Geri Dön

Development of multi-capsule endoscopy locomotion via spring-assisted distance management

Yay destekli mesafe kontrolü ile çoklu kapsül endoskopi lokomosyonunun geliştirilmesi

  1. Tez No: 957815
  2. Yazar: ERFAN PARSAEI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ONUR FERHANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

Geleneksel endoskopik yöntemler, gastrointestinal (GI) sistemin incelenmesinde önemli rol oynamaktadır. Ancak bu yöntemler sedasyon gerektirmesi, sınırlı ulaşılabilirlik ve hasta konforunu olumsuz etkilemesi gibi nedenlerle zaman içinde yerini daha az invaziv tekniklere bırakmaya başlamıştır. Bu bağlamda kablosuz kapsül endoskopisi (wirless capsule endoscopy, WCE), özellikle ince bağırsağın incelenmesinde önemli avantajlar sunarak modern tanı araçları arasında yerini almıştır. Yine de, WCE sistemleri hareket kabiliyeti ve yönlendirme açısından önemli sınırlamalara sahiptir. Özellikle pasif kapsül yapısı nedeniyle kapsülün belirli bir bölgede sabitlenememesi, yön kontrolünün olmaması ve kıvrımlı bağırsak bölgelerinde ilerleyememesi, bu sistemin işlevselliğini kısıtlamaktadır. Bu tez çalışması, bu sınırlamaları aşmak amacıyla, yay destekli mesafe kontrolü ile çalışan ve birbirine fiziksel olarak bağlanmış çoklu kapsülden oluşan bir kapsül treni geliştirmeyi hedeflemektedir. Sistem, kapsüller arasındaki bağlantının spiral yaylar ve kalıcı mıknatıslar aracılığıyla sağlandığı pasif bir mekanizmaya dayanmaktadır. Böylece kapsüller, birbirleriyle esnek ama sağlam bir şekilde bağlanarak senkronize bir hareket yapısı kazanmaktadır. Bu yapı, GI kanalında özellikle keskin dönüşlerin olduğu bölgelerde bile yapının dağılmadan ilerleyebilmesini sağlar. Literatürde yer alan çok sayıda çalışmada kablosuz kapsül endoskopi sistemlerinin hareket kabiliyetinin artırılmasına yönelik çeşitli içten ve dıştan yönlendirme teknikleri geliştirilmiştir. İçten hareket çözümleri arasında“inchworm”benzeri yapılar, bacaklı mikromekanizmalar, titreşimle hareket eden sistemler ve vidalı ya da yüzme prensipli robotik çözümler bulunmaktadır. Bu sistemler genellikle yüksek enerji tüketimi, doku hasarı riski ve komplekslik nedeniyle klinik uygulamalarda yaygınlaşamamıştır. Öte yandan dış yönlendirme sistemleri (robotik kol, el tipi mıknatıslar, elektromanyetik alanlar vb.) daha kontrollü hareket imkânı sunsa da, genellikle pahalı, hantal ve hasta hareketini kısıtlayan yapılar sergilemektedir. Bununla birlikte, çoklu kapsül sistemleri üzerine yapılan araştırmalar genellikle ya aktif (manyetik-coil tabanlı) kontrollere dayanmakta ya da yalnızca teorik düzeyde kalmaktadır. Literatürde İstanbul Teknik Üniversitesi bünyesinde yapılan çalışmalar, hem pasif mıknatıs yerleşimiyle hem de aktif hall sensör ve bobin sistemleriyle kapsül treni oluşturmaya çalışmıştır. Ancak bu sistemlerin keskin dönüşlerde istikrarlı bağlantıyı sağlayamaması, bu tezin yay destekli yeni yaklaşımını ön plana çıkarmaktadır. Bu çalışmada geliştirilen sistem, her biri spiral yay ve mıknatısla donatılmış en az iki kapsülden oluşmaktadır. Kapsüller arası bağlantı, kapsül kubbelerine entegre edilen spiral yayların mıknatıslarla birbirini çekmesi sayesinde gerçekleşmektedir. Yaylar, kapsüller arası mesafeyi sabit tutmakla kalmaz, aynı zamanda GI kanalındaki peristaltik hareket sırasında esneyip büzülerek kapsül treni bütünlüğünü korur. Sistemin tasarımı aşamasında ilk olarak maksimum yay uzama miktarı hesaplanmıştır. GI kanalındaki en dar kıvrım yarıçapı (radius of curvature, ROC) 25 mm olarak kabul edilmiş ve kapsül çapı da dikkate alınarak maksimum yay uzunluğu 18 mm olarak belirlenmiştir. Bu sınır, hem güvenlik hem de mekanik dayanıklılık açısından önemli bir tasarım kriteri olmuştur. Ardından yay tasarımı için SOLIDWORKS ortamında farklı geometri ve sarım sayılarına sahip spiral yay modelleri oluşturulmuş; minimum yazdırma kalınlığı, kapsül kubbe çapı ve montaj kolaylığı gibi üretim parametreleri göz önüne alınmıştır. Yaylar, polilaktik asit (PLA) kullanılarak 3D yazıcıda üretilmiş ve uçlarına silindirik neodim mıknatıslar yerleştirilmiştir. Yayların mekanik özelliklerini test etmek amacıyla COMSOL Multiphysics yazılımı ile sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde PLA'nın elastik modülü, yoğunluğu ve Poisson oranı dikkate alınmış; yayların çeşitli kuvvetler altında deformasyon, gerilme dağılımı ve yay sabiti hesaplanmıştır. Analitik hesaplamalar ile finite element method (FEM) sonuçları yüksek oranda tutarlılık göstermiştir (yaklaşık 45–50.9 N/m). Bu sonuçlar, yayların hem elastik davranışlarını hem de uzun vadeli dayanıklılığını ortaya koymuştur. Fiziksel testler için üç farklı yay konfigürasyonu (kısa, orta ve uzun) hazırlanmış; her biri farklı sarım sayısı ve uzunluklara sahiptir. Bu yaylar yine PLA'dan üretilmiş kapsüllerle birleştirilmiş ve deneysel düzeneklerde test edilmiştir. Sistemin performansını değerlendirmek için üç ayrı GI kanal fantomu kullanılmıştır: PLA'dan üretilmiş pürüzsüz kanal, silikon kaplamalı ve villus benzeri yapılar içeren kanal, gerçek sığır bağırsağıyla kaplanmış kanal. Her deneyde ön kapsül sabit hızda bir motor yardımıyla çekilmiş, arka kapsül yayla bağlandığı için pasif olarak sürüklenmiştir. Kapsüller üzerine yerleştirilen renkli işaretleyiciler complementary metal-oxide Semiconductor (CMOS) kamera ile takip edilmiş; hareket analizleri MATLAB ve OpenCV yazılımlarıyla yapılmıştır. Ortalama kapsüller arası mesafe, yay sertliğine göre 24.5–25.0 mm arasında değişmiştir. Bu da sistemin farklı yay konfigürasyonlarıyla dahi stabil çalışabildiğini ve GI kanalındaki kıvrımlarda bağlantının bozulmadığını göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen yay destekli bağlantı mekanizmasının hem enerji verimliliği açısından hem de güvenli hareket kabiliyeti bakımından önceki yaklaşımlardan üstün olduğunu göstermektedir. Özellikle kıvrım yarıçapı (ROC) = 25 mm gibi keskin dönüşlerde bile kapsüllerin bağlantısının korunabilmesi, literatürdeki pasif mıknatıs ya da aktif bobin sistemlerinin başaramadığı bir noktayı aşmaktadır. Sistemin pasif çalışması sayesinde harici enerji ihtiyacı ortadan kalkarken, aynı zamanda üretim maliyetleri de düşmektedir. Yay sabitinin ayarlanabilir olması, sistemin farklı yaş gruplarına veya anatomik yapılara göre kişiselleştirilebilmesini mümkün kılar. Ayrıca yay yapısının esnekliği, peristaltik dalgalara uyum sağlayarak kapsül hareketini destekler. Bununla birlikte, motorla çekilen deneysel düzeneklerin gerçek peristaltik kuvvetleri birebir yansıtamaması, sistemin biyolojik ortamlardaki davranışını sınırlı ölçüde gösterebilmektedir. Ayrıca açık yay yapısının biyolojik sıvılara ve dokulara uzun süreli maruziyette kapsül iç bileşenlerini etkileyebileceği düşünülerek, ileride biouyumlu koruyucu kılıfların entegre edilmesi önerilmektedir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında geliştirilen yay destekli çoklu kapsül tren sistemi, kapsül endoskopide çığır açabilecek yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Enerji gereksinimi olmadan çalışan bu sistem, keskin bağırsak kıvrımlarında dahi stabil bağlantı sağlar ve yönlendirme, görüntüleme sürekliliği gibi açılardan önemli avantajlar sunar. Literatürdeki diğer yöntemlere göre daha düşük maliyetli, daha güvenli ve klinik entegrasyonu kolay bir çözüm potansiyeli taşımaktadır. Gelecekteki çalışmalar, bu sistemin üzerine aktif yönlendirme sistemlerinin entegre edilmesi, biyouyumlu kaplamaların eklenmesi ve gerçek peristaltik hareketlerle test edilmesi gibi yönlerde ilerleyebilir. Ayrıca sistemin tanı amaçlı olduğu kadar ilaç salınımı, biyopsi gibi tedavi edici özelliklerle desteklenmesi, çok işlevli kapsül tren sistemlerinin geliştirilmesine zemin hazırlayacaktır

Özet (Çeviri)

Gastrointestinal (GI) tract analysis has been revolutionized since the emergence of wireless capsule endoscopy (WCE) in 2000 and has been widely accepted due to its minimally invasive procedures. While conventional gastrointestinal examinations, such as colonoscopy and endoscopy, involve sedation and multiple insertions, capsule endoscopy offers a more compliant alternative for analyzing the GI tract for patients. Traditional wireless capsule endoscopy systems were mainly focused on imaging, which limited their usability in advanced medical procedures like biopsy, drug delivery, and real-time diagnostics. To overcome such drawbacks, the concept of a multi-WCE train was introduced, where instead of one, multiple capsules synchronously operate to enhance diagnostic and therapeutic capabilities. Ensuring the stable connection of the multi-capsule endoscopy was a primary challenge in WCE train procedures, particularly in sharp turns of the intestinal paths. Previous studies have worked on coil-based inductive power systems and magnetic-based remote actuation to support the intercapsule connection. However, these methods have faced drawbacks during complex GI tract paths. This study aims to overcome these challenges by introducing a new capsule configuration with flexible spiral springs and embedded spherical magnets. This system supports a stable connection between capsules during sharp radius of curvatures (ROCs) of the intestinal path. We proposed a system that consists of multiple capsules, each designed with a special spiral spring equipped with a permanent magnet. These springs allow the capsule train to connect firmly during the entire examination, especially in sharp turns of the bowel paths. This approach provides a physical yet adaptable connection mechanism that does not rely on external power sources. The spring's flexible characteristics adapt to the changes in the inter-capsule distance during movement, ensuring the train remains intact during harsh paths. The evaluation of the effectiveness of this approach was conducted by using finite element analysis, beside physical experiments. The COMSOL multiphysics simulations were focused on assessing the mechanical properties of the model, including K-value evaluations of the springs, yield point, stress distribution under the known forces, and displacement of the spiral springs. Three different intestinal models were used to conduct physical experiments to test various capsule-spring configurations: a basic polylactic acid (PLA) phantom, a silicone-coated bowel model with villus-like shape, and a bovine bowel-covered intestinal model for mimicking the realistic scenarios.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    858151

    Detection of the OXA 48 gene responsible for carbapenem resistance in uropathogenic Esherichia coli isolated from patients with and without COVID-19 in Iraq

    Irak'ta COVID-19 olan ve olmayan hastalardan izole edilen üropatojenik Esherichia coli'de karbapenem direncinden sorumlu OXA 48 geninin tespiti

    AHMED HAMID SEBT JANABI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyolojiÇankırı Karatekin Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞİNASİ AŞKAR

    PROF. DR. TAGHREED KUDUR MOHAMMED

  2. Tez No

    438747

    Development of multifunctional tick repellent textiles

    Multi-fonksiyonel kene kovucu tekstillerin geliştirilmesi

    WAZIR AKBAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜL BAHAR BAŞIM DOĞAN

  3. Tez No

    920928

    Sinoviyal eklem sıvısında fosfolipid zenginleştirme için monodispers-mezoporoz SiO2 metal oksit afinite kromatografisi (MOAC) sorbentinin geliştirilmesi

    Development of monodisperse-mesoporous sio2 metal oxide affinity chromatography (MOAC) sorbent for phospholipid enrichment in synovial joint fluid

    SERHAT ALADAĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikHacettepe Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FEZA KORKUSUZ

    PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL

  4. Tez No

    887302

    Yüksek hızlı izli ulaşım sistemlerinin çok ölçütlü değerlendirilmesi

    Multi-criteria evaluation of high speed tracked transport systems

    DAMLA ALTINCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK

  5. Tez No

    825015

    Üvei̇te sekonder katarakt olgularinda cerrahi̇ sonuçlarimiz

    Cataract surgery outcomes in patients with history of uveitis

    KÜBRA SARICI

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Göz HastalıklarıSağlık Bakanlığı

    Göz Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KADİR ELTUTAR

Geri Dön