การตรวจจับการเจาะทะลุกระดูกโดยอาศัยแบบจำลองการถดถอยเชิงเส้นแบบเวลาจริง

Bone drilling breakthrough detection based on real-time linear regression models

Name: รวิภาส จริยภูมิ

ThaSH: กระดูก -- การเจาะ

ThaSH: แบบจำลองเชิงเส้น

ThaSH: สมอง -- ศัลยกรรม

Abstract: การเจาะกระดูกเป็นกระบวนการผ่าตัดที่สำคัญทางศัลยกรรม หลายกรณีของการเจาะกระดูกเป็นการเจาะที่มีความเสี่ยงสูง เช่น การเจาะกะโหลกศีรษะในการผ่าตัดสมอง การเจาะโพรงกระดูกสันหลังเพื่อรักษาความผิดปกติของไขสันหลัง เป็นต้น ดังนั้นในกระบวนการผ่าตัดกระดูก การเจาะโดยไม่ทำให้เกิดการเจาะทะลุเกินจนทำให้เครื่องมือเจาะทิ่มแทงเนื้อเยื้อที่สำคัญถือเป็นการดำเนินการที่มีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดความเสี่ยงและทำให้การเจาะมีความปลอดภัย จากความต้องการดังกล่าวจึงทำให้โครงการวิจัยนี้มุ่งศึกษากลศาสตร์ของการเจาะที่นำไปสู่การนำเสนอวิธีตรวจจับการเจาะทะลุเพื่อเฝ้าระวังการเจาะทะลุเกิน ซึ่งในการศึกษาวิจัยนี้มุ่งศึกษาการใช้ดอกสว่านร่องเกลียวร่วมกับสว่านไฟฟ้าซึ่งเป็นเครื่องมือเจาะที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปเป็นเครื่องมือในการเจาะกระดูก ซึ่งจากการศึกษาวิจัยพบว่ากระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ขับหมุนดอกสว่านในระหว่างการเจาะกระดูกนั้นมีความสัมพันธ์กับภาระแรงบิดจากการเจาะ เมื่อการเจาะทะลุใกล้จะเกิดขึ้นจะมีการลดลงของภาระแรงบิดนี้ซึ่งส่งผลทำให้ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ลดลงจนเป็นศูนย์ การตรวจจับการเจาะทะลุสามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพอาศัยเทคนิคสำคัญ 3 ประการ ได้แก่ 1) การเฝ้าตรวจวัดกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อนสว่านอย่างแม่นยำ 2) การควบคุมการเจาะแบบเป็นลำดับขั้นอย่างแม่นยำโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์สมรรถนะสูง และ 3) การใช้แบบจำลองการถดถอยเชิงเส้นหลายตัวช่วยกันตรวจหาความเป็นไปได้ของการเจาะทะลุ ทั้งนี้การตรวจวัดกระแสไฟฟ้าทำได้โดยการประยุกต์ใช้ตัวต้านทานตรวจรู้กระแสไฟฟ้าซึ่งทำงานร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการประมวลผลสัญญาณ ส่วนการเจาะแบบเป็นลำดับขั้นก็ทำให้ได้สัญญาณการวัดกระแสไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจน จากการเฝ้าติดตามค่าความสูงของสัญญาณขณะทำการเจาะนั้น ทำให้สามารถบ่งชี้การเจาะทะลุได้ ทั้งนี้เนื่องจากในช่วงเวลาที่เกิดการเจาะทะลุ ค่าความสูงของสัญญาณจะลดลงอย่างต่อเนื่องสู่ศูนย์ และเมื่อการเจาะทะลุถูกตรวจจับได้ การเจาะก็สามารถถูกยุติลงอย่างทันท่วงทีเพื่อป้องกันการเจาะทะลุเกินระยะที่ต้องการจนไปทำความเสียหายต่อเนื้อเยื่อใกล้เคียง จากการทดสอบการเจาะโดยใช้ระบบการเจาะต้นแบบ พบว่าการเจาะแผ่นอะคริลิค 10 ครั้งและการเจาะกระดูกหมู 4 ครั้ง สามารถตรวจจับการเจาะทะลุได้ในทุกกรณีของการทดสอบ เมื่อการเจาะทะลุถูกตรวจจับได้ในแต่ละครั้ง การเจาะก็สามารถถูกยุติลงได้โดยอัตโนมัติด้วยระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

Abstract: Bone drilling is a significant surgical procedure. Many cases of bone drilling are critical, such as drilling the skull in brain surgery, drilling the spine for spinal cord treatment, etc. In bone surgery, drilling the bone without causing excessive protrusion and then causing severe damage to tissues is very important to reduce risk and ensure safety. Due to such requirements, this research aimed at studying drilling mechanics, which leads to the proposition of a breakthrough detection scheme for avoiding excessive protrusion. The research focused on the use of the most commonly used drilling tool, the twist drill bit equipped with an electrical drill, to perform bone drilling. A significant finding is that the current supplied to the motor driving the electrical drill has a relationship with the drilling torque load. When the breakthrough nearly occurs, the drilling torque load reduces, causing the motor current to reduce to zero. Detecting the breakthrough effectively relies on the combination of three key techniques: 1) the accurate measurement of the current supplied to the motor of the electric drill, 2) the effective control of stepwise drilling using a high-performance microcontroller, and 3) the use of ensemble linear regression models to verify the possible breakthrough. The measurement of current was performed by applying a sense resistor and a specially designed electronic circuit for signal conditioning. Based on stepwise drilling, changes in the current measurement signal could be clearly observed. By monitoring the signal peaks during drilling, the breakthrough could be identified since, in the breakthrough phase, the peaks declined successively to zero. When the breakthrough was detected, the drilling operation could be immediately terminated to prevent excessive protrusion that might cause damage to the surrounding tissues. Based on the experimental drilling tests that used a drilling system prototype, 10 times of acrylic plate drilling and 4 times of porcine bone drilling were performed, with successful breakthrough detection in all cases of these drilling tests. When the breakthrough was detected at each time of drilling, the drilling operation could be automatically terminated by the electronic control system.

มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สำนักหอสมุด

Address: เชียงใหม่

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: ภิญโญ พวงมะลิ

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2567

Modified: 2567-09-22

Issued: 2567-09-22

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

tha

DegreeName: วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: วิศวกรรมเครื่องกล

Grantor: มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

©copyrights มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	620631095.pdf	5.12 MB

ใช้เวลา

0.048987 วินาที