شماره ركورد
33854
پديد آورنده
اشكان قربانيان
عنوان
توسعه همتاي ديجيتال انسان براي استفاده در جراحي رباتيك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي شاخه تخصصي ديناميك، كنترل و ارتعاشات
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/7/21
استاد راهنما
برهان بيگ زاده
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
تحولات نوين در حوزه فناوريهاي ديجيتال و هوش مصنوعي، چشماندازهاي جديدي را براي پزشكي نوين و بهويژه جراحيهاي رباتيك فراهم كردهاند. يكي از مفاهيم كليدي در اين زمينه، همتاي ديجيتال انسان است؛ مدلي مجازي و پويا از بدن انسان كه قابليت همزمانسازي با دادههاي واقعي بيمار را دارد و ميتواند براي شبيهسازي و راهبردهاي درماني بلادرنگ مورداستفاده قرار گيرد. در اين تحقيق، باهدف ارتقاي دقت و ايمني در جراحيهاي كم تهاجمي ستون فقرات، يك چارچوب جامع براي توسعهي همتاي ديجيتال انسان ارائه شده است كه تركيبي از مدلسازي سهبعدي آناتومي، استخراج اطلاعات حركتي بلادرنگ و استنتاج حركت از زيست است. در گام نخست، با استفاده از تصاوير پزشكي (CT و MRI)، مدل سهبعدي دقيق آناتومي بيماران بازسازي و با كمك شبكههاي عصبي كانولوشني، بخشبندي دقيق اندامها از جمله مهرههاي ستون فقرات و قفسه سينه انجام شد. سپس براي بهدستآوردن دادههاي حركتي، محيطي آزمايشگاهي مشابه با شرايط واقعي جراحي طراحي و پيادهسازي گرديد كه در آن از دوربينهاي بينايي ماشين براي رهگيري حركات بيمار در حين جراحي استفاده شد. در ادامه، فرايند كاليبراسيون تجهيزات تصويربرداري، شناسايي دقيق ماركرها، و تصحيح دادههاي حركتي پيادهسازي شد تا اطلاعات بهدستآمده داراي دقت كافي براي آموزش مدل تخمينزننده حركت و تحليل سينماتيكي باشد. پس از دستيابي به دادههاي حركتي، از شبكههاي عصبي براي تخمين حركت ماركرها در فازهاي مختلف تنفس و حركت بيمار استفاده شد و اين دادهها در نهايت در مدل سينماتيك آناتومي استفاده شده و يك مدل پويا و زندهي چهاربعدي (سهبعدي در طول زمان) از بدن بيمار ايجاد شد كه قابليت بهروزرساني بلادرنگ در اتاق عمل را دارد. در اين مدل، امكان نمايش حركات طبيعي بدن و پيشبيني تغييرات حين عمل فراهم شده است. نتايج آزمايشها نشان داد كه سيستم پيشنهادي قادر است بادقت قابلقبولي در پيشبيني وضعيتهاي بيمار حين جراحي، اطلاعات معنادار و مؤثري از حركات جز اي در اختيار جراح و سيستم رباتيك قرار دهد. اين تحقيق گامي نو در جهت شبيهسازي شخصي شده ديجيتال و همتاي ديجيتال انسان در محيطهاي جراحي هوشمند ستون فقرات محسوب ميشود و بستر مناسبي براي توسعه سامانههاي هوشمندتر، ايمنتر و شخصيسازيشده در آينده فراهم ميسازد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/30
عنوان به انگليسي
Development of human digital-twin for use in robotic surgery
تاريخ بهره برداري
10/13/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
اشكان قربانيان
چكيده به لاتين
New developments in digital technologies and artificial intelligence have opened new horizons for modern medicine, especially robotic surgery. One of the key concepts in this field is the human digital twin: a virtual and dynamic model of the human body that can be synchronized with real patient data and used for simulation and real-time treatment strategies. In this research, with the aim of improving accuracy and safety in minimally invasive spinal surgeries, a comprehensive framework for the development of a human digital twin is presented, which combines three-dimensional anatomical modeling, real-time motion information extraction, and motion inference from biology. In the first step, a precise three-dimensional anatomical model of the patients was reconstructed using medical images (CT and MRI), and with the help of convolutional neural networks, accurate segmentation of organs, including the vertebrae of the spine and the rib cage, was performed. Then, to obtain motion data, a laboratory environment similar to the real surgical conditions was designed and implemented, in which machine vision cameras were used to track the patientʹs movements during surgery. Subsequently, the calibration process of imaging equipment, precise marker identification, and motion data correction were implemented to ensure that the information obtained is accurate enough for training the motion estimator model and kinematic analysis. After obtaining the motion data, neural networks were used to estimate the movement of markers in different phases of breathing and patient movement, and these data were finally used in the anatomical kinematic model, creating a dynamic and live four-dimensional (three-dimensional over time) model of the patientʹs body, which can be updated in real-time in the operating room. In this model, it is possible to display the natural movements of the body and predict changes during the operation. The experimental results showed that the proposed system is able to provide surgeons and robotic systems with meaningful and effective information on subtle movements with acceptable accuracy in predicting patient positions during surgery. This research is a new step towards personalized digital simulation and the human digital twin in smart spinal surgery environments and provides a suitable platform for the development of smarter, safer, and more personalized systems in the future.
كليدواژه هاي فارسي
همتاي ديجيتال , جراحي كم تهاجم رباتيك , مدلسازي آناتومي , مكانيك زيست , تصويربرداري پزشكي , بينايي ماشين , شبكه عصبي
كليدواژه هاي لاتين
Digital twin , robotic minimally invasive surgery , anatomy modeling , biomechanics , Medical Imaging , computer vision , neural network
Author
Ashkan Ghorbanian
SuperVisor
Dr. Borhan Beigzade