Beyin biyopsisinde kullanılacak bir medikal robot manipülatör sisteminin geliştirilmesi
Development of a medical robot manipulator system to be utilized in brain biopsy
Yazar: DİDEM GÜZİN
Danışman: DOÇ. DR. ERKİN GEZGİN
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde beyin cerrahisi alanında gerçekleştirilen operasyonlar, ağırlıklı olarak klasik cerrahi yöntemler ve ekipmanlarla yapılmaktadır. Gelişen teknolojiyle birlikte, ilgili literatürde sistemlerin robotizasyonu ile ilgili çalışmalara rastlansa da, uygulamalarda esas olarak endüstriyel otomasyon için tasarlanmış konvansiyonel seri robot manipülatörler kullanılmaktadır. Bu nedenle literatürde, kinematik yapısı robotik beyin cerrahisi operasyonları için özelleşmiş, kafatası çalışma uzayına uygun, gerekli operasyon hassasiyetine sahip robot manipülatör tasarımlarının eksikliği göze çarpmaktadır.
Bu noktadan yola çıkarak tez kapsamında, kinematik yapısı beyin operasyonlarında cerrahi ekipmanın hizalanması için özel olarak oluşturulmuş iki serbestlik dereceli bir küresel paralel robot manipülatörün ön prototip performansının değerlendirilerek, operasyon verimliliği, sistem güvenilirliği, çalışma hacmi kısıtları ve üretim kolaylığı açısından tasarımının geliştirilmesi ve iyileştirilmesi hedeflenmiştir. İlk ve nihai prototipin dinamik modellenmesi paralel yapılar için Lagrange yönteminden yararlanarak gerçekleştirilmiş, teorik hesaplamalar sonucunda insan kafatasından bir kemik flebi çıkartmak (kraniyotomi) gibi belirlenen bir vaka çalışması için gerekli eyleyici tork grafikleri elde edilmiştir. Sonuçlar simülasyon ortamlarından elde edilen tork değerleriyle karşılaştırılmış, grafiklerin örtüştüğü gözlemlenmiş ve dinamik yaklaşımın doğruluğu kanıtlanmıştır. Elde edilen eyleci açı fonksiyonları sistemin geliştirilmiş ve üretimi tamamlanmış prototipine de beslenerek ön kontrol çalışmaları yürütülmüş, grafikler karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
Nowadays, the most of the brain surgery operations are performed with classical surgical methodologies and equipments. Although, there are lots of  studies on robotization of the brain surgery systems in the relevant literature, conventional serial robot manipulators which designed mainly for industrial automation are still used in type of applications. Thus it can be clearly seen that, there exist lack of robot manipulators that are specifically designed for brain surgery applications, have necessary precision requirements and workspace constraints.
In light of this, it is aimed to develop  a spherical parallel robot manipulator which its kinematic structure was designed for positioning of surgical tools in brain surgery operations, in terms of operation efficiency, system reliability, working volume constraints and ease of production. Dynamic modeling of the first and final prototype has been carried out using Lagrange method for parallel structures theoretically, and required torque graphs of the actuators have been obtained for a case study such as removing a bone flap from a human skull (craniotomy). Results have been compared with torque values obtained from simulation environment, the accuracy of the dynamic approach has been proven. Same trajectory has been fed to each prototype to verify the system reliability and results have been compared with each other. At the end of the study, the pre-control studies of the system has been carried out and the graphics have been discussed comparatively.