Bir tümör protezi uzatma modülünün tasarımı, analizi ve zeki kontrolü
Design, analysis and intelligent control of a tumor prosthesis extension module
Yazar: SITKI KOCAOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN AKDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Diz protezi = Knee prosthesis ; Yapay zeka = Artificial intelligence

Özet:
Günümüzde uzatılabilir protez kullanan kemik kanseri hastaları yaşa bağlı olarak büyümeleri devam ettiği sürece uzuv uzunluk farkının belirlenmesi ve gerektiğinde uzatma işleminin yapılması için sık sık kliniğe gitmek zorundadırlar. Bu durum, hastanın günlük hayatını zorlaştırmanın yanı sıra hekim iş yükünün artması, hastanın her ölçümde radyasyona maruz kalması, uzatma işleminin belirli periyotlarda yapılmasından kaynaklı olarak daha büyük boyutta yapılması, buna bağlı olarak hasta konforunun düşmesi ve hekim iş yükünün artması gibi sorunları beraberinde getirmektedir. Bu çalışmada, bahsedilen sorunların ortadan kaldırılması için uzama ihtiyacını donanım ve zeki kontrol yapısı sayesinde belirleyen ve buna uygun olarak uzayabilen bir biyomekatronik tümör protezi geliştirilmiştir. Hastanın sağlıklı uzvu ile protezli uzuv arasındaki uzunluk farkının belirlenebilmesi için bir giyilebilir sensör tasarlanmıştır. Sistem bileşenleri prototip olarak üretilmiş, deney düzeneği oluşturulmuş ve sistemin kullanımı esnasında ortaya çıkabilecek sorunların ve bunlara yönelik çözüm yöntemlerinin belirlenmesi için hata modu ve etkileri analizi yapılmıştır. Uzatma işleminin güvenle yapılabilmesi için makine öğrenmesi kullanarak hasta postür durumu kestirimi yapılmıştır. Tasarlanan protezin simülasyon ortamında mekanik analizi yapılmış, prototipi üretilmiş, kablosuz haberleşme ve kontrol sistemi oluşturularak deney düzeneği üzerinde performansı test edilmiştir. Sağlıklı uzuv ile protezli uzuv arasında oluşacak 1mm ve üzerindeki uzunluk farkları sistem tarafından algılanabilmiş, karşılaşılabilecek maksimum yumuşak doku direnci karşısında protez uzatma işlemi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Nowadays, bone cancer patients using expandable prostheses have to go to the clinic frequently to determine the limb length and to perform the extension if necessary, as long as their age-based growth lasts. This situation brings along problems such as increased physician workload, the patient's exposure to radiation at each measurement, a larger rate of extension due to the long interval period between each extension and thus reducing patient comfort as well as making the daily life of the patient difficult. In this study, a biomechatronic tumor prosthesis which is able to determine the need for elongation by means of its hardware and intelligent control structure was developed to eliminate the aforementioned problems. A wearable sensor has been designed to determine the length difference between the patient's healthy limb and the prosthetic limb. The system components are manufactured as prototypes, an experimental setup was established and error mode and effects analysis was performed to determine the problems that may occur during the use of the system and the solution methods for them. The patient posture status was estimated by using machine learning in order to perform the extension process safely. Mechanical analysis of the designed prosthesis has been performed in the simulation environment, the prototype of the prosthesis has been produced, wireless communication and control system have been created and the performance of the system has been tested on the experimental setup. Limb length discrepancies of 1mm and above between the healthy limb and the limb with a prosthesis were able to be detected by the system, and prosthesis extension procedure was successfully performed against the maximum soft tissue resistance to be possibly encountered.