index is exclusively used by this thesis which combines two parameters, patient?s age and patient?s height.