Design of magnetic actuator driver system for laser scanning capsule endoscopy applications
Lazer taramalı kapsül endoskopi uygulamaları için manyetik eyleyici sürücü sistemi tasarımı
- Tez No: 885511
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Kapsül endoskopi, sindirim sisteminin kapsamlı gözlemlenmesini ve patolojik dokuların tespit edilmesini sağlayan bir tekniktir. Bu teknik, geleneksel endoskopi işleminden kaynaklanan görüntüleme kısıtlamalarının ve hastaya verilen rahatsızlığın üstesinden gelen çözümler sunmaktadır. Günümüze kadar yapılan çalışmalarda farklı görüntüleme, enerjilendirme ve veri iletimi yöntemlerinin kullanıldığı kapsüller üretilmişlerdir. Bu çalışmalarda, insan sindirim sisteminin karmaşık ve dinamik ortamında hassas hareket kontrolü, navigasyon, enerjilendirme, hassas veri elde etme ve bu verileri dış ortama sağlama gibi temel zorlukların çözümleri üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Kapsül endoskopide, genellikle kullanılan kamera tabanlı doku görüntülemesine alternatif olarak lazer taramalı mikroskopi işlemi de uygulanabilmektedir. Lazer taramalı misroskopi işleminin en önemli avantajı, dokuların dış yüzeylerine ek olarak iç bölgelerin görüntülenmesine de olanak sağlamasıdır. Bu işlem, lazer ışını demetlerinin odaklanmasını sağlayan bir merceğin odak noktasının değiştirilmesi ve böylece ışınların dokulara farklı miktarlarda nüfuz etmesi ile gerçekleştirilmektedir. Kapsül içerisindeki mercek bir manyetik eyleyiciye yerleştirilmiş halde bulunmaktadır. Merceğin odak noktasının hareketi, manyetik eyleyicinin ileri geri hareketi ile gerçekleşmektedir. Manyetik eyleyicinin üzerinde lens dışında kalıcı mıknatıslar bulunmaktadır. Eyleyici, üzerindeki kalıcı mıknatısların sabit manyetik alanı ile bir bobin tarafından üretilen değişken manyetik alanın etkileşimi sayesinde hareket etmektedir. Bu hareketin en verimli şekilde eyleyicinin mekanik rezonans frekansında gerçekleşmektedir. 3 boyutlu yazıcı ile bastırılmış manyetik eyleyicinin mekanik frekansı, üzerinde yer alan mıknatısların ve lensin ağırlığına, üretildiği malzemenin cinsine ve hareket mesafesine bağlı olarak 20 Hz ile 40 Hz arasında değişebilmektedir. Bobin aracılığı ile oluşturulan manyetik alanın kontrolü, bobinin üzerinden akan akımın kontrolü ile sağlanmaktadır. Bobine sağlanan akım alternatif akım olup, frekansı eyleyicinin mekanik rezonansında olmaktadır. Bobine eyleyiciyi sürecek akımı sağlayan sistem ise eyleyici sürücü sistemi olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışma kapsamında lazer taramalı kapsül endoskopi için enerji verimliliği yüksek manyetik eyleyici sürücü sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem, bir çok sistemin birleşimi olan bir endoskopik kapsülün parçasıdır. Kapsül içerisinde lazer taramalı görüntülemeyi sağlayan elektro-optik ve elektro-mekanik sistemler, dokulardan alınan verinin algılanması, işlenmesi ve doğru bir şekilde vücut dışına ileten entegre devre sistemleri bulunmaktadır. Kapsülün hacmi göz önünde bulundurulduğunda sistemlerin enerjilendirilmesini sağlayan pilin güç kapasitesi düşük seviyededir. Bu nedenle çalışma kapsamında tasarlanan sistemin enerji verimliliğinin yüksek olması hedeflenmektedir. Kapsül içerisindeki manyetik eyleyicinin mekanik rezonans frekansı 32 Hz olarak ayarlanmıştır. Teorik olarak 32 Hz bir sinüs akım sinyalinin üretilmesi, 32 Hz saat sinyali ve alçak geçiren filtre ile mümkün olsa da, filtrede kullanılacak pasif elemanların boyutları hem entegre için hem de kapsül içerisindeki baskı devre için çok büyük olmaktadır. Literatürde entegre devre içerisinde düşük frekanslı sinüs işareti üretmeye yönelik çalışmalarda aktif filtrelerin, veri dönüştürücülerin ve sayısal sistemlerin kullanıldığı görülmektedir. Bu sistemler entegre devre içerisinde büyük alan kaplayan bloklar oldukları için bu uygulamada kullanılmaları mümkün olmamaktadır. Bu nedenle bobinin çekeceği akım sinyali sinüs olmayacaktır. Bu durum eyleyicinin hareketi için bir sorun teşkil etmemektedir çünkü bobin ve eyleyicinin mekanik arayüzü bant geçiren filtre görevi görmektedir ve hareketi sinüse çok yakın bir hale getirmektedir. Lakin sürücü devresindeki harmonikler büyük miktarda güç tüketmekte ve düşük miktarda da olsa titreşime neden olmaktadır. Sürücü sisteminin enerji verimli olması ve doğrusallığının yüksek olması için, bu çalışma kapsamında harmonik ve genlik kontrolü yöntemini gerçekleyen yeni bir teknik geliştirilmiştir. Bu teknik ile bobine aktarılan akımda baskın olan üç ve üçün katı harmoniklerin bastırılması hedeflenmiştir. Bobinin endüktans değeri 7,7 mH, parazitik direnç değeri ise 95 Ω olarak ölçülmüştür. Lensin odağını 3.22 mm hareket ettirebilmek için 14.1 mA tepe değerli, üç ve üçün katı harmonikleri bastırılmış akım dalga ¸seklinin bobine uygulanması planlanmaktadır. Genlik ve harmonik kontrolünü sağlayan sistem içerisinde salınıcı devre, frekans bölücü devre, kombinezonsal mantık devresi ve sürücü devresi bulunmaktadır. Devreler UMC-180nm üretim teknolojisi kullanılarak Cadence Virtuoso benzetim programında tasarlanmıştır. Devrelerin serim öncesinde, üretim-gerilim-sıcaklık değişkenlerinin rastgele saçılımları ile benzetimleri yapılmıştır. Monte Carlo benzetimleri sonucunda 2000 örneğin 1996 tanesi (%99.8), dağılımın ortalamasının ±3σ (güven aralığı) içinde yer aldığı görülmektedir. Tasarlanan devrelerin serimleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bütün sürücü sistemi 440 μm × 85 μm alan kaplamaktadır. Eyleyici sürücü bir test yongasına yerleştirilmiştir ve yonganın kılıfı QFN32 olarak belirlenmiştir. İlgili kılıfa ait bağlantı şeması çizilmiştir. Devrenin serim sonrası, üretim varyasyonu benzetimleri yapılmıştır. Benzetimler sonucunda çıkış akımının üçüncü harmoniğinin 75.2 μA seviyelerine düşürüldüğü görülmektedir. Bu akım değeri, kare dalga ile kontrol uygulandığı taktirde oluşacak üçüncü harmonik akım değerinin %1.46 değerine eşittir. Böylelikle benzetim seviyesinde harmonik ve genlik kontrolü yönteminin başarılı bir şekilde sürücüye uygulandığı görülmüştür. Eyleyici sürücü sisteminin testleri için iki farklı baskı devre tasarımı yapılmıştır. İlk baskı devre boyut olarak büyük olup, üzerinde test yongasını, çıkış kapasitesini, ayrık dirençleri, ayrık kapasiteleri ve çıkış akımını ayarlayan, ayarlanabilir direnci barındırmaktadır. Ölçümlerin öncesinde kullanılan bobinin parazitik direnci küçültülecek şekilde tekrar sarılmıştır. Böylelikle parazitik direnci 81.2 Ω değerine düşürülmüştür. Böylelikle bobine aktarılacak akım seviyesi artmıştır. Ölçümlerin birinci ayağı ˙ITÜ VLSI Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir. İlk ölçümlerde eyleyici hem direnç yükü ile birlikte hem de bobin, direnç ve eyleyici yükü ile birlikte çalıştırılmıştır. Besleme gerilimi 1.8 V olarak uygulanmıştır. Bu gerilim değeri, kapsül endoskopi için tasarlanmış olan gerilim regülatörünün sağlayacağı değere eşittir. İlk baskı devrenin ölçümleri sonucunda sistemin başarılı bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Çıkış gerilim ve akım dalga şeklinin frekansı 32 Hz olup, üçüncü harmonikleri bastırılmıştır. Sürücü 17.1 mA tepe değerine sahip akımı sağlarken verimi %95 olarak hesaplanmıştır. Ölçümlerin devamında ikinci bir baskı devre tasarımı gerçekleştirilmiştir. Baskı devre dairesel bir ¸sekle sahiptir ve çapı 1.2 cm olacak şekilde ayarlanmıştır. Baskı devre bu haliyle kapsülün içerisine yerleştirilebilir şekle getirilmiştir. İkinci baskı devrenin ölçümü başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Baskı devreye sadece 1.4 V gerilim sağlayacak bir pil ve bobin yükü bağlanmıştır. Kullanılan bobinin direnci kendi başına eyleyiciden gelen akımı istenilen seviyede limitlemeye yetecek düzeydedir. Bu koşullar altında devrenin genlik harmonik kontrolünü gerçekleştirerek 32 Hz frekansında, 16 mA tepe değerine, 14.4 mA RMS değerine sahip akım dalga şeklini bobine aktardığı gözlemlenmiştir. Deneylerin son aşamasında bütün sistem (manyetik eyleyici, eyleyici sürücü sistemi ve lazer) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan baskı devre, sarımı yapılan bobin ve eyleyici ile birlikte Elektro Optik Cihazlar Laboratuvarında üretilmiş olan kapsülün içerisine yerleştirilmiştir. Baskı devreye bağlı olan bobin, bir lazerin etrafına sarılı haldedir ve eyleyici ile arasında 5 mm mesafe olacak şekilde yerleştirilmiştir. Devamında ise sistem çalıştırılmıştır ve eyleyici sürücü sistemi tarafından sürülen bobin ile eyleyici üzerindeki Nd mıknatıslar manyetik olarak etkileşime girmiştir. Bu etkileşim sonucu eyleyicinin 32 Hz rezonans frekansında hareketi gerçekleşmeye başlamıştır. Eyleyicinin üzerinde bulunan lense lazer ısınları aktırılmış ve dağıtıcı bir sıvı ortamına bu ışınlar lens üzerinden gönderilmiştir. Eyleyicinin hareketi ile birlikte bahsedilen lazer ışınlarının sıvı ortamındaki odak noktası da hareket etmiştir. Bu hareket, sıvı ortamın üzerine yerleştirilmiş CMOS kamera aracılığı ile beş adet seçilen çerçeve boyunca stroboskopik görüntüleme kullanılarak izlenmiştir. Elde edilen veriler, eyleyicinin üzerinde bulunan lensin odak noktasının 3.22 mm hareket ettiğini göstermektedir. Böylelikle tasarlanan eyleyici sürücü sisteminin işlevini verimli ve başarılı bir şekilde gerçekleştirdiği ispatlanmıştır.
Özet (Çeviri)
In capsule endoscopy, laser scanning microscopy can be applied as an alternative to the commonly used camera-based tissue imaging. The most significant advantage of laser scanning microscopy is its ability to image the inner regions of tissues in addition to their outer surfaces. This process is achieved by changing the focal point of a lens that focuses laser beams, allowing the beams to penetrate the tissues to different extents. The lens inside the capsule is mounted on a magnetic actuator. The movement of the lens's focal point is realized through the back-and-forth motion of the magnetic actuator. In this thesis, an energy-efficient magnetic actuator driver system has been designed for laser scanning capsule endoscopy. The designed system is a part of an endoscopic capsule that integrates multiple subsystems. Within the capsule, there are electro-optic and electro-mechanical systems for laser scanning imaging, integrated circuit systems for detecting, processing, and accurately transmitting data from tissues to outside the body. Considering the volume of the capsule, the power capacity of the battery that energizes these systems is quite low. Therefore, the system designed in this study aims to achieve high energy efficiency. To ensure the driver system's energy efficiency and high linearity, a new technique implementing harmonic and amplitude control methods has been developed in this study. This technique aims to suppress the dominant third and multiples of third harmonics in the current supplied to the coil. The inductance of the coil has been measured at 7.7 mH, and the parasitic resistance at 95 Ω. To move the lens focus by 3.22 mm, it is planned to apply a current waveform with a peak value of 17.1 mA and suppressed third and multiples of third harmonics to the coil. The system providing amplitude and harmonic control includes an oscillator circuit, a frequency divider circuit, a combinational logic circuit, and a driver circuit. These circuits were designed using the UMC 180nm fabrication technology in the Cadence Virtuoso simulation program. Pre-layout simulations of the circuits were performed considering random variations in process-voltage-temperature. The layouts of the designed circuits were successfully completed, with the entire driver system occupying an area of 440 μm × 85 μm. The actuator driver was placed on a test chip, with the chip packaged in a QFN32 package, for which a connection diagram has been drawn. Post layout simulations, considering production variations, were also performed. The simulations show that the third harmonic of the output current has been reduced to 75.2 μA. This current level is equal to 1.46% of the third harmonic current that would result from control with a square wave. The initial phase of the measurements was carried out at the ITU VLSI Laboratory. Before the measurement process, coil was optimized and resistance was decreased to 81.2 Ω. During these initial tests, the actuator was operated both with a resistive load and with a coil, resistor, and actuator load. The supply voltage was set to 1.8 V for operation with LDO and 1.4 V for stand alone operation with battery. The electrical measurements indicated that the system operated successfully. The frequency of the output voltage and current waveform was 32 Hz and system utilized the amplitude and harmonic control. Coil current's RMS value was measured as 14.4 mA and efficiency was calculated as 93%. In the final stage of the experiments, the entire system (magnetic actuator, actuator driver system, and laser) was tested. The designed PCB, the wound coil, and the actuator were placed inside a capsule manufactured in the Electro-Optical Devices Laboratory. The coil connected to the PCB was wound around a laser and positioned 5 mm away from the actuator. When the system was activated, the coil driven by the actuator driver system interacted magnetically with the Nd magnets on the actuator. This interaction caused the actuator to move at its resonant frequency of 32 Hz. The collected data indicated that the focal point of the lens on the actuator moved by 3.22 mm. Thus, it was demonstrated that the designed actuator driver system performed its function efficiently and successfully.
Benzer Tezler
- Hyperloop altyapı kapsülü geliştirilmesi
Hyperloop infrastructure capsule development
YEKTA YEŞİLYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
- Tek rotorlu Wankel motorunun ateşleme ve püskürtme ünitelerinin (kontrol ünitesinin) tasarımı, imalatı ve bilgisayar arayüzü ile kontrolü
Designing, producing and computer based controlling ignition and injection units (control units) of a single rotor Wankel engine
MEHMET İLTER ÖZMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEMAL BAYKARA
- Robot sürüşü için doğrusal asenkron motor tasarımı
Design of linear induction motor as a robot actuator
ÖZGÜR ÜSTÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. NEJAT TUNÇAY
- Elektrik motoru seçim kriterleri ve kontrol organına bir limiter konulmuş motorun optimal parametrelerinin simpleks metodu ile tayini
Başlık çevirisi yok
VOLKAN ÇAKMAKÇI
- Supaplar için elektromekanik eyleyici tasarımı ve denetiminin araştırılması
The investigation of design and control of electromechanical actuator for engine valves
ZELİHA KAMIŞ
Doktora
Türkçe
2005
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. İBRAHİM YÜKSEL