Σχεδίαση και ανάπτυξη ηλεκτρονικής διάταξης ασύρματου εντοπισμού της ακριβούς θέσης ιατρικού οργάνου μέσα στο ανθρώπινο σώμα

Abstract

Position tracking of various medical instruments inside the human body is a process related with computer aided surgery (CAS) existence. Various conventional methods are used nowadays, but the most commonly used is x-ray imaging. In order to overcome the disadvantages that conventional methods appear to have, alternative position tracking methods were studied. This thesis addresses the design, experimental development and measurement of the quality characteristics of a system which operates under the theory of phase shift analogy to displacement between a transmitter and a receiver or multiple receivers, in addition to basic phase locked loop principles. The system was designed and simulated using design and simulation software application. Next, a prototype experimental system was developed. With this setup’s assistance the system one and two dimensional performance was evaluated, defining the transmitter’s position in reference with the fixed located receiver or receivers. The transmitter’s displacement was studied with constant and linear increasing velocity as well. The experimental data were analyzed with curve fitting (LOWESS) and Lomb-Scargle periodogram methods in order to validate accuracy and precision qualitative characteristics. At the same time, system error analysis was performed, as far as accelerated displacement concerns. Transmitter position tracking was studied using free space non-anechoic environment, saline water solution and inside a container enclosed with animal tissues as transmission medium.

Ο προσδιορισμός της θέσης των διαφόρων ιατρικών οργάνων μέσα στο σώμα αποτελεί μία διαδικασία η οποία είναι συνυφασμένη με την ύπαρξη της επεμβατικής χειρουργικής με τη χρήση υπολογιστών (CAS: Computer aided surgery). Διάφορες συμβατικές μέθοδοι μπορεί να χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή, αλλά ο πλέον συχνά χρησιμοποιούμενος είναι η συνεχής ακτινογράφηση με τη χρήση ακτίνων-X. Προκειμένου να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι διάφορες συμβατικές μέθοδοι, μελετήθηκαν εναλλακτικές μέθοδοι προσδιορισμού θέσης ιατρικών οργάνων. Η διατριβή αυτή πραγματεύεται τη σχεδίαση, πειραματική υλοποίηση και μέτρηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών ενός συστήματος το οποίο λειτουργεί με βάση την αναγωγή της μετατόπισης φάσης σε μεταβολή απόστασης, μεταξύ ενός πομπού κι ενός ή περισσότερων δεκτών, καθώς και βασικές αρχές των βρόχων κλειδωμένης φάσης. Το σύστημα σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε με τη χρήση λογισμικού σχεδίασης και προσομοίωσης. Στη συνέχεια υλοποιήθηκε ένα πρωτότυπο πειραματικό σύστημα. Με τη διάταξη αυτή αξιολογήθηκε η απόδοση του συστήματος σε μία και δύο διαστάσεις, προσδιορίζοντας τη θέση του πομπού σε σχέση με τον ακίνητο ή τους ακίνητους δέκτες. Η κίνηση του πομπού μελετήθηκε με σταθερή ταχύτητα, αλλά και με γραμμικά αυξανόμενη ταχύτητα. Τα πειραματικά δεδομένα επεξεργάστηκαν με τη μέθοδο συνταιριασμού καμπύλης (LOWESS) καθώς και του περιοδογράμματος Lomb-Scargle, προκειμένου να αξιολογηθούν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της ακρίβειας και της πιστότητας του συστήματος. Ταυτόχρονα, πραγματοποιήθηκε και ανάλυση σφαλμάτων όσον αφορά την ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση του πομπού, με την οποία επιβεβαιώθηκε ο εντός των επιτρεπτών ορίων καθορισμός της τιμής της επιτάχυνσης του πομπού. Ο προσδιορισμός της θέσης του πομπού μελετήθηκε κατά την κίνησή του στον αέρα και σε συνθήκες μη ανηχοϊκού περιβάλλοντος, καθώς επίσης μέσα σε διάλυμα φυσικολογικού ορού καθώς και εντός δοχείου περικλειώμενου από ζωϊκούς ιστούς.