Geri Dön

Optical and micromechanical design and characterization of a laser scanning capsule endoscope unit

Lazer taramalı kapsülü endoskop ünitesinin optik ve mikromekanik tasarımı ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 676384
  2. Yazar: İSRAA DHAHRAN SALAH ELDIN SALAHELDIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÜNAY BAŞAR, DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 56

Özet

Endoskopik prosedürler, sağlıksız doku oluşumlarını (polipler, ülserler, tümörler vb.) Teşhis etmeyi amaçlamaktadır. Endoskopi yapılacak hasta işlemden bir veya birkaç gün önce başlayarak diyete girer. Ayrıca, prosedür hasta için oldukça rahatsız edici olduğundan rahatsızlığı azaltmak için bir sakinleştirici verilir. Konvansiyonel endoskopi, kanser öncesi dokuların erken teşhisinde hayat kurtarıcı olsa da, tabii ki hasta için oldukça rahatsız edici bir işlemdir. Ayrıca özofagustan endoskopik bir işlem sadece duodenuma, anal kaviteden yapılan bir işlem ise ince bağırsağa kadar ulaşabilir. Bu nedenle tüm gastrointestinal (GI) sistemin tek endoskopik prosedürle görüntülenmesi mümkün değildir. Konvansiyonel endoskopinin hastaya getirdiği rahatsızlık, tüm GI yoluna ulaşmadaki sınırlamaları ile birlikte, kapsül veya hap endoskoplarının hızlı gelişimini kolaylaştırdı. Dahası, prosedür bir hap yutmak kadar rahattır, bu nedenle sakinleştirici gerekmez. Hasta konforundaki avantajları ve görüntülenebilen kanal uzunluğu ile kapsül endoskopların yakın gelecekte yaygınlaşması beklenmektedir. Çoğu kapsül endoskop, CMOS / CCD kameralar içerir ve katedilen yol boyunca görüntüler çeker. Görüntüler bir anten aracılığıyla dışarıya yayılır. Bununla birlikte, kameralarla yakalanan görüntüler yalnızca yüzeyle ilgili sınırlı bilgi sağlar ve hücresel düzeyde patolojik bilgilerin çıkarılamayacağı düşük çözünürlüğe sahiptir. Çözünürlüğü ve dokunun çoklu derinliklerini görüntülemeyi iyileştirme çabasıyla, MIT ve Mass General Hospital Araştırmacıları tarafından, dokunun çoklu derinliklerinde optik çözünürlüğü ve görüntü kalitesini iyileştirmek için görüntüleme yöntemi olarak optik koherens tomografiyi (OCT) kullanan bağlı kapsül endoskopları geliştirilmiştir. Yine de, GI yolunun dışındaki herhangi bir elektriksel veya optik bağlantı, erişilebilirlik açısından geleneksel endoskopinin dezavantajlarını miras alır. Bu çalışma, gastrointestinal sistem boyunca sınırsız erişim ile yüksek çözünürlüklü ve çok katmanlı görüntülemeye yönelik kablosuz bir kapsül endoskopu önermektedir. Önerilen cihaz, lazer taramalı konfokal görüntüleme kullanır. Işık göndermek ve almak için optik bileşenlerden (lazer, fotodiyot, yansıtıcı prizma, odaklama lensi) ve doku üzerindeki ışını taramak için aktüatörlerden (3D baskılı lens aktüatör ve mikro motor) oluşur. Dahası, kapsülü çalıştırmak ve sistemin farklı bölümlerinde operasyonu yürütmek için elektronik bileşenlerden (piller, entegre devre blokları) yararlanılır. Son olarak, elde edilen verileri alıcı birimine iletmek için uygun bir anten, kapsülün dışına yerleştirilir. Fotodiyotun mikrometrik (~ 100 μm x 100 μm) boyutu odak dışı ışığı reddetmek için bir iğne deliği görevi gördüğünden, konfokal görüntüleme işlemi sağlanır. 3D baskı teknolojisi, hızlı üretim kapasitesi (özellikle geliştirme aşamasında), orta özellik boyutu ve düşük maliyeti sayesinde aktüatör geliştirmeye çekici bir alternatif haline geldi. 3D yazıcılar, robotikte, optik fiberlerin ve aktüatörlerin imalatında parça ve bileşenlerin basılmasında yer aldı. Yüksek maliyetli ve hacimli makinelere bağlı kalmadan, 3D yazıcılar opto-tıbbi görüntüleme sistemlerinde kullanılmak üzere dinamik yapılar oluşturmak için çekici bir araç haline geliyor. Özellikle mikrosistemlerde ve mikroakışkanlarda, 3D yazıcılar büyük bir rol oynar. Daha önce de belirtildiği gibi, düşük maliyet ve hızlı üretim nedeniyle parçalar veya bazen tüm modeller 3D olarak yazdırılır. Seçici Lazer Sinterleme (SLS) ve Streolitografi (SLA) gibi farklı 3B baskı teknolojisi türleri vardır, sıvı reçineden sert nesneler oluşturmak için lazer ışını gibi radyasyon kaynaklarını kullanır. Bu yöntemler, yüksek çözünürlük ve temiz yüzey kalitesi gibi avantajlarla öne çıkıyor. Oysa, Fused-Deposition Modeling (FDM), daha az karmaşık baskı yöntemi ve daha ucuz cihaz parçaları nedeniyle piyasada en çok bulunan 3D baskı makinesidir. Bu cihaz ısıtma prensibine göre çalışır. Bir polimer filament, ABS (akrilonitril bütadien stiren) veya PLA (polilaktik asit), (200-220 ℃) derecelik nozüle sıvı halde verilir ve XY düzleminde hareket eden tablaya döküldükten sonra katılaşır. Cihazın hafıza katına yüklenen geometri şekli üzerinde basım gerçekleşir. Bu tezde, lazer taramalı kablosuz kapsül endoskop, gastrointestinal sistem boyunca farklı derinliklerden yüksek çözünürlüklü görüntüleme sağlamak için kullanılmasını önerdik. Önerilen cihaz, bir lazer ve bir fotodetektörü, bir 3D baskılı odak ayarlama aktüatörü, çevresel tarama için bir mikro motor ve enerji kaynağı için pillerden oluşan bir konfokal görüntüleme sağlar. Ayrıca, elde edilen verileri harici bir alıcı birimine iletmek için uyumlu bir anten ve tüm operasyonu yönetmek için bir entegre devre içerir. İTÜ Elektro-Optik Cihazlar Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen bu tezde, odak ayarlama aktüatörünün tasarımını, üretimini ve karakterizasyonunu gösteriyoruz. Aktüatör, elektromanyetik eyleme yoluyla odaklanmak için merkezinde bir mercek ve iki mıknatıs taşıyan spiral bir şekile sahiptir. Optimum performans için spiral uzunluğu ile lens boyutu arasındaki etkileşim araştırılır. Birden fazla derinliğe -farklı mesafelere- yerleştirilmiş hedeflerden veri elde etmek için lens aktüatörünü düşük bir güçle (~ 5mW) çalıştırmak için harici bir bobin kullanılır. Entegre devre ve anten tasarımı ile ilgili tartışma da sağlanmaktadır. Daha fazla geliştirme ile, önerilen cihaz klinik ortama uyarlanabilir. Çalışmanın sonunda, merceğe farklı mesafelerde yerleştirilmiş, farklı derinliklerdeki dokuları temsil eden farklı hedeflerden veri alabildik. Odak ayarlama aktüatörünün frekans tepkisi tarandı ve aktüatörün ilk modu deneysel olarak ve simülasyonlarla bulundu. Bobin, harici bir fonksiyon üreteci ile çalıştırıldı. Rrezonans frekansında (~23Hz'de) çalıştırarark, 100 μm yer değiştirme elde edildi. Bu yer değiştirme miktarı oldukça düşük olan yalnızca 1 mW güçle sağlandı. Ayrıca odak boyutu analiz edildi ve hesaplandı. Bu proje, TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) hibe No: 119E224 tarafından desteklenmekte olup, çalışma Mayıs 2021'de Sensors and Actuators A dergisi'ne sunulmuştur. Bu tezde üç farklı deney seti yaptık. ilki, 3D baskılı aktüatörün mekanik davranışının test edilmesiyle ilgiliydi. Önerilen 3 aktüatör tasarımının (360, 540 ve 720 derece) rezonans frekansını belirlemeyi hedefledik ve bunu harici bobini bir fonksiyon jeneratörüyle sürerek ve aktüatörün yer değiştirmesini ölçmek için uygulanan voltaj miktarını değiştirerek yaptık. İkinci deney grubu, deneylerde kullanılan lazer ışığının odak noktasının karakterizasyonunu içeriyordu. Amaç, spot boyutunu hesaplamak ve ayrıca eyleme sırasındaki spot değişikliklerini görmekti. Ayrıca bu deneyler sırasında istenen yer değiştirme için gereken güç miktarı da belirlenmiştir. Son olarak ve en önemli deney seti, farklı derinliklerde yerleştirilmiş hedeflerden veri almak hakkındaydı. Mercekten farklı konum ve mesafelere yerleştirilmiş farklı hedeflerden aynı anda veri elde etmeyi amaçladık. i) hedefler lensten eşit uzaklıkta, ii) hedefler eşit uzaklıkta ancak aktüatör AÇIK, iii) hedefler farklı mesafelerdeydi ve aktüatör AÇIK durumdaydı gibi deneyler yaptık. Bu veriler ve sonuçlar bu tez boyunca gösterilecek ve sunulacaktır.

Özet (Çeviri)

In this study we proposed the utilization of laser scanning in wireless capsule endoscopy to provide high-resolution imaging at multiple depth sections throughout the gastrointestinal tract. The proposed device, provides a confocal imaging, consist of a laser and a photo detector, a 3D printed focus adjusting actuator, a micro-motor for circumferential scanning, and batteries for energy source. It also involves a conformal antenna to transmit the acquired data to an external receiver unit and an integrated circuit to administer the entire operation. In this thesis, -held in Electro-Optical Devices Laboratory- of ITU, we illustrate the design, manufacturing, and characterization of the focus adjusting actuator. The actuator has a spiral flexure, carrying a lens and two magnets at its center to undergo focusing through electromagnetic actuation. The interplay between the spiral flexure length and the lens size is investigated for optimal performance. An external coil is utilized to drive the lens actuator with a low power (~ 5mW) to acquire data from targets placed at multiple depths. Discussion on the integrated circuit and antenna design is also provided. With further development, the proposed device can be adapted for the clinical environment. At the end of the study, we could get data from different targets placed at different distances from the lens, representing tissues at different depths. The frequency response of the focus adjusting actuator was scanned and the first mode of the actuator was found experimentally and by simulations. The coil was driven with an exterinal function generator, and at the resonance frequency ~23Hz, 100 μm displacement was achieved by only 1 mW power, which is considerably low. Moreover, the spot size at the focus was analyzed and calculated. This project is supported by TUBITAK (The Scientific and Technological Research Council of Turkey) grant No:119E224, and the study was submitted to Sensors and Actuators A Journal, in May 2021.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    246731

    Design, fabrication and characterization of surface plasmon resonance based MEMS displacement sensors

    Yüzey plazmon rezonansına dayalı MEMS yerdeğiştirme algılayıcılarının tasarım, üretim ve karakterizasyonu

    HASAN GÜNER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

    YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA

  2. Tez No

    826893

    Microstructural and mechanical characterization of yttrium-modified high entropy alloys

    İtriyum modifiyeli yüksek entropili alaşımların mikroyapısal ve mekanik karakterizasyonu

    FATMA SAADET GÜVEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUNUS EREN KALAY

  3. Tez No

    434266

    Magnetomotive and tension-based tuning of a micromechanical resonator

    Mikromekanik bir çınlacın manyetik devinim ve mekanik gerilme tabanlı akordu

    MAHMUT BİÇER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURHANETTİN ERDEM ALACA

  4. Tez No

    728930

    Experimental and numerical investigation of flapping airfoils interacting in various arrangements

    Çırpan kanat profillerinin çeşitli yerleşimler için etkileşimlerinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi

    SALİHA BANU YILMAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET FEVZİ ÜNAL

    PROF. DR. MEHMET ŞAHİN

  5. Tez No

    728629

    Çoklu çatlak davranışı gösteren farklı polimerik lifli çimento esaslı kompozitlerin mikromekanik tabanlı tasarımları ve kıyaslanması

    Micromechanical based designs and comparison of different polymeric fiber cement-based composites exhibiting multiple cracking behavior

    MUHAMMER KESKİNATEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURAK FELEKOĞLU

Geri Dön