• 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