Riassunto analitico
La simulazione medica ha come scopo quello di addestrare e preparare il personale medico nel tentativo di diminuire il numero di incidenti o di errori umani durante interventi in situazioni di emergenza. Il presente lavoro di tesi riguarda la progettazione di un sistema robotico, integrato in un manichino medico commerciale, per quel che riguarda la simulazione di traumi oculari e craniofacciali a seguito di ferimenti in scenari bellici. In particolare il lavoro si è concentrato sulla realizzazione del simulatore, con la predisposizione della struttura, che consiste in una testa umanoide ottenuta da una tomografia computerizzata di un paziente, e della progettazione dei sistemi elettro-meccanici che lo compongono, collocati al suo interno. I sistemi realizzati consistono in un meccanismo per la movimentazione della mandibola e di uno per la rotazione del collo, un sistema idraulico per l’approvvigionamento dei fluidi (sangue arterioso e venoso, fluidi spinali), un sistema modulare per la simulazione di fratture mandibolo-facciali e un meccanismo per simulare l’apertura e la chiusura della pupilla in seguito a variazioni di luminosità dell’ambiente. L’obbiettivo principale durante la progettazione è stato quello di ottenere sistemi simili, per caratteristiche e comportamenti, al corpo umano, per rendere il simulatore e di conseguenza l’esperienza durante il suo l’utilizzo il più reale possibile. Parte del lavoro quindi si è concentrato sullo studio dell’anatomia umana da replicare, necessario per l’ideazione dei meccanismi, la cui progettazione ha avuto come fulcro la compattezza delle dimensioni e l’affidabilità. E’ stato fondamentale infatti realizzare sistemi di attuazione capaci di replicare fedelmente l’anatomia umana e di dimensioni ridotte, in grado di essere istallati all’interno del cranio senza interferire con le caratteristiche anatomiche nelle quali il personale medico può imbattersi anche in caso di simulazioni con presenza di lesioni o di interventi chirurgici invasivi. Particolare attenzione è stata poi dedicata alla resistenza dei componenti maggiormente sottoposti a stress. Altro requisito preso in considerazione durante la progettazione è stato quello di realizzare un sistema versatile in grado di poter simulare differenti scenari di emergenza. Infine tramite tecnologie di prototipazione rapida e lavorazioni con macchinari a controllo numerico, sono stati realizzati e testati alcuni prototipi, nei quali il sistema di controllo per quel che riguarda l’attuazione e la sensoristica, è stato gestito con delle single-board microcontroller.
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Abstract
The aim of medical simulation is to train and prepare medical personnel in order to decrease the number of accidents and human errors during emergency situations. The aim of this thesis project is the design of a robotic system that simulates battlefield ocular and craniofacial trauma and to integrate the system into a commercial medical mannequin. In particular, the work is focused on the realization of the simulator, with the preparation of the structure, which consists of a humanoid head obtained from a computerized tomography of a patient, and of the design of the electro-mechanical system placed inside it. The systems realized are: a mechanism for the motion of the jaw; a system to rotate the neck; a fluid supply hydraulic system (artery and vein blood, spinal fluid); a modular system for mandible and facial fracture simulations; and a mechanism to simulate the opening and the closing of the pupil to respond to environmental light conditions. The main aim during the design has been to realize systems analogous to the human body in both features and behavior, in order to produce a scenario with a high degree of realism. An essential part of the work has been the study of the relevant anatomy in order to design actuation system capable of accurately replicating the human anatomy within the tight confines of the skull. In particular, it is important to design systems that will not interfere with the anatomic features that the medical personnel may encounter during simulations that include the treatment of wounds and/or invasive surgeries. Particular attention has been dedicated to the ruggedness of the components. Another challenging requirement was to take into account future iterations and expansions that may be used to simulate different wounds and scenario. Last, through rapid prototyping technology and CNC machining, some prototypes have been realized and tested, controlled by single-board microcontroller.
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