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Tesi etd-11142012-180923


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
BASSANI, GIULIA
URN
etd-11142012-180923
Title
Real-time pose detection for medical magnetic devices
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Commissione
tutor Valdastri, Pietro
relatore Prof. Landi, Alberto
relatore Prof.ssa Menciassi, Arianna
Parole chiave
  • localization
  • endoscopic capsule
  • minimally invasive surgery
Data inizio appello
04/12/2012;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
04/12/2052
Riassunto analitico
Lo scopo della mia tesi è la localizzazione in tempo reale di un dispositivo magnetico medicale utilizzabile per differenti scopi, tra i quali: l’esplorazione del tratto gastrointestinale o la palpazione di tessuti per eventuale diagnosi di anomalie, il rilascio mirato di farmaci o addirittura operazioni chirurgiche.<br>I potenziali benefici clinici di questo progetto sono molti, dato che questi robot, oltre al modulo sensoristico necessario per la localizzazione, possono trasportare telecamere, retrattori o strumenti chirurgici bimanuali.<br>Visto che il device può essere inserito nel corpo attraverso orifizi naturali, nel caso ad esempio dell’ispezione del tratto gastro-intestinale o tramite piccole incisioni, nel caso di applicazioni addominali, questi dispositivi possono ridurre o eliminare il bisogno di effettuare le grandi incisioni tipiche della chirurgia aperta, dando la possibilità di avere esami diagnostici privi di dolore e operazioni chirurgiche con un ridotto o addirittura nullo, recupero post-operatorio.<br>Abbiamo scelto di utilizzare l’attuazione magnetica dati i suoi numerosi vantaggi: possibilità di manovrare il dispositivo all’interno del corpo senza la necessità di un punto di vista diretto e viste le forze in gioco non c’è il pericolo di danneggiare i tessuti. Inoltre, avendo scelto di utilizzare i magneti permanenti le dimensioni sono ridotte al minimo dato che non è necessario avere sorgenti di energia a bordo e in questo modo si ha a disposizione un maggiore spazio per eventuali altre componenti.<br>La piattaforma che abbiamo utilizzato è composta da un braccio robotico antropomorfo (RV-6SDL Mitsubishi Electric, Japan) a sei gradi di libertà con il quale l’utente può muovere a suo piacimento, attraverso un’apposita interfaccia, il magnete permanente esterno montato sul robot come end-effector. <br>Grazie al link magnetico tra quest’ultimo e il magnete permanente posizionato al centro del dispositivo, i movimenti dell’utente vengono trasmessi alla capsula endoscopica, la quale può essere posizionata con estrema accuratezza nel punto in cui è necessario intervenire.<br>Questo è possibile grazie al modulo sensoristico montato in modo opportuno a bordo del dispositivo e composto da sei sensori magnetici ad effetto Hall (CYP15A) e da un sensore inerziale, l’accelerometro tri-assiale (LIS331AL), utilizzato come inclinometro.<br>Grazie ai dati provenienti da questi sensori e ad un modello analitico del campo magnetico, ho creato un algoritmo in grado di fornire la localizzazione in tempo reale a sei gradi di libertà (3D posizione e 3D orientamento) del dispositivo, che permetterà l’implementazione di un controllo a ciclo chiuso a basso livello.<br>I sensori occupandosi della conversione dei parametri fisici, il campo magnetico del magnete esterno nel caso dei sensori magnetici e l’inclinazione rispetto al vettore gravità nel caso dell’accelerometro, in segnali digitali, si trovano al primo stadio della catena di acquisizione dei dati.<br>Secondariamente si hanno i circuiti di condizionamento del segnale, necessari per il filtraggio e l’adattamento dei segnali rilevati alla successiva conversione analogico/digitale, effettuata dalla scheda di acquisizione dei segnali (NI USB 6211).<br>Nella prima fase del lavoro ho preso dimestichezza con i sensori, studiando il loro comportamento e ho creato i circuiti di condizionamento per l’accelerometro e per i sensori di campo magnetici.<br>Questo mi ha permesso di acquistare confidenza con la strumentazione da banco, quali: saldatore di precisione, oscilloscopio, alimentatore, tester...<br>Successivamente ho imparato ad usare la scheda di acquisizione ed ho creato i programmi in Visual Studio, utilizzando il linguaggio C++, per acquisire i dati che poi ho elaborato in Matlab.<br>Proprio in quest’ultimo software ho creato l’algoritmo con il quale, grazie ai dati rilevati dall’accelerometro ho ricavato due angoli di rotazione, attorno agli assi x e y mentre dai sensori magnetici ho rilevato la posizione a tre gradi di libertà e l’angolo attorno all’asse z, che per motivi fisici non può essere ricavato dalle output dell’accelerometro.<br>I semplici dati rilevati dai sensori però non sono sufficienti per ottenere le output desiderate, di fondamentale importanza è il modello di campo magnetico creato nel software ANSYS Maxwell versione 15.0, programma che permette di effettuare simulazioni elettromagnetiche grazie a metodi di analisi agli elementi finiti. <br>Grazie a questo programma ho estrapolato le mappe di valori di campo magnetico che confrontate con i dati ricavati dai sensori magnetici permette di ricavare le incognite suddette.<br>Durante il lavoro ho anche migliorato le mie capacità di utilizzo di pro/Engineer, modellatore CAD tridimensionale parametrico, che ho utilizzato per la progettazione della capsula, della quale ho realizzato diversi design, durante lo studio del miglior posizionamento dei sensori magnetici.<br>Per effettuare un confronto affidabile tra i design progettati ho creato, con il programma proprio del robot, RT ToolBox, un test standard per l’acquisizione dei dati, durante il quale il robot si muove in una matrice tridimensionale cubica di punti sopra la capsula fissata sul banco di lavoro, in modo da lavorare inizialmente solo sui 3 gradi di libertà di posizione.<br>Dopo la selezione del miglior design ho effettuato un test nel quale la capsula non ha più un’orientazione fissa, ma è montata su un giroscopio in modo tale da includere nell’algoritmo anche le output dell’accelerometro e ottenere così la completa localizzazione a sei gradi di libertà.<br>
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