Ηλεκτρονική συσκευή στοχεύσεως για την ακριβή χωροταξική τοποθέτηση του μοσχεύματος στην πλαστική του προσθίου χιαστού συνδέσμου

Abstract

Aim: The aim of the current project is the construction of an electronic device that would help the surgeon to drill a bone with accuracy, regardless of his abilities in this area and reducing the time taken for this procedure as well. Materials-Method: Drilling a bone which is held steady in space is bounded by the selection of an entry point A and an exit point B. This is feasible with the aid of a mechanical tool equipped with accelerometer and magnetic sensors interfaced to a micro-controller. The micro-controller represents the processing power available as well as the interconnecting possibilities, so the right choice is of vital importance. It will be necessary to interconnect to the accelerometer sensors, the magnetic sensor and the Liquid Crystal Display (LCD). Also, serial interconnection to a Personal Computer (PC) is important, but the execution of filter algorithms is the most power consuming task. The size of the Printed Circuit Board (PCB) and of the housing have been minimized as they will be mounted on the mechanical tool and the drill. The housing of the main board was not necessary at this experimental stage. The tool software deals with sensor data and transfers them to the drill software. The drill software deals with sensor data, interfacing of the LCD and printing to it. It also receives data from the toll software. The data collection software converts hexadecimal data to decimal, for further processing with the aid of MATLAB software. The output of the sensors contain unwanted signals (noise) that needs to be removed, so that the reading can be useful. This is achieved with digital filters. Results: The values of X1, X2 and Y1, Y2 show the deviation from the horizontal and vertical axis respectively, while the values Radius-1 and Radius-2 show the deviation as a radius from the centre of the desired output point until the centre of the real drilling. The drilling results in each case show a mean value less that 1mm for X1 and X2, while for Y! and Y2 the mean is 1.64mm approximately. The mean for R1 and R2 are very close to 2mm. Conclusions: The use of the proposed device produced significant improvement in drilling accuracy compared to the available Computer Aided Surgery (CAS) electronic tools. Visual representation is lacking though in comparison, a fact that slightly increases the drilling time and also generates a need for some kind of familiarization.

Σκοπός: Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η κατασκευή μιας ηλεκτρονικής συσκευής που θα βοηθήσει το χειρουργό να διατρήσει το οστούν με ακρίβεια, ανεξάρτητα από τις δεξιότητες του, μειώνοντας ταυτόχρονα και το χρόνο που χρειάζεται μια τέτοια διαδικασία. Υλικό-Μέθοδος: Η διάτρηση ενός οστού σταθερά τοποθετημένου στο χώρο οριοθετείται με επιλογή σημείου εισόδου Α και σημείου εξόδου Β και είναι δυνατή με τη βοήθεια μηχανικού εργαλείου με κατάλληλους αισθητήρες μαγνητικούς και επιτάχυνσης, που συνδέονται με μικροελεγκτές. Ο μικροελεγκτής αντιπροσωπεύει την διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ καθώς και τις δυνατότητες διασύνδεσης, γι’ αυτό και είναι πολύ σημαντική η σωστή επιλογή του. Οι εργασίες που θα χρειαστεί να εκτελέσει είναι η διασύνδεση με τους αισθητήρες επιτάχυνσης, τον μαγνητικό αισθητήρα και την οθόνη υγρών κρυστάλλων. Η σειριακή διασύνδεση με προσωπικό υπολογιστή και υπολογισμός των ψηφιακών φίλτρων είναι και η πιο απαιτητική εργασία όσον αφορά την υπολογιστική ισχύ. Το μέγεθος της πλακέτας-κουτί έχει να ελαχιστοποιηθεί δεδομένου ότι στηρίζεται πάνω στο μηχανικό εργαλείο και στο δράπανο. Η χρήση προστατευτικού κουτιού δεν κρίθηκε αναγκαία στην πειραματική αυτή φάση της συσκευής. Το λογισμικό εργαλείου χειρίζεται τα δεδομένα από τους αισθητήρες και αναλαμβάνει να τα μεταφέρει στο λογισμικό του δράπανου. Το λογισμικό δράπανου χειρίζεται τα δεδομένα από τους αισθητήρες και επικοινωνεί με την οθόνη για την απεικόνησή τους. Επίσης λαμβάνει τα δεδομένα από το λογισμικό εργλείου. Το λογισμικό συλλογής δεδομένων μετατρέπει πραγματικά δεδομένα από τους αισθητήρες που βρίσκονται σε δεκαεξαδική μορφή, σε δεκαδική για περεταίρω επεξεργασία με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB. Η έξοδος του αισθητήρα εκτός από το επιθυμητό σήμα περιέχει και ανεπιθύμητες συνιστώσες, οι οποίες πρέπει να αφαιρεθούν για να μπορεί η ένδειξη του αισθητήρα να είναι χρήσιμη και ουσιώδης και επιτυγχάνεται με τη χρήση ψηφιακού φίλτρου. Αποτελέσματα: Οι τιμές X1, Χ2 και Υ1, Υ2 δείχνουν την απόκλιση από τον οριζόντιο και κάθετο άξονα αντίστοιχα, ενώ οι τιμές Radius-1, Radius-2 δείχνουν την απόκλιση σαν ακτίνα από το κέντρο του επιθυμητού σημείου εξόδου μέχρι το κέντρο της πραγματικής διάτρησης. Τα αποτελέσματα των διατρήσεων σε κάθε μία από τις δύο ομάδες δοκιμίων παρουσιάζουν μέσο όρο για τις μετρήσεις Χ1, Χ2 μικρότερο από 1mm, για τις Y1, Y2 περίπου 1.64mm, ενώ για τις R1, R2 πολύ κοντά στα 2mm. Συμπεράσματα. Η χρήση της προτεινόμενης συσκευής είχε ως αποτέλεσμα την αισθητά μεγαλύτερη ακρίβεια διάτρησης σε σχέση με τα υπάρχοντα ηλεκτρονικά βοηθήματα CAS. Η οπτική όμως απεικόνιση υστερεί σε σχέση με αυτά, γεγονός που αυξάνει ελαφρά το χρόνο της διάτρησης, αλλά απαιτεί επίσης και κάποια μικρή εξοικείωση από το χρήστη.