Πύλη Βιοϊατρικής Τεχνολογίας

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο - Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Ερευνητικά έργα

Προχωρημένη Έρευνα σε Απτικές και Εξομοιωτικές Τεχνολογίες για Περιβάλλοντα Ιατρικών Επεμβάσεων

Περιοχή έρευνας: Απτικοί Μηχανισμοί – Εκπαιδευτικοί Εξομοιωτές Ιατρικών Επεμβάσεων

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός του ερευνητικού έργου είναι η προχωρημένη έρευνα στους τομείς της απτικής τεχνολογίας, εικονικής πραγματικότητας, τεχνολογίας εξομοιωτών, γραφικών και συστημάτων αυτόματου ελέγχου και η εφαρμογή τους στην Ιατρική σε μάκρο και μίκρο επίπεδο.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Ευάγγελος Παπαδόπουλος – Αναπλ. Καθηγητής

Συμμετέχοντες:

·        Ευάγγελος Παπαδόπουλος – Αναπλ. Καθηγητής

·        Νικόλαος Κρικέλης – Καθηγητής

·        Κώστας Βλάχος – Μεταδιδάκτορας Ερευνητής

·        Γεώργιος Ρεκλείτης – Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Υ.Δ. ΕΜΠ

·        Φιλοκτήμων Ρεπούλιας – Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Υ.Δ. ΕΜΠ

·        Διονύσιος Μητρόπουλος – Αναπλ. Καθηγητής Ιατρικής Σχολής, ΕΚΠΑ

·        Πέτρος Δούναβης – Υ.Δ. Ιατρικής Σχολής, ΕΚΠΑ

Φορέας του έργου: Ε.Μ.Π.

Χρηματοδότης: Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ. ΙΙ

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου: 01/03/04 – 01/08/06, 30 μήνες

Μεθοδολογία: Η μεθοδολογία της συγκεκριμένης έρευνας επικεντρώνεται στην α) ανάπτυξη μεθόδων ελαχιστοποίησης αδράνειας και τριβής σε απτικούς μηχανισμούς, β) δημιουργία γρήγορων και αξιόπιστων μοντέλων δυνάμεων αλληλεπίδρασης, γ) ανάπτυξη λογισμικού πιστής γραφικής απεικόνισης παθολογιών, ανθρώπινης ανατομίας και επεμβάσεων, δ) καθορισμό κριτηρίων και μεθόδων αξιολόγησης εκπαιδευόμενων σε εξομοιωτή, ε) μελέτη βέλτιστων τρόπων διασύνδεσης των δομικών στοιχείων εξομοιωτών, στ) ανάπτυξη εξελιγμένων αλγόριθμων ελέγχου, ζ) έρευνα στην κατεύθυνση της σύνδεσης απτικών τεχνολογιών και βιοτεχνολογιών.

Αποτελέσματα:

Πρέπει να σημειωθεί ότι το συγκεκριμένο ερευνητικό έργο ολοκληρώνεται τον Αύγουστο 2006. Τα μέχρι σήμερα αποτελέσματα είναι τα παρακάτω.

Μελέτη και ανάπτυξη μεθόδων ελαχιστοποίησης της αδράνειας και της τριβής σε απτικούς μηχανισμούς. Με στόχο την ελαχιστοποίηση της δυναμικής της απτικής διεπαφής, χρησιμοποιήθηκε αλγόριθμος βελτιστοποίησης πολλών μεταβλητών. Ορίσθηκε αντικειμενική συνάρτηση, η οποία περιγράφει όλες τις παρασιτικές ροπές/δυνάμεις που σχετίζονται με την δυναμική του μηχανισμού, έτσι όπως εμφανίζονται από την πλευρά του χρήστη. Η αντικειμενική συνάρτηση ελαχιστοποιήθηκε ικανοποιώντας ταυτόχρονα έναν αριθμό από κινηματικούς και κατασκευαστικούς περιορισμούς. Το αποτέλεσμα της βελτιστοποίησης έδωσε α) τα βέλτιστα μήκη των ράβδων του μηχανισμού και β) τη βέλτιστη θέση της βάσης του μηχανισμού σε σχέση με την επιθυμητή τροχιά του τελικού σημείου δράσης του.

Εφαρμόζοντας τη μεθοδολογία βελτιστοποίησης που περιγράψαμε παραπάνω, καταλήξαμε στις βέλτιστες τιμές διαφόρων παραμέτρων και σύμφωνα με αυτές, κατασκευάσαμε έναν νέο απτικό μηχανισμό ανάδρασης δυνάμεων.

Αναπτύχθηκε λογισμικό γραφικής απεικόνισης των ιστών και των εσωτερικών οργάνων καθώς και την παραμόρφωση τους, λόγω της αλληλεπίδρασής τους με το χειρουργικό εργαλείο. Χρησιμοποιήθηκαν καμπύλες Bezier, λόγω των πλεονεκτημάτων τους σε εφαρμογές γραφικής απεικόνισης πραγματικού χρόνου

Επίσης κατασκευάσθηκε μοντέλο δυνάμεων σύμφωνα με το οποίο υπολογίζονται οι δυνάμεις και ροπές που αναπτύσσονται λόγω των επιβαλλόμενων από το ενδοσκόπιο εικονικών παραμορφώσεων. Το μοντέλο αποτελείται από δυνάμεις αντίστασης, που δρουν στο επίπεδο συμμετρίας του ασθενή, και τρεις ροπές, που δρουν γύρω από τους άξονες. Οι δυνάμεις αντίστασης είναι οι προβολές, στους άξονες του επιπέδου συμμετρίας του ασθενή, της συνολικής δύναμης αντίστασης, που δρα παράλληλα στον άξονα του ενδοσκοπίου.

Σχεδιάσθηκε σύστημα ελέγχου ανοιχτού και κλειστού βρόχου έτσι ώστε ο χρήστης να δέχεται τις δυνάμεις που θα δεχόταν κατά την διάρκεια της πραγματικής επέμβασης. Οι εντολές ελέγχου προς τους ενισχυτές είναι τάσεις, οι οποίες υπολογίζονται από τις δυνάμεις και ροπές που δίνει το μοντέλο παραμόρφωσης ιστών και εξαρτώνται από τη θέση και την ταχύτητα του ιατρικού εργαλείου.

Δημοσιεύσεις:

1.Vlachos, K., Papadopoulos, E., and Mitropoulos, D., “Mass/Inertia and Joint Friction Minimization for a Low-force Five-dof Haptic Device,” Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’04), April 26 – May 1, 2004, New Orleans, Louisiana.

2.Papadopoulos, E., Tsamis, A., and Vlachos, K., “A Real-Time Graphic Environment for a Urological Operation Training Simulator,” Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’04), April 26 – May 1, 2004, New Orleans, Louisiana.

3.Vlachos, K., and Papadopoulos, E., “Endpoint-Side Optimization of a Five Degree-of-Freedom Haptic Mechanism,” Proc. IEEE 13th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED'05), June 27 – 29, 2005, Limassol, Cyprus.

4.Βλάχος, Κ., Παπαδόπουλος, Ευ., “Σχεδιασμός και Έλεγχος Εκπαιδευτικού Εξομοιωτή Ουρολογικών Επεμβάσεων,” 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Μηχανολόγων-Ηλεκτρολόγων, Μάρτιος 28 – 30, 2005, Αθήνα.

Μυοηλεκτρικά Οδηγούμενο Εξωσκελετικό Σύστημα Υποβοήθησης της Άρθρωσης του Ώμου για Ασθενείς με κινητικές δυσλειτουργίες

Περιοχή έρευνας: Μυοηλεκτρικά Οδηγούμενα Εξωσκελετικά Συστήματα

Περιεχόμενο & σκοπός της έρευνας: Σκοπός της έρευνας είναι η κατασκευή ενός εξωσκελετού, δηλαδή ενός μηχανισμού που θα προσαρμόζεται εξωτερικά στο άνω άκρο ενός ασθενούς και : α) θα μπορεί να ακολουθεί όσο το δυνατόν πιστότερα και σε επαρκές εύρος τις κινήσεις του άνω άκρου, β) θα φέρει επενεργητές οι οποίοι θα μπορούν να τον οδηγήσουν στην εκτέλεση της επιθυμητής κίνησης, γ) θα φέρει κύκλωμα παροχής ισχύος (πηγή και ηλεκτρονικά ελέγχου) για την τροφοδοσία των επενεργητών, δ) θα φέρει δίκτυο επιφανειακών μυοηλεκτρικών αισθητήρων παρακολούθησης της δραστηριότητας των μυών του ώμου, ε) θα φέρει κύκλωμα λήψης και επεξεργασίας του σήματος των προαναφερθέντων αισθητήρων το οποίο θα μεταφράζει τη δραστηριότητα των μυών σε σήμα ελέγχου της ισχύος προς τους επενεργητές του εξωσκελετού.

Επιστημονικός Υπεύθυνος: Ευάγγελος Γ. Παπαδόπουλος – Αναπλ. Καθηγητής

Συμμετέχοντες:

·        Ευάγγελος Γ. Παπαδόπουλος – Αναπλ. Καθηγητής

·        Κούστας Ν. Γεώργιος– Διπλ. Μηχ. Μηχανικός, Μεταπτυχ. Φοιτ.

·        Πατσιάνης Γεώργιος– Προπτυχ. Φοιτ. Μηχ. Μηχανικών

Φορέας του έργου:

Χρηματοδότης:

Έναρξη – Λήξη, Διάρκεια έργου:

Μεθοδολογία:

Μελέτη του μυοηλεκτρικού σήματος και ανάπτυξη συστήματος κατάλληλου για τη λήψη και επεξεργασία του. Χρησιμοποίηση του σήματος επαρκούς αριθμού μυών για την ερμηνεία της επιθυμητής κίνησης του ώμου. Μελέτη της ανατομίας του άνω άκρου και ανάλυση της κινηματικής του για την κατασκευή κατάλληλου εξωσκελετού, εξοπλισμένου με επενεργητές. Ανάπτυξη του υποσυστήματος ισχύος των επενεργητών. Χρήση του μυοηλεκτρικού σήματος για την οδήγηση των επενεργητών του εξωσκελετού.

Αποτελέσματα:

Τα μέχρι στιγμής έχουν γίνει τα εξής

·        Σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο κατάλληλο κύκλωμα για τη λήψη και επεξεργασία του μυοηλεκτρικού σήματος. Με χρήση του κυκλώματος αυτού και ενός αισθητήρα δύναμης πραγματοποιήθηκαν πειράματα ταυτόχρονης καταγραφής του μυοηλεκτρικού σήματος ενός μυός (μέσος δελτοειδής) και της δύναμης που ασκεί. Αποδείχθηκε έτσι πειραματικά ότι το πλάτος του επεξεργασμένου μυοηλεκτρικού σήματος είναι ανάλογο της ασκούμενης από το μυ δύναμης.

·        Έχει επιτευχθεί η χρησιμοποίηση του μυοηλεκτρικού σήματος δύο ανταγωνιστικών μυών (π.χ. δικέφαλος – τρικέφαλος βραχιόνιος) για την αναλογική οδήγηση ενός κινητήρα και προς τις δύο κατευθύνσεις περιστροφής.

Δημοσιεύσεις: αναμένονται