臺灣博碩士論文加值系統

本研究研發一腦部手術用之精密定位與自動進給鑽孔平台，利用電鑽直流馬達的扭力與電流成正比的關係，量測電鑽電流作為偵測骨骼鑽孔時穿越硬度不同骨質的訊號，透過模糊控制器達成鑽穿頭骨後自動停止進給、鑽頭停止切削的功能。本研究並提出模組化設計的概念，只要將現有電鑽挾持於一模組化的自動進給型架上，將電鑽電源插上所設計一訊號擷取控制電路盒，即可擷取電鑽電流訊號。接下來並結合一能在空間中靈活移動的機械手臂，與醫院無框式光學定位系統整合，協助醫生將鑽頭移到離病灶三度空間中距離最近的頭骨定位點，由機械手臂挾持鑽孔器於頭骨上自動進給鑽孔，可避免人為的抖動。本研究可輔助腦神經外科醫生提高手術時骨骼鑽孔的安全性，並將手術病灶定位與自動進給鑽孔做醫療自動化的整合
本研究並針對不同的進給速度、不同電鑽直徑、輔助支撐頂桿有無、及進刀方向等四個參數做整合測試。經過數十次不同狀況之鑽孔實驗，過衝量均在2mm以下，且均無不預期失效狀況發生，顯示本系統有相當之可靠性。
國內在臨床使用的電鑽尚無利用自動進給或透過感測器判斷鑽穿訊號方面的研究，本研究開發之自動進給手術用骨骼鑽孔平台應有相當發展前景。

This thesis presents the development of a precision bone drilling machine for medical surgery. The neurosurgeon needs to drill holes on the head bone in order to get to the nidus. For the time being, this drilling operation is control by the doctor's feeling of hands.
The purpose of this investigation is to use fuzzy controller to control the penetration of the drill bit when it drills through different tissues of human bones. The drill is driven by a DC motor, whose current is proportional to the cutting torque. The controller senses the current to detect different tissue of human bone. A step motor controls the feed rate of the drill, and it stops feeding when the bone, whose thickness is unknown, is drilled through. A mechanical robot holds the drill smoothly avoiding the thrashing from the surgeon. The system undergoes many drilling tests using various cutting conditions. There were no unexpected failure, and the overshoots of all drilling tests were less than 2mm.

第一章　腦部手術用鑽孔平台研究動機與目的
1.1　研究背景與動機
1.1.1　腦部手術頭骨鑽孔及定位程序簡介
1.1.2　骨骼鑽孔器現況簡介
1.2　研究目的
1.3　論文架構
第二章　外科手術定位及骨骼鑽孔平台研究文獻探討
2.1　外科手術定位的研究
2.2　國外關於骨骼鑽孔平台之研究
2.3　模糊控制在相關研究中的應用
2.3.1　模糊控制簡介
2.3.2　模糊控制在骨骼鑽孔之應用
2.4　機械手臂於手術中的應用
2.5　文獻探討結論
第三章　腦部手術用自動進給骨骼鑽孔平台設計
3.1　腦部手術自動進給骨骼鑽孔器設計
3.1.1　設計規範
3.1.2　歷代腦部手術自動進給骨骼鑽孔器概念設計
3.2　第三代自動進給骨骼鑽孔平台細部設計
3.2.1　模組化設計概念
3.2.2　鑽孔器硬體機構設計
3.2.3　第三代鑽孔器訊號擷取及馬達控制系統
3.2.4　模糊控制的應用及軟體界面
3.3　機械手臂結構設計
3.4　第三代骨骼鑽孔器與機械手臂整合
第四章　腦部手術骨骼鑽孔平台整合測試
4.1　與現有電鑽的比較
4.2　腦部手術骨骼鑽孔平台操作模式
4.3　骨骼鑽孔平台整合測試實驗設計
4.3.1　可靠度實驗
4.3.2　修改模糊規則庫減少過衝量實驗
4.3.3　參數實驗
4.4　實驗數據分析
4.4.1　可靠度實驗分析
4.4.2　修改模糊規則庫減少過衝量實驗分析
4.4.3　實驗參數分析
4.4.4　鑽穿壓差的討論
4.5　實驗結論
第五章　骨骼鑽孔平台與腦部手術無框式光學定位系統整合
5.1　腦部手術無框式光學定位系統介紹
5.2　自動進給骨骼鑽孔平台與無框式光學定位系統整合
第六章　結論與未來研究方向
6.1　本研究的成果與貢獻
6.2　未來研究方向
參考文獻
簡歷

Allotta, B., Giacalone, G., and Rinalidi, L., 1997. “A hand-held drilling tool for orthopedic surgery,” IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, vol.2, no.4, p. 218-229.
Baker, D., Brett, P.N., Griffiths, M.V., and Reyes, L., 1996. “A mechatronic drilling for ear surgery：a case study of some design characteristics,” Mechatronics, vol. 6, no.4, p. 461-477.
Baker, D., Brett, P.N., Griffiths, M.V., and Reyes, L., 1996. “Surgical requirements for the stapedotomy tool：data and safety considerations,” IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.
BrainLAB User Manual VectorVision v.3.61, BrainLAB GmbH Germany, 1999.
FuzzyTECH 5.0 user’s manual, Inform GmbH inform software corp., 1997.
Glauser, D., Flury, P., Villotte, N., and Burckhardt, C.W., 1991. “Conception of a robot dedicated to neurosurgical operations,” Fifth International Conference on Advanced Robotics. Robots in Unstructured Environment, vol.1, p. 899-904.
Ho, C., Jiang, W., and Wong, T., 1998. “The development of computer added simulation and positioning system for neurosurgery,”The Journal of China Association for Medical Information, no7, p. 26-36.
Kaburlasos, V.G.; Petridis, V.; Brett, P.; Baker, D., 1997. “On-line estimation of the stapes-bone thickness in stapedotomy by learning a linear association of the force and torque drilling profiles,” Intelligent Information Systems, IIS '97, Proceedings, p. 80 -84
Kaburlasos, V.G.; Petridis, V.; Brett, P.; Baker, D., 1998. “Learning a linear association of drilling profiles in stapedotomy surgery,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Proceedings, vol. 1, p. 705-710.
Mamdani, E. H., 1974, “Application of fuzzy algorithms for control of a simple dynamic plain,” in Proc. IEEE Control Sci., vol.121, p. 1585-1588.
Ryan, M.J., Erickson R.K., et al., 1995. ”Framless stereotaxy with real-time tracking of patient head movement and retrospective patient-image registration,” Proceeding of Second International Symposium on MRCAS, p. 1-7.
Zadeh, L. A., 1965. “Fuzzy sets,” Informat. Control, vol.8, p. 338-353.
陳嘉文，「模糊邏輯在機械設計之應用」，碩士論文，元智大學機械工程研究所，民國87年。
“立體定位腦部插種治療”, <http://adm.cgmh.com.tw/intr/intr2/c323a/bt.html> (7 July 2000)
“立體定位系統”，CRW Stereotactic System，http://www.tcco.com.tw/crw.htm，(July 4, 2000)。
“腹腔鏡手術用遙控機器人系統”，RVM-II機器人於腹腔鏡定位的動物實驗，<http://www.ncu.edu.tw/~me/lab/imarl/telrobot.htm>，(July 4, 2000)。
“腹腔鏡手術用遙控機器人系統”，腹腔鏡定位系統，<http://www.ncu.edu.tw/~me/lab/imarl/telrobot.htm>，(July 4, 2000)。
“神經外科手術規劃及導引系統”磁場定位裝置，<http://www.ncu.edu.tw/~me/lab/imarl/sur.htm>，(July 4, 2000)。