FEA simulation of hip fracture treated with rod-screw fixation and design of robotic surgery
| datacite.contributor.RelatedPerson | Δερματάς Ευάγγελος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νικολακόπουλος Παντελής | |
| datacite.contributor.Supervisor | Κουστουμπάρδης Παναγιώτης | |
| datacite.rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | el |
| dc.contributor.author | Μπέκας, Ανδρέας | |
| dc.contributor.other | Bekas, Andreas | |
| dc.date.accessioned | 2022-07-15T10:24:50Z | |
| dc.date.available | 2022-07-15T10:24:50Z | |
| dc.date.copyright | 2022-07-15 | |
| dc.degree | graduateThesis | el |
| dc.description.abstract | It is an indisputable fact that surgical operations have evolved over the last years, though hip fracture rehabilitation is not always successful; many individuals experience pain, disability, and reduced quality of life afterward[1]. So, continuous emphasis should be placed on optimizing the surgical procedure and minimizing the risk of complications. Furthermore, Computer-Assisted Surgery (CAS) is an evolving method of integrating robotic technologies in the operating room, improving the operation's accuracy and efficiency[2]. So, this thesis is oriented towards evaluating a new way of Dynamic Hip Screw (DHS) insertion through the Ansys Finite Element Analysis (FEA) Software and then designing a manipulator’s control system for its prosecution. Rotation of femoral head fracture during the operation of DHS insertion due to screw’s frictional forces is a subject of interest for surgeons because it leads to fault attachment of the two fragments. In the first part of this thesis, a new approach to surgical operation was proposed and studied through Ansys FEA software. Compared with the conventional way, this method's distinguishing feature is applying a traction force to the screw before its rotation, which causes the bone fractures to come in contact and develop frictional forces. Finally, the method’s validity is evaluated based on the Ansys results, namely the sliding distance between the two fragments and the internal stresses of the bone. The next step was to simulate the surgical operation utilizing a KUKA IIWA manipulator imported into Simulink, a block diagram environment software. The controller’s development was based on kinematic and dynamic principles. Upon completion of the screw’s finite element analysis, obtained values of forces and velocities, along with the screw’s reaction forces during tightening, were used for a more realistic simulation of Kuka’s operation. Finally, the applied joints' torque and end-effector's position and forces were assessed, confirming the system's validity, and highlighting its future perspectives to be integrated into an actual surgery room. | el |
| dc.description.translatedabstract | Η αποκατάσταση κατάγματος ισχίου δεν είναι πάντα επιτυχής και έτσι πολλά άτομα βιώνουν πόνο, αναπηρία και μειωμένη ποιότητα ζωής στη μετέπειτα ζωή τους. Γι’ αυτό, θα πρέπει να δίνεται συνεχής έμφαση στη βελτίωση της επέμβασης και στην ελαχιστοποίηση του ρίσκου επιπλοκών. Η περιστροφή της κεφαλής του μηριαίου οστού κατά την σύσφιξη, λόγω των δυνάμεων τριβής που αναπτύσσονται ανάμεσα σε αυτήν και τον κοχλία, αποτελεί μια συχνή επιπλοκή, οδηγώντας σε ελαττωματική πώρωση των θραυσμάτων. Μια νέα προσέγγιση της χειρουργικής επέμβασης έχει προταθεί στη σπουδαστική εργασία του Μπέκα Ανδρέα με τίτλο «Σχεδιασμός και Προσομοίωση Εισαγωγής Δυναμικού Κοχλία Ισχίου με την Χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων». Η μέθοδος που προτείνεται αποτελείται από δύο στάδια, την εφαρμογή αρχικά μιας ελκτικής δύναμης στον κοχλία και στη συνέχεια μίας ταχύτητας περιστροφής αυτού. Η ειδοποιός διαφορά αυτής της μεθόδου είναι η ελκτική δύναμη, που οδηγεί τα οστά να έρθουν σε επαφή και να αναπτυχθούν δυνάμεις τριβής μεταξύ τους, που θα αποτρέψουν την περιστροφή. Με βάση την προσομοίωση της διαδικασίας, όπως ολοκληρώθηκε στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Ansys, προέκυψε ότι η περιστροφή της κεφαλής του μηριαίου οστού μπορεί να αποτραπεί με αυτήν την μέθοδο. Τέλος, η μέγιστη ελαστική πίεση που ασκήθηκε στα οστά ήταν αποδεκτή σύμφωνα με τα κριτήρια Von-Mises. Με την ολοκλήρωση της ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία, οι τιμές των δυνάμεων και των ταχυτήτων χρησιμοποιήθηκαν ως βάση για τον προγραμματισμό, μέσω Simulink, της επέμβασης με τη χρήση του ρομποτικού βραχίονα Kuka IIWA. Εφαρμόστηκε υβριδικός έλεγχος, με έλεγχο δύναμης για την έλξη και έλεγχο θέσης για τη γωνία περιστροφής. Επιπλέον, εξωτερικές δυνάμεις και ροπές εφαρμόστηκαν στο άκρο εργασίας του Kuka προσομοιώνοντας τις εξωτερικές δυνάμεις που, σύμφωνα με το Ansys, θα εφαρμόζονταν στον κοχλία κατά την διαδικασία της σύσφιξης. Τα αποτελέσματα των ροπών στις αρθρώσεις και της θέσης του άκρου εργασίας αξιολογήθηκαν και συζητήθηκαν στο τέλος της εργασίας. | el |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10889/16537 | |
| dc.language.iso | en | el |
| dc.subject | Computer-assisted surgery | el |
| dc.subject | Dynamic hip screw | el |
| dc.subject | Ansys mechanical | el |
| dc.subject | Finite element analysis | el |
| dc.subject | Manipulators | el |
| dc.subject | Simulink | el |
| dc.subject | Force-motion hybrid control | el |
| dc.subject | Kuka IIWA | el |
| dc.subject.alternative | Χειρουργική ρομποτική | el |
| dc.subject.alternative | Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων | el |
| dc.subject.alternative | Ρομποτικοί βραχίονες | el |
| dc.subject.alternative | Υβριδικός έλεγχος θέσης-δύναμης | el |
| dc.title | FEA simulation of hip fracture treated with rod-screw fixation and design of robotic surgery | el |
| dc.title.alternative | Προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία σύνδεσης κατάγματος ισχίου με κοχλίες και σχεδιασμός τροχιάς για ρομποτική επέμβαση | el |
| oaire.licenseCondition | null | el |