مدل¬سازي نيروي برش در براده¬برداري از استخوان به صورت زمان واقعي و پياده¬سازی در محيط مجازي بر پايه المانهاي

تعداد 205صفحه  درword

دكتري تخصصي (Ph.D)

رشته مكانيك گرايش طراحي كاربردي

مدل­سازي نيروي برش در براده­برداري از استخوان به صورت زمان واقعي

و پياده­سازی در محيط مجازي بر پايه المانهاي حجمي

چكيده

در اين رساله يك مدل جامع مكانيكي برای محاسبه نيروهاي وارده به ابزار فرز در جراحی استخوان و به منظور استفاده در يک شبيه­ساز هپتيکی ارائه شده است. اين مدل نيرويي بر اساس مکانيک فرآيند براده­برداری مايل از استخوان و استفاده از تئوری مرچنت در تخمين نيروی براده­برداری پايه­گذاری شده است. در به دست آوردن مدل نيرويي، تيغه­های ابزار به يك سري المان­هاي كوچك تقسيم شده و در هر المان­ فرض فرآيند ماشين­كاري مايل در نظر گرفته شده است. سپس نيروهای ديفرانسيلی وارد بر هر المان با استفاده از ضرايبی به ضخامت براده استخوان در محل المان نسبت داده شده است. در پايان برای به دست آوردن نيروی کل وارده به ابزار، از تمام جزء نيروهای ديفرانسيلی روی محدوده درگيري ابزار با استخوان انتگرال­گيري شده است. پارامترهای اصلی ماشينکاری شامل هندسه ابزار و تيغه­های آن، ميزان پيشروی ابزار، سرعت دوران ابزار و محدوده درگيری ابزار با استخوان در اين مدل نيرويي وارد شده­اند. همچنين خواص مکانيکی استخوان(تنش برشی بيشينه) به صورت غير همگن در مدل نيرويي وارد شده است. مدل مكانيكي ارائه شده توسط يك مجموعه آزمايش براده برداري از استخوان واقعي و با كمك گرفتن از يك بازوي مكانيكي ماهر، مجهز به يك حسگر نيرو در كارگير آن، راستي آزمايي شده است. سپس از مدل نيرويي ارائه شده به صورت زمان واقعی در يک شبيه­ساز هپتيکی جراحی استخوان و در محاسبه نيروی وارده به دست کاربر در زمان براده­برداری استفاده شده است. به اين منظور مدل نيرويي، بر پايه المانهاي حجمي(Voxels)  و به صورت گسسته­ بيان شده است. گسسته­سازي مدل محاسبه نيرو بر پايه المانهاي حجمي به سه دليل عمده مورد توجه قرار گرفته است. اول آنكه در هنگام براده برداري از استخوان، حجم استخوان در حال كاهش يافتن است و استفاده از مدل حجمي در شبيه­سازي بهتر از استفاده از يك مدل سطحي است. دوم آنكه استخوان يك ماده غيرهمگن است و با به كار بردن يك مدل حجمي مي­توان خواص نقاط مختلف حجم را در الگوريتم محاسبه نيرو وارد كرد. و نهايتاً دليل سوم گسسته­سازي بر پايه المانهاي حجمي، تسهيل استفاده مستقيم از عكس­هاي CT و يا MRI‌ است كه اساساً ساختار حجمي دارند. به اين ترتيب الگوريتم محاسبه نيرو در اين رساله، مدل استخوان­هاي بدن را مي­تواند با دقت بسيار بالا از عكسهاي CT‌ و MRI‌ به صورت مستقيم و با اعمال تغييرات اندك دريافت كند. در ادامه برای پياده‌سازي مدل گسسته­ به دست آمده در حلقه هپتيكي يک شبيه­ساز جراحی، الگوريتم­های تشخيص برخورد و پاسخ به برخورد مقتضی ارائه شده است. در الگوريتم تشخيص برخورد بين ابزار و استخوان از يک تکنيک جستجوی سريع با نام  Hashingاستفاده شده است. در پياده­سازی شبيه­ساز هپتيکی جراحی استخوان و آزمايشات انجام شده از ربات هپتيكيPHANToM OMNI  ساخت شركت SensAble  استفاده شده است. ربات به عنوان رابط بين کاربر و محيط مجازي، نيروهاي براده­برداري مجازي را به دست او انتقال می­دهد. در اين شبيه­سازی مدل گرافيكي استخوان و همچنين كم شدن حجم استخوان در زمان براده­برداری با استفاده از تكنيك 3D-Texure-Mapping به صورت زمان­واقعي به كاربر نمايش داده شده است. در نهايت از ده پزشك متخصص جراحی استخوان جهت ارزيابي سيستم شبيه­ساز هپتيکی كمك گرفته شده است. جراحان ارزيابي خود را با ارائه امتيازاتي به نيروهاي اعمالي به دستشان بيان کرده و نظرات اصلاحي خود را در مورد سيستم شبيه­ساز طرح نمودند.