کنترل نیرو برای سوندهای پزشکی در اعمال جراحی قلب با استفاده از فیدبک تصویر

در این پایان نامه مدل سازی دو بعدی کاتتر در صفحه بر مبنای سه رویکرد متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است. روش اول با استفاده از تئوری الاستیکا معادلات دینامیکی سیستم را در قالب یک دستگاه معادلات با شرایط مرزی توصیف می کند. هرچند مدل بدست آمده دارای دقت بالایی برای توصیف دینامیک دو بعدی کاتتر می باشد، ولی معادلات حاصل دارای فرم بسته و بعد متناهی نمی باشند. در روش دوم بخش انتهایی (دیستال) کاتتر به صورت اتصال متوالی از رابط های صلبی در نظر گرفته می شود که مفاصل متصل کننده رابط ها دارای فنر های چرخشی هستند. مدل بدست آمده از این روش کاتتر را در چهارچوب ربات های آندراکچویتد بیان می کند. به دلیل تفاوت بسیار فاحش بین تعداد درجات آزادی و تعداد محرک ها، تئوری سیستم های آندراکچویتد نمی تواند ابزارکنترلی مناسبی برای کنترل کاتتر ارائه دهد. روش سوم مدل سازی، از پارامتر انحنا برای توصیف یکجای مجموعه نقاط واقع بر قسمت منحنی الشکل انتهایی استفاده می کند. در این متد فرض بر این است که تمامی نقاط واقع بر این بخش بر روی یک قوس یکسان واقع هستند که البته انحنای این قوس در طول زمان می-تواند تغییر نماید. از این روی این مدل، مدل انحنای ثابت نامیده می شود. در این پایان نامه، بر مبنای مدل انحنای ثابت سینماتیک مستقیم، معکوس و دیفرانسیلی کاتتر استخراج شده و نگاشت استاتیکی نیرو بین مجری نهایی و محرک ها مورد بررسی قرار گرفته است. ازآنجاییکه که مدل انحنای ثابت بر مبنای فرمول بندی لاگرانژ بدست می آید لذا ویژگی های عمومی مدل های لاگرانژین را داراست. در تحقیق پیش روی برای تامین هدف تعقیب مسیر در فضای مفصلی ، کنترل کننده دینامیک معکوس و کنترل کننده مبتنی بر روش لیاپانوف طراحی گردیده اند. کنترل کننده مبتنی بر روش لیاپانوف یک کنترلر دو وجهی متعلق به خانواده کنترل کننده های پسیو می باشد، درحالیکه کنترلر دینامیک معکوس بر مبنای خطی سازی فیدبک بنا شده است. برای جبران سازی اثر اصطکاک از روش های کنترل مقاوم استفاده گردیده است. با توجه به اهمیت کنترل سیستم ها در فضای کاری، کنترل کاتتر در فضای کاری و آنالیز تکینگی ژاکوبین نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. مهم ترین مزیت این روش بر سایر روش های جبران سازی اصطکاک، عدم نیاز به مدل های بسیار پیچیده ای است که برای مدل سازی اصطکاک پیشنهاد شده اند. کنترلر های عمل انتگرالی برای حذف اغتشاشات ثابت بسیار موثر هستند، هر چند با توجه به ماهیت متغیر با زمان اصطکاک قابل اعمال به کاتتر نیستند. کنترل کننده لیپانوف با جمله ناپیوسته از خانواده کنترل کننده های مد لغزشی است که به خوبی اثر اصطکاک را در کاتتر حذف می نماید. برای جلوگیری از مشکلات ناشی از پدیده چترینگ ، کنترل کننده اشباعی متناظر نیز طراحی گردیده است. جبران سازی هیسترزیس نیز از طریق اصلاح مسیر مرجع کنترلر بر مبنای حلقه هیسترزیس صورت می گیرد. کنترل نیروی مجری نهایی کاتتر بوسیله روش کنترل موقعیت حلقه داخلی صورت می گیرد. در مقایسه با سایر روش های پیچیده کنترل نیرو، این روش می تواند به خوبی مساله کنترل نیروی کاتتر را حل نماید. علت این امر این است که مشکلات ذاتی سیستم (اصطکاک و هیسترزیس) در حلقه کنترل موقعیت جبران می شوند و حلقه کنترل خارجی نیرو به سادگی مساله تنظیم نیرو را حل می کند. حال آنکه سایر روشهای کنترل نیرو توانایی تنظیم نیرو در سیستم-های دارای اصطکاک و هیسترزیس را ندارند. لازم به ذکر است که فیدبک مورد نیاز برای اندازه گیری مقدار لحظه ای انحنا و طول موثر کاتتر در داخل قلب از طریق پردازش تصویر ارسالی از دستگاه های اسکن بدن بیمار تامین می شود و بدین ترتیب حلقه کنترلی سیستم کاتتر بسته می شود. در نهایت بوسیله شبیه سازی، کارایی کنترلرهای پیشنهادی بر روی کاتتر مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.