Robotic System Development for Precision MRI-Guided Needle-Based Interventions

This dissertation describes the development of a methodology for implementing robotic systems for interventional procedures under intraoperative Magnetic Resonance Imaging (MRI) guidance. MRI is an ideal imaging modality for surgical guidance of diagnostic and therapeutic procedures, thanks to its ability to perform high resolution, real-time, and high soft tissue contrast imaging without ionizing radiation. However, the strong magnetic field and sensitivity to radio frequency signals, as well as tightly confined scanner bore render great challenges to developing robotic systems within MRI environment. Discussed are potential solutions to address engineering topics related to development of MRI-compatible electro-mechanical systems and modeling of steerable needle interventions. A robotic framework is developed based on a modular design approach, supporting varying MRI-guided interventional procedures, with stereotactic neurosurgery and prostate cancer therapy as two driving exemplary applications. A piezoelectrically actuated electro-mechanical system is designed to provide precise needle placement in the bore of the scanner under interactive MRI-guidance, while overcoming the challenges inherent to MRI-guided procedures. This work presents the development of the robotic system in the aspects of requirements definition, clinical work flow development, mechanism optimization, control system design and experimental evaluation. A steerable needle is beneficial for interventional procedures with its capability to produce curved path, avoiding anatomical obstacles or compensating for needle placement errors. Two kinds of steerable needles are discussed, i.e. asymmetric-tip needle and concentric-tube cannula. A novel Gaussian-based ContinUous Rotation and Variable-curvature (CURV) model is proposed to steer asymmetric-tip needle, which enables variable curvature of the needle trajectory with independent control of needle rotation and insertion. While concentric-tube cannula is suitable for clinical applications where a curved trajectory is needed without relying on tissue interaction force. This dissertation addresses fundamental challenges in developing and deploying MRI-compatible robotic systems, and enables the technologies for MRI-guided needle-based interventions. This study applied and evaluated these techniques to a system for prostate biopsy that is currently in clinical trials, developed a neurosurgery robot prototype for interstitial thermal therapy of brain cancer under MRI guidance, and demonstrated needle steering using both asymmetric tip and pre-bent concentric-tube cannula approaches on a testbed

Needle Steering in 3-D Via Rapid Replanning

Steerable needles have the potential to improve the effectiveness of needle-based clinical procedures such as biopsy and drug delivery by improving targeting accuracy and reaching previously inaccessible targets that are behind sensitive or impenetrable anatomical regions. We present a new needle steering system capable of automatically reaching targets in 3-D environments while avoiding obstacles and compensating for real-world uncertainties. Given a specification of anatomical obstacles and a clinical target (e.g., from preoperative medical images), our system plans and controls needle motion in a closed-loop fashion under sensory feedback to optimize a clinical metric. We unify planning and control using a new fast algorithm that continuously replans the needle motion. Our rapid replanning approach is enabled by an efficient sampling-based rapidly exploring random tree (RRT) planner that achieves orders-of-magnitude reduction in computation time compared with prior 3-D approaches by incorporating variable curvature kinematics and a novel distance metric for planning. Our system uses an electromagnetic tracking system to sense the state of the needle tip during the procedure. We experimentally evaluate our needle steering system using tissue phantoms and animal tissue ex vivo. We demonstrate that our rapid replanning strategy successfully guides the needle around obstacles to desired 3-D targets with an average error of less than 3 mm

Towards Closed-loop, Robot Assisted Percutaneous Interventions under MRI Guidance

Image guided therapy procedures under MRI guidance has been a focused research area over past decade. Also, over the last decade, various MRI guided robotic devices have been developed and used clinically for percutaneous interventions, such as prostate biopsy, brachytherapy, and tissue ablation. Though MRI provides better soft tissue contrast compared to Computed Tomography and Ultrasound, it poses various challenges like constrained space, less ergonomic patient access and limited material choices due to its high magnetic field. Even after, advancements in MRI compatible actuation methods and robotic devices using them, most MRI guided interventions are still open-loop in nature and relies on preoperative or intraoperative images. In this thesis, an intraoperative MRI guided robotic system for prostate biopsy comprising of an MRI compatible 4-DOF robotic manipulator, robot controller and control application with Clinical User Interface (CUI) and surgical planning applications (3DSlicer and RadVision) is presented. This system utilizes intraoperative images acquired after each full or partial needle insertion for needle tip localization. Presented system was approved by Institutional Review Board at Brigham and Women\u27s Hospital(BWH) and has been used in 30 patient trials. Successful translation of such a system utilizing intraoperative MR images motivated towards the development of a system architecture for close-loop, real-time MRI guided percutaneous interventions. Robot assisted, close-loop intervention could help in accurate positioning and localization of the therapy delivery instrument, improve physician and patient comfort and allow real-time therapy monitoring. Also, utilizing real-time MR images could allow correction of surgical instrument trajectory and controlled therapy delivery. Two of the applications validating the presented architecture; closed-loop needle steering and MRI guided brain tumor ablation are demonstrated under real-time MRI guidance

Robotics-Assisted Needle Steering for Percutaneous Interventions: Modeling and Experiments

Needle insertion and guidance plays an important role in medical procedures such as brachytherapy and biopsy. Flexible needles have the potential to facilitate precise targeting and avoid collisions during medical interventions while reducing trauma to the patient and post-puncture issues. Nevertheless, error introduced during guidance degrades the effectiveness of the planned therapy or diagnosis. Although steering using flexible bevel-tip needles provides great mobility and dexterity, a major barrier is the complexity of needle-tissue interaction that does not lend itself to intuitive control. To overcome this problem, a robotic system can be employed to perform trajectory planning and tracking by manipulation of the needle base. This research project focuses on a control-theoretic approach and draws on the rich literature from control and systems theory to model needle-tissue interaction and needle flexion and then design a robotics-based strategy for needle insertion/steering. The resulting solutions will directly benefit a wide range of needle-based interventions. The outcome of this computer-assisted approach will not only enable us to perform efficient preoperative trajectory planning, but will also provide more insight into needle-tissue interaction that will be helpful in developing advanced intraoperative algorithms for needle steering. Experimental validation of the proposed methodologies was carried out on a state of-the-art 5-DOF robotic system designed and constructed in-house primarily for prostate brachytherapy. The system is equipped with a Nano43 6-DOF force/torque sensor (ATI Industrial Automation) to measure forces and torques acting on the needle shaft. In our setup, an Aurora electromagnetic tracker (Northern Digital Inc.) is the sensing device used for measuring needle deflection. A multi-threaded application for control, sensor readings, data logging and communication over the ethernet was developed using Microsoft Visual C 2005, MATLAB 2007 and the QuaRC Toolbox (Quanser Inc.). Various artificial phantoms were developed so as to create a realistic medium in terms of elasticity and insertion force ranges; however, they simulated a uniform environment without exhibiting complexities of organic tissues. Experiments were also conducted on beef liver and fresh chicken breast, beef, and ham, to investigate the behavior of a variety biological tissues

Closed-Loop Planning and Control of Steerable Medical Needles

Steerable needles have the potential to increase the effectiveness of needle-based clinical procedures such as biopsy, drug delivery, and radioactive seed implantation for cancer treatment. These needles can trace curved paths when inserted into tissue, thereby increasing maneuverability and targeting accuracy while reaching previously inaccessible targets that are behind sensitive or impenetrable anatomical regions. Guiding these flexible needles along an intended path requires continuously inserting and twisting the needle at its base, which is not intuitive for a human operator. In addition, the needle often deviates from its intended trajectory due to factors such as tissue deformation, needle-tissue interaction, noisy actuation and sensing, modeling errors, and involuntary patient motions. These challenges can be addressed with the assistance of robotic systems that automatically compensate for these perturbations by performing motion planning and feedback control of the needle in a closed-loop fashion under sensory feedback. We present two approaches for efficient closed-loop guidance of steerable needles to targets within clinically acceptable accuracy while safely avoiding sensitive or impenetrable anatomical structures. The first approach uses a fast motion planning algorithm that unifies planning and control by continuously replanning, enabling correction for perturbations as they occur. We evaluate our method using a needle steering system in phantom and ex vivo animal tissues. The second approach integrates motion planning and feedback control of steerable needles in highly deformable environments. We demonstrate that this approach significantly improves the probability of success compared to prior approaches that either consider uncertainty or deformations but not both simultaneously. We also propose a data-driven method to estimate parameters of stochastic models of steerable needle motion. These models can be used to create realistic medical simulators for clinicians wanting to train for steerable needle procedures and to improve the effectiveness of existing planning and control methods. This dissertation advances the state of the art in planning and control of steerable needles and is an important step towards realizing needle steering in clinical practice. The methods developed in this dissertation also generalize to important applications beyond medical needle steering, such as manipulating deformable objects and control of mobile robots.Doctor of Philosoph

Robotically Steered Needles: A Survey of Neurosurgical Applications and Technical Innovations

This paper surveys both the clinical applications and main technical innovations related to steered needles, with an emphasis on neurosurgery. Technical innovations generally center on curvilinear robots that can adopt a complex path that circumvents critical structures and eloquent brain tissue. These advances include several needle-steering approaches, which consist of tip-based, lengthwise, base motion-driven, and tissue-centered steering strategies. This paper also describes foundational mathematical models for steering, where potential fields, nonholonomic bicycle-like models, spring models, and stochastic approaches are cited. In addition, practical path planning systems are also addressed, where we cite uncertainty modeling in path planning, intraoperative soft tissue shift estimation through imaging scans acquired during the procedure, and simulation-based prediction. Neurosurgical scenarios tend to emphasize straight needles so far, and span deep-brain stimulation (DBS), stereoelectroencephalography (SEEG), intracerebral drug delivery (IDD), stereotactic brain biopsy (SBB), stereotactic needle aspiration for hematoma, cysts and abscesses, and brachytherapy as well as thermal ablation of brain tumors and seizure-generating regions. We emphasize therapeutic considerations and complications that have been documented in conjunction with these applications

Engineering M-si (m:ag, Cu) Thin Films As Negative Electrodes For Lithium Ion Batteries

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Günümüzde her kesimden insanın hızlı, verimli ve kolay iletişim için taşınabilir elektronik aletlerden (bilgisayarlar, cep telefonları, kameralar, fotoğraf makinaları, MP3 çalarlar, CD çalarlar, DVD oynatıcılar, radyolar, televizyonlar) yararlandığı bilinmektedir. Taşınabilir tüm bu elektronik ürünlerin görevlerini uzun süreli ve etkin olarak sürdürebilmeleri için temel şart yüksek enerji yoğunluğuna sahip, güvenli, uzun ömürlü, bakımı kolay yapılabilen, kısa sürede şarj edilebilen ve çevreye zarar vermeyen bir enerji kaynağına sahip olmalarıdır. Günlük kullanım ihtiyaçlarının yanı sıra özellikle taşıma sektöründe de yüksek miktarda enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır. Tekrar şarj edilebilen/ ikincil lityum-iyon bataryalar (LİB) sahip olduğu üstün özellikler sayesinde gerek ev aletlerinde gerekse de taşıma sektöründe yaygın olarak kullanılan enerji kaynaklarından biridir. Tekrar şarj edilebilir pil olan lityum iyon piller, ikincil piller olarak da bilinirler; deşarj olduktan sonra tekrar şarj edilerek kullanılabilen elektrokimyasal hücrelerdir. Diğer ikincil pillerle (gümüş-çinko, nikel-çinko, nikel-hidrojen) karşılaştırıldıklarında bakım gerektirmemeleri ve uzun ömürlü olmalarının yanı sıra geniş çalışma sıcaklık aralığına, uzun raf ömrüne, çabuk şarj olabilme kabiliyetine, yüksek güçlü deşarj kapasitesine, yüksek enerji verimliliğine ve yüksek spesifik enerji yoğunluğuna sahip olmaları sebebiyle de sıkça tercih edilmektedirler. Pahalı olmaları ve yüksek sıcaklıklarda hızlı bozunmaları ise sahip oldukları en büyük dezavantajlardır. İlk olarak 1970 yılında lityum metalinin enerji uygulamalarında kullanımına ait avantajlar fark edildikten sonra 1972'de Exxon TiS2 yapısında katot üreterek Li'a karşı gerçekleştirdiği ilk lityum pilini üretmiştir. Katmanlı yapıdaki sülfür içeren katot malzemelerinin uzun çevrimler boyunca kararlı kalmadığı 1980'de kanıtlandıktan sonra Goodenough ve arkadaşları metal oksitleri alternatif katot malzemesi olarak önermişlerdir. Bu öneriyi takiben 1991 yılında ilk defa Sony LiCoO2'in katot, karbonun anot olarak kullanıldığı ticari LİB'ları üretmiştir. Bu hücrelerde 3,6 V üstünde potansiyel elde edilmiş, uzun çevrimler boyunca kararlılık gösteren lityum iyon pillerin üretilmesi başarılmıştır. Enerji sektöründeki artan ihtiyaçlara uygun şekilde cevap verebilmek ve çevreye en az zarar veren teknolojinin kullanımını yaygınlaştırmak için tekrar şarj edilebilen LİB'larla ilgili yapılan çalışmalar son yıllarda oldukça hız kazanmıştır. 2008 yılında dünyadaki satış miktarı 36 milyar dolar, 2013 yılında ise değeri 51 milyar dolara ulaşan LİB pazarının 2020 yılına kadar 100 milyar doları geçmesi beklenmektedir. Elektrikli araçlar bu teknolojinin gelişmesinde ayrı bir öneme sahiptir. Tekrar şarj edilebilen LIB temel olarak anot/katot, separatör ve eletrolitten oluşmaktadır. Anot malzeme negatif elektrot, katot ise pozitif elektrot olarak görev alır. Pilin şarj reaksiyonu sırasında dışarıdan uygulanan fazla voltajı takiben pozitif elektrottan Li iyonları ayrılır, elektrolit boyunca difüz ederek negatif elektrotun yapısına yerleşirler (interkele ederler). Bu sırada pozitif elektrottan ayrılan elektronlar akım iletici kablo vasıtasıyla anoda elektron iletirler. Deşarj reaksiyonu sırasında ise anoda geçen (interkeleeden) lityum iyonları katottaki ilk yerlerini almak üzere hareket (deinterkele) ederken, elektronlar da depolanan enerjiyi istenilen uygulama için transfer ederler. Bu reaksiyonların yüksek verimle gerçekleşebilmesi için elektrot malzemeleri yüksek elektrik iletkenliğinde, hafif ve elektrolitle uyumlu olmalıdır. Elektrot üretiminde malzemeler yüksek iletken metal folyolara lamine edilir veya folyo üzerine biriktirilir. Pil elemanlarının biraraya getirilmesi sırasında folyoların üzerindeki elektrot malzemeleri arasında gerçekleşmesi muhtemel kısa devreyi önlemek için mikro gözenekli seperatörler veya jel/katı elektrolitler kullanılarak hücre içerisinde lityum iyonlarının yer değiştirmesi sağlanmalıdır. Dünya'da LİB performansını geliştirmek için yapılan çalışmalar hücre elemanları ve elektrot dizaynı olarak temel şekilde sınıflandırılabilir. Bu çalışmalar sonucu sadece US patent ofisinde kayıtlı 10.000'e yakın lityum iyon teknolojisi üzerine patent olduğu görülmüştür. Elektrot malzemelerinin bileşimleri (kompozit üretimi dahil olmak üzere) ve yapısal (gözenekli) özelliklerini geliştirmek üzerine çalışanların yanı sıra, elektrolit ve membran özelliklerini geliştirmek için de çalışan araştırma grupları bulunmaktadır. Günümüzde LİB'da pozitif elektrot olarak öncelikli olarak katmanlı (LiCoO2), spinel (LiMn2O4) ya da olivin (LiFePO4) yapıda malzemelerin kullanımı araştırılırken, negatif elektrot (anot) malzemesi olarak öncelikle karbon (C) daha sonra kalay (Sn), alüminyum (Al), antimon (Sb), bizmut (Bi) ve silisyum (Si) esaslı malzemelerin kullanımları değerlendirilmekteditr. Son yıllarda alternatifleri arasından Si yüksek kapasiteye sahip olması (3579 mAsg-1 oda sıcaklığında) ve hammaddesinin dünyada bol ve ucuz bulunmasından dolayı, araştırmalarda sıkça tercih edilmektedir. Si anotunun uygulanmasında karşılaşılan en büyük sorun ise malzemenin düşük elektrik iletkenliği (10-3 S cm-1), düşük lityum difüzyon katsayısı (10-14-10-13 cm2s-1), lityumla reaksiyon sırasında birim hücrede gerçekleşen yüksek hacimsel (%300) değişim ve lityumla reaksiyon potansiyelinin elektrolit parçalanma potansiyel değerinin altında olması sebebiyle yüzeyinde kararlı olmayan katı elektrolit ara yüzeyi (SEI: solid electrolyte interphase) oluşturmasıdır. Bu sorunun üstesinden gelebilmek için nanokompozit elektrotların kullanımı önerilmiştir. Bu bağlamda, gümüş (Ag) ve bakır (Cu) sahip oldukları yüksek elektrik iletkenliğikleri sayesinde geçmiş çalışmalarda tercih edilmişlerdir. Böylece, Si filmin içinde bulunan bu metal atomları, lityumla reaksiyona girmedikleri şartlar altında, hem elektrotun içinde yeni elektron yolları açmasına, hem çevrim testi boyunca Si'un elektrotta oluşabilecek elektrokimyasal aglomerasyonunun engellenmesine hem de Si-Li arasında gerçekleşen reaksiyon sonucunda oluşan yüksek hacimsel değişimi mekanik tampon olarak sindirerek, hacimsel değişimin yıkıcı etkisinin azalmasına sebep olmuşlardır. Si bazlı nanokompozit malzemeler literatürde sıkça kullanılmıştır. Lityumla reaksiyona girmeyen Cu atomları, Ag atomlarına nazaran sahip oldukları daha düşük atomik kütlelerinin yanı sıra, sergiledikleri sünek davranışları ve Si'la farklı fazlar (ör:Cu3Si) meydana getirmeleri sebebiyle galvonastatik test boyunca lityumla reaksiyonlarının tersinir olmasını sağlayabileceğini de kanıtlamıştır. Dahası Cu, negatif elektrotun akım toplayıcı Cu folyo ile arasındaki adezyonunu artırarak, yüksek çevrim ömrü ve iyi kapasite saklama özelliği kazandırdığı da kanıtlanmıştır. Şimdiye kadar, sol-jel, elektron demeti ile buharlaştırma, iyon katkılama, kimyasal buhar çökeltme, ultrasonik radyasyon, melez büyütme teknikleri ile SiCu kompozit filmleri üretilmiştir. Bu çalışmalar sonucunda üretim yönteminin özelliklerine bağlı olarak elektrotun tane özelliklerinin ve bu yüzden de elektrokimyasal performansının değiştiği gözlemlenmiştir. Bu sebeple araştırmacılar sıfır (0D), tek (1D), iki (2D) ve üç (3D) boyutta elektrot malzemeleri üreterek, LIB'da anot malzemesi olarak kullanımları durumunda özelliklerini incelemiştir. Sonuçlar temel olarak nano boyutta üretilen elektrot malzemelerin ilk kapasitelerinin daha yüksek olduğunu ve çevrim ömürlerinin daha uzun olduğunu kanıtlamıştır. Fakat elektrotun içerisinde aktif malzemenin tane boyutunun azalması aynı zamanda ikincil reaksiyon olarak tanımlanan oksitlenme ve katı elektrolit ara yüzey filminin yüksek miktarda oluşmasına neden olmaktadır. Bu oluşum sebebiyle ilk deşarj reaksiyonu (lityumun interkele ettiği) yüksek olsa da reaksiyonun geri dönüş veriminin oldukça düşük olduğu gözlenmiştir. Günümüzde LİB'ları elektrikli araç gibi ileri teknoloji aletlerinde kullanmak için yüksek akım yoğunluklarında verimli performans sergilemeleri en önemli gereksinimleridir. Bu noktada yüksek miktarda gerilimi tolere edebilecek yapıda Si anot üretimi oldukça önem kazanmaktadır. Bu şekilde ekonomik olarak uygun şartlarla elde edilen elektrotun çevrim testi boyunca hem mekanik olarak bütünlüğünü koruması hem de yüksek kapasite sergilemesi hedeflenmektedir. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda malzeme seçimi ve proses dizaynının önem kazandığı görülmektedir. Bu tezde, yukarıdaki bilgiler göz önüne alınarak yüksek kapasite-çevrim performansı sergileyen anot eldesinin hem malzeme seçimi hem de üretim proseslerinde yapılan iyileştirmeler ile eldesi hedeflenmiştir. Malzeme seçimi kapsamında Si anotların performanslarını geliştirmek için birinci başlıkta lityuma karşı aktif özellik sergileyen yüksek elektrik iletkenliğine sahip Ag, ikinci ve üçüncü başlıkta ise lityuma karşı inaktif davranış sergileyen Cu atomu ilavesiyle kompozit filmler üretilmiştir. Proses gelişimi için ise ilk başlıkta Ag atomlarının çevrim testine etkisini inceleyebilmek ve SiAg filminin en verimli çalışacağı test aralığını bulmak için farklı galvanostatik test koşullarında test uygulanmıştır. İkinci başlıkta ise geleneksel manyetik sıçratma prosesi yerine 'sürekli olmayan, şiddetli akımla manyetik sıçratma' (High power pulsed magnetron sputtering: HPPMS) yöntemi kullanılarak homojen özellikte Si film sağlanmıştır. Üçüncü başlıkta ise iyon desteğinin elektron demeti buharlaştırma prosesine adapte edilmesi sayesinde yüksek yapışma özelliğine sahip şekilli ince filmler başarıyla elde edilmiştir. İncelenen tezin birinci bölümünde kullanılan Ag elementinin anot malzemesi olarak kullanımı üzerine yapılmış çalışmalar, Ag elementinin 0,2 V altındaki potansiyellerde lityumla reaksiyona girdiğini ortaya koymuştur. 0,005-1,2 ve 0,2-1,2 V aralığında test edilen, manyetik sıçratma yöntemiyle elde edilmiş bu kompozit film, 0,005-1,2 V aralığında 20 çevrim sonunda çok düşük kapasite değerleri sergilerken, 0,2-1,2 V aralığında test edildiğinde 60 çevrim sonunda 1700 mAsa g-1 deşarj kapasitesi ortaya koymuştur. Bu durum 0,2-1,2 V aralığında lityumla reaksiyona girmeyen nanoboyutta dağılmış Ag atomlarının Si filmi içerisinde elektron iletimlerini sağlayacak yollar oluşturmaları ile açıklanmıştır. Ag malzemesinin pahalı ve ağır olması, Li'la reaksiyon vermeyen ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip, daha düşük atomik kütle ağırlığındaki Cu atomlarının alternatif olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Bu sebeple, ikinci bölümde Si elektrodun özelliklerini geliştirmek için Cu atomları film kalınlığı boyunca miktarsal dağılımları değişecek şekilde manyetik sıçratma yöntemiyle biriktirilmişlerdir. Bu başlıkta Si film üretimi sırasında ark oluşumunu engellemek ve homojen özellikte film elde etmek için HPPMS yöntemi kullanılmıştır. Üretilen film kaplama/altlık ara yüzeyinde %100 at. Cu atomları içerirken kaplama/elektrolit arayüzeyinde %10 at. Cu içerecek şekilde tasarlanmıştır. Cu atomlarının sahip oldukları yüksek elektrik iletkenliği ve süneklik çevrim testi boyunca kaplamada oluşan gerilimin dağılmasına yardımcı olmuş, yüksek performans elde edilmesi başarılmıştır. Bu sayede 100 çevrim sonunda 1500 mAsa g-1 deşarj kapasite sergileyen anot malzemesi elde edilmiştir. Son bölüm de ise kalınlık boyunca bileşimi değiştirme yaklaşımı eğik açılı elektron demeti buharlaştırma yöntemi kullanılarak denenmiştir. Kaplamanın ilk 5 dakikasında uygulanan iyon desteği sayesinde kaplamanın altlığa yapışmasının artması beklenmiştir. Bu deneylerde eğik açılı elektron demeti buharlaştırma yönteminin seçilmesinin temel sebebi prosesin farklı nanoşekilli yapıları düzenli dizilimli olarak elde edilmesine olanak sağlıyor olmasıdır. Bu yöntem sayesinde son başlıkta bileşimi kalınlık boyunca değişen helis şekilli SiCu ince filmleirn üretimi gerçekleştirilmiş, anot malzemesi olarak kullanımları değerlendirilmiştir. Bu tasarımla helis şekli sayesinde hem mekanik mukavemetin gelişmesi, hem de Cu atomlarının kalınlık boyunca oranlarının değişmesi sonucu oluşan hacimsel değişimin neden olduğu gerilimin dağılması amaçlanmıştır. Galvanostatik test sonuçları kalınlık boyunca değişen Cu miktarı sayesinde (elektrot/akım toplayıcı ara yüzeyinde %30 at. Cu bulunurken, elektrot/elektrolit ara yüzeyinde %10 at. Cu bulunmaktadır) elektrot üzerinde oluşan stres yayılımının değiştiğini ve bu sayede 100 çevrim testi sonunda 1200 mAsa g-1 deşarj kapasitesi sergileyebildiğini göstermiştir. Bu tezde uygun malzeme seçimi ve proses dizaynı ile fiziksel buharlaştırma yöntemleri kullanılarak (manyetik sıçratma ve iyon destekli eğik açılı elektron demeti buharlaştırma) Si bazlı filmlerin lityum iyon bataryalarda anot malzemesi olarak kullanımları için üretilebileceği gösterilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalara ait sonuçlar elektrot malzemesinin bileşiminin ve elektrottaki boşluk miktarının/dağılımının yüksek elektrokimyasal performans sergileyen anot malzemesi eldesinde oldukça önemli olduğunu göstermiştir. Elektrottan elde edilen yüksek performans yüksek adezyon kuvvetiyle altlığa bağlı olan ince filmin yapısal, bileşimsel ve morfolojik özellikleriyle, elektrot yüzeyinde oluşan SEI filminin kararlılığıyla ve uygulanan galvanostatik test koşullarıyla ilişkilendirilmektedir. İçinde bulunduğumuz hızla değişen düzende ilerleyen teknolojiyi yakalamak açısından LİB teknolojisini geliştirmek için yapılacak araştırma-geliştirme faliyeteleri oldukça önemlidir. Bu amaç dikkate alındığında yapılan bu tezin LİB teknolojileri için anot geliştirilmesi yönünde araştırma-geliştirme faaliyetlerini destekleyici nitelikte sonuçlar içerdiği düşünülmektedir.It is essential to use low-cost and environmentally friendly energy storage systems. In this concept, all inovations done in energy storage devices are issued from accurate material selection and process design. In todays world, among alternative energy storage devices, lithium ion battery (LIB) becomes more important. They provide electrical power for a wide variety of applications such as power tools, aerospace and small portable electronic devices. However, current LIB technology can not satisfy the energy and power requirements of long life cell phones, electrical/hybrid vehicles and smart grids. We consider the example of smartphones, when graphitic based LIB are used, its charge can only endure for one day. When the use of LIB in Tesla Roadster (EV) is considered, EV carries 6831 lithium ion cells which together weight half a ton in the car. However, so many cells can only cover a distance of about 450-500 km, which is around half the driving distance of a fully loaded gasoline vehicle. Taking into consideration these facts, Department of Energy (DoE, USA) and the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japon) indicate that improving the battery performance with higher energy density, longer battery life and lower cost should be the priority in energy researches. Therefore, making successful development in LIB will be the strategic target to work on for nations around the world. So far, one of the challenge substituting graphite with high capacity alternative materials has been highlighted as a crucial challenge. In this sense, the use of various materials (C, Sn, Al, Sb, Bi) has been evaluated as anodes in LIB. Among them, silicon (Si) becomes prominent due to its high theoretical storage capacity (3579 mAh g-1 at room temperature), low operation potential (-370 mV vs Li/Li+), eco friendliness, high abundance on Earth's crust and low cost comparable to those of graphite. Despite these merits of Si, it has not yet replaced graphite in commercial applications, because when lithium ions (Li+) reacts with Si, more than 300% volume expansion occurs generating an immense amount of stress in the anode. This stress causes a severe material collapse and electrical isolation, resulting in low coulombic efficiency (CE) and rapidly declining capacity. Moreover, as the electrochemical alloying potential of Si is above the solvent reduction level, a passive film (solid electrolyte interphase (SEI)) forms at the electrode/electrolyte interface. Herein, it is worth to note that volume expansion in cycling yields unstable SEI between the Si surface and electrolyte, which leads to an increase in impedance. Finally, the low electrical conductivity (10-3 S cm-1) and low Li diffusion coefficient (10-14-10-13 cm2s-1) in Si hinder fast electron transfers resulting high resistance in the electrode, hence failure in the early stages of cycling. To be able to use Si electrodes in electrical vehicles or other advanced technological devices, highly stress-tolerant Si anodes that would withstand massive current demands while providing high energy density should be designed. It is known that, all potential commercial anode architectures have not been able to deliver a combination of high power and high energy density over a long range of cycles. Thus, there is a need to design LIB electrodes that can be discharged/charged at high rates to meet the high current demands of advanced technologies. At the same time, the mechanical integrity should be maintained and the production cost should be feasible. Herein, fabricating nano-structructured Si thin film by physical vapor deposition techniques becomes prominent because it is believed that delamination and quick faillure of the thin film electrodes might be prevented by using nano-engineering strategies, including nano-structuring and composition grading. In this dissertation, taking the above-mentioned claims as motivations an original idea of engineering Si based films to be used as negative electrodes in lithium ion batteries has been proposed. Magnetron sputtering and (glancing angle) electron beam evaporation processes have been chosen as the production techniques. Magnetron sputtering is used since highly energetic sputtered particles are believed to promote the intermetalic formation along the film as well as the adhesion of the coating to the substrate, and glancing angle electron beam evaporation method has been utilized since the process enables one to design nanoarchitectured thin film with a well aligned morphology. To overcome the above mentioned restrictions of Si based anodes some researchers are working to design new functional electrodes and others optimize the testing conditions and/or innovate cell designs. The objective of this study is to gain insights in how to design new negative electrodes for next generation LIB. The results show that both process and material science engineerings should be used to produce next generation Si based electrodes. Following this idea, in this dissertation a material selection is purposed: use of electrochemically active (Ag) or inactive elements (Cu) with Si has been evaluated. Moreover, we have also modified production processes and characterization methods: cut-off voltages of the galvanostatic tests are optimized in the first chapter, high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS) is used to deposit Si film in the second chapter, then ion assistance is adopted to the glancing angle electron beam deposition process in the third chapter. In this dissertation, a compositional improvement has been done by cosputtering Ag atoms with Si, in the first chapter. Ag atoms having the highest electrical conductivity among all materials are believed to create electron conductive pathways in the Si anode so that a Si based film with 3.2 microns thickness could be able to cycle with high performance. As Ag atoms are also electrochemically active versus Li, the lithiation reactions of SiAg film has been optimized by using different lower cutoff voltages in galvanostatic test. The SiAg composite electrode fails in 20 cycles when cycled between 0.005-1.2 V, whilst delivers around 1700 mAh g-1 after 60th cycled when cycled between 0.2-1.2 V. The approach proposed in this study is believed to offer a new gateway for material science to handle both the material properties as well as the testing conditions, to increase the electrochemical performance of the new electrodes. The fact that Ag is a heavy and expensive metal, an alternative electrochemically inactive element Cu is used in the second chapter where we fabricate functionally graded SiCu film with 2.4 micron thickness. By tuning Cu content of the film along the thickness and improving the interaction between highly energetic Si and Cu atoms, a Si based electrode with high rate capability and cycle performance has been achieved by magnetron sputtering process. Herein Cu has been particularly chosen since it is the second most conductive metal after Ag. Plus being inactive versus Li, ductile behavior of Cu is expected to improve both physical and mechanical properties of the Si based electrodes. In the experiments, HPPMS process has been used to deposit Si film without arcing. The functionally-graded Si-Cu film performs 1500 mAh g-1 after 100th cycle when cycled at 100 mA g-1, and deliver roughly 700 mAh g-1 when cycled at 500 mA g-1. This high capacity value has been first found in the literature for such a thick film electrode. This outstanding performance of the electrode is believed to be a result of synergy gathered from its compositional, structural and morphological particularities: The highly adherent compositionally graded film has high electronic conductivity as well as mechanical tolerance against volumetric changes due to Cu atoms existence. Cu atoms provide minimum electrochemical sintering or Si particle agglomeration during cycling. Plus, as a result of the varying Cu atoms presence along the film thickness (pure Cu at the bottom and 10%at. Cu at the top) the stress

Sensorisation of a novel biologically inspired flexible needle

Percutaneous interventions are commonly performed during minimally invasive brain surgery, where a straight rigid instrument is inserted through a small incision to access a deep lesion in the brain. Puncturing a vessel during this procedure can be a life-threatening complication. Embedding a forward-looking sensor in a rigid needle has been proposed to tackle this problem; however, using a rigid needle, the procedure needs to be interrupted if a vessel is detected. Steerable needle technology could be used to avoid obstacles, such as blood vessels, due to its ability to follow curvilinear paths, but research to date was lacking in this respect. This thesis aims to investigate the deployment of forward-looking sensors for vessel detection in a steerable needle. The needle itself is based on a bioinspired programmable bevel-tip needle (PBN), a multi-segment design featuring four hollow working channels. In this thesis, laser Doppler flowmetry (LDF) is initially characterised to ensure that the sensor fulfils the minimum requirements for it to be used in conjunction with the needle. Subsequently, vessel reconstruction algorithms are proposed. To determine the axial and off-axis position of the vessel with respect to the probe, successive measurements of the LDF sensor are used. Ideally, full knowledge of the vessel orientation is required to execute an avoidance strategy. Using two LDF probes and a novel signal processing method described in this thesis, the predicted possible vessel orientations can be reduced to four, a setup which is explored here to demonstrate viable obstacle detection with only partial sensor information. Relative measurements from four LDF sensors are also explored to classify possible vessel orientations in full and without ambiguity, but under the assumption that the vessel is perpendicular to the needle insertion axis. Experimental results on a synthetic grey matter phantom are presented, which confirm these findings. To release the perpendicularity assumption, the thesis concludes with the description of a machine learning technique based on a Long Short-term memory network, which enables a vessel's spatial position, cross-sectional diameter and full pose to be predicted with sub-millimetre accuracy. Simulated and in-vitro examinations of vessel detection with this approach are used to demonstrate effective predictive ability. Collectively, these results demonstrate that the proposed steerable needle sensorisation is viable and could lead to improved safety during robotic assisted needle steering interventions.Open Acces