Diseño e implementación de un manipulador robótico a medida para ultrasonido extracorpórea
Summary
Este trabajo presenta el diseño e implementación de un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea. El sistema tiene cinco grados de libertad con ligero juntas de impresión 3D y un embrague mecánico para la gestión de la seguridad.
Abstract
Con la posibilidad de alta precisión, destreza y capacidad de repetición, un sistema robótico auto oruga puede emplearse para ayudar a la adquisición de la ecografía en tiempo real. Sin embargo, un número limitado de robots diseñados para ultrasonido extracorpórea ha sido traducido con éxito en uso clínico. En este estudio, pretendemos construir un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea, que es ligero y tiene un diseño compacto. El robot está formado por cinco enlaces de formas especial y por encargo mecanismos conjuntos para la manipulación de la sonda, para cubrir el rango necesario de movimiento con grados de libertad redundantes para garantizar la seguridad del paciente. La seguridad mecánica se acentúa con un mecanismo de embrague, para limitar la fuerza aplicada a los pacientes. Como resultado del diseño, el peso total del manipulador es de menos de 2 kg y la longitud del manipulador es de unos 25 cm. Se ha implementado el diseño, simulación y se han realizado estudios de fantasmas y voluntarios, para validar el rango de movimiento, la habilidad de hacer ajustes de precisión, fiabilidad mecánica y la operación segura del embrague. Este documento detalla el diseño e implementación del manipulador ultrasonido robótica a medida, con los métodos de diseño y montaje ilustrados. Se presentan los resultados de las pruebas para demostrar las características de diseño y experiencia clínica del uso del sistema. Se concluye que la actual roboticos propuesto cumple con los requisitos como un sistema a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea y tiene un gran potencial para traducirse en uso clínico.
Introduction
Un sistema de ultrasonido robótica extracorpórea (Estados Unidos) se refiere a la configuración en la que se utiliza un sistema robótico para sujetar y manipular una sonda de los Estados Unidos para exámenes externos, incluyendo su uso en proyección de imagen abdominal1 de Cardiaco, vascular, obstétrica y general . El uso de un sistema robótico está motivado por los desafíos de sostener y manipular una sonda de los Estados Unidos, por ejemplo, el desafío de encontrar vistas de los Estados Unidos estándar requeridas por protocolos clínicos por imágenes y el riesgo de lesión de esfuerzo repetitivo2, manualmente 3,4, y también por las necesidades de nosotros programas de cribado, por ejemplo, el requisito para ecografistas para estar in situ5,6. Con énfasis en diferentes funcionalidades y anatomías de objetivo, varios sistemas robóticos de Estados Unidos, como revisado en anteriores trabajos1,7,8, han sido introducidos desde la década de 1990, para mejorar diferentes aspectos de los E.E.U.U. examen (p. ej., teleoperación larga distancia9,10,11,12, así como interacción de operador de robot y control automático)13, 14. Además de los sistemas robóticos de Estados Unidos utilizados para propósitos de diagnóstico, robótica de alta intensidad enfocada a sistemas de ultrasonidos (HIFU) para propósitos de tratamiento han sido ampliamente investigados como resumido por Priester et al. 1, con algunas recientes obras15,16 informes los progresos más recientes.
Aunque varios sistemas robóticos de los Estados Unidos han sido desarrollados con tecnologías relativamente confiables para el control y operación de clínica, sólo unos pocos de ellos han sido traducidos con éxito en uso clínico, como un sistema de tele-ultrasonido comercialmente disponibles 17. una posible razón es el bajo nivel de aceptación de gran tamaño aspecto industrial robots trabajando en un entorno clínico, desde el punto de vista de pacientes y ecografistas. Además, para la gestión de la seguridad, la mayoría de los robots existentes de los Estados Unidos depende de sensores para monitorear y controlar la presión aplicada a la sonda de los Estados Unidos, mientras que los mecanismos de seguridad mecánico más fundamentales para limitar la fuerza pasiva generalmente no están disponibles . Esto también puede causar preocupaciones cuando traduciendo en uso clínico como la seguridad de operación del robot sería puramente dependiente de sistemas eléctricos y software lógica.
Con los últimos adelantos de 3D técnicas, especialmente en forma de enlaces de plástico con mecanismos conjuntos a la medida de la impresión podría proporcionar una nueva oportunidad para desarrollar robots médicos a medida. Componentes ligeros cuidadosamente diseñados con un aspecto compacto podrían mejorar aceptación clínica. Específicamente para el examen de los Estados Unidos, un robot médico a medida destinado a ser traducido en uso clínico debe ser compacto, con suficientes grados de libertad (DOFs) y rango de movimiento para cubrir la región de interés de una exploración; por ejemplo, la abdominal superficie, incluyendo la parte superior y lados del vientre. Además, el robot debe incorporar la capacidad para realizar ajustes finos de la sonda de los Estados Unidos en un área local, al tratar de optimizar una vista de los Estados Unidos. Esto generalmente incluye movimientos de inclinación de la sonda dentro de cierto rango, según lo sugerido por Essomba et al. 18 y19de la bajista. Para más las preocupaciones de la seguridad, se espera que el sistema debe tener características de seguridad pasiva mecánica que son independientes del sistema eléctrico y la software lógica.
En este trabajo, presentamos el método detallado de diseño y montaje de un manipulador robótico diestro 5 DOF, que se utiliza como el componente clave de un sistema robótico extracorpórea de Estados Unidos. El manipulador consta de varios enlaces para imprimir 3D ligero, mecanismos conjuntos a medida y un embrague de seguridad integrado. La disposición específica de los gobiernos proporciona total flexibilidad para realizar ajustes de la sonda, permitiendo el fáciles y seguras de las operaciones en una pequeña área sin colisionar con el paciente. El manipulante de la propuesta multi-DOF pretende trabajar como el principal componente que está en contacto con pacientes y puede simplemente conectarse cualquier mecanismo de posicionamiento global convencional 3-DOF para formar un robot completo de los Estados Unidos con gobiernos plenamente activos para realizar un análisis de los Estados Unidos.
Protocol
Representative Results
Discussion
A diferencia de muchos otros robots industriales que se han traducido en aplicaciones médicas, la propuesta roboticos descrito en el protocolo fue diseñado específicamente para los exámenes de los Estados Unidos según los requisitos clínicos para el rango de movimiento, aplicación de la fuerza y gestión de la seguridad. Los roboticos ligero sí mismo tiene una amplia gama de movimientos suficientes para la mayoría extracorpórea Estados Unidos escanear, sin necesidad de grandes movimientos del mecanismo de posic…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por el Wellcome Trust IEH Award [102431] y por el centro de bienvenida/EPSRC para ingeniería médica [WT203148/16/Z/Z]. Los autores reconocen el apoyo financiero del Departamento de salud a través el Instituto Nacional de investigación de la salud (NIHR) integral centro de investigación biomédica Premio de Guy y St Thomas’ NHS Foundation Trust en alianza con el rey de Confianza de NHS Foundation Hospital de la Universidad College de Londres y del rey.
Materials
| 3D-printed link L0 | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 3D-printed link L1 | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 3D-printed link L2 | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 3D-printed link L3 | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 3D-printed link L4 | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 3D-printed end-effector | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 1, with the STL file provided |
| 20-teeth spur gear | 3D printing service | 12 | 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 18-teeth bevel gear | 3D printing service | 2 | 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 120-teeth spur gear (Type A) | 3D printing service | 1 | 0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 120-teeth spur gear (Type B) | 3D printing service | 2 | 0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 120-teeth spur gear (Type C) | 3D printing service | 1 | 0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 20-teeth long spur gear | 3D printing service | 1 | 0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 144-teeth bevel gear | 3D printing service | 1 | 0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 5 | Bearing size and supplier can be varied |
| Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 2 | Bearing size and supplier can be varied |
| Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 1 | Bearing size and supplier can be varied |
| Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 2 | Bearing size and supplier can be varied |
| Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long) | TR Fastenings Ltd., UK | 1 | e.g. Could be an M6 bolt and a nut |
| Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long) | TR Fastenings Ltd., UK | 1 | e.g. Could be an M5 bolt and a nut |
| Ball-spring pairs | WDS Ltd., UK | 4 | Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch |
| Clutch covers | 3D printing service | 2 | 104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 3D-printed shaft collar | 3D printing service | 1 | 35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided |
| 3D-printed end-effector collar | 3D printing service | 1 | As shown in Figure 2, with the STL file provided |
| Small geared stepper motors | AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China | 14 | Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable |
Referências
- Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
- Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N. Work-related musculoskeletal complaints in sonologists. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 41 (11), 981-988 (1999).
- Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
- Society of Diagnostic Medical Sonography. Industry Standards for the Prevention of Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography: Consensus Conference on Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 27 (1), 14-18 (2011).
- LaGrone, L. N., Sadasivam, V., Kushner, A. L., Groen, R. S. A review of training opportunities for ultrasonography in low and middle income countries. Tropical Medicine & International Health. 17 (7), 808-819 (2012).
- Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28 (2015).
- Swerdlow, D. R., Cleary, K., Wilson, E., Azizi-Koutenaei, B., Monfaredi, R. Robotic Arm–Assisted Sonography: Review of Technical Developments and Potential Clinical Applications. American Journal of Roentgenology. 208 (4), 733-738 (2017).
- Nouaille, L., Laribi, M., Nelson, C., Zeghloul, S., Poisson, G. Review of Kinematics for Minimally Invasive Surgery and Tele-Echography Robots. Journal of Medical Devices. 11 (4), 040802 (2017).
- Georgescu, M., Sacccomandi, A., Baudron, B., Arbeille, P. L. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical centers and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. 22 (4), 276-281 (2016).
- Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
- Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
- Vieyres, P., Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. , 461-473 (2006).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S. E., Zhu, W. H., Sirouspour, M. R., DiMaio, S. P. Image-guided control of a robot for medical ultrasound. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 18 (1), 11-23 (2002).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W. Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE. , (2000).
- Menikou, G., Yiallouras, C., Yiannakou, M., Damianou, C. MRI‐guided focused ultrasound robotic system for the treatment of bone cancer. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 13 (1), e1753 (2017).
- Yiallouras, C., et al. Three-axis MR-conditional robot for high-intensity focused ultrasound for treating prostate diseases transrectally. Journal of Therapeutic Ultrasound. 3 (1), 2 (2015).
- Essomba, T., et al. A specific performances comparative study of two spherical robots for tele-echography application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 228 (18), 3419-3429 (2014).
- Bassit, L. A. . Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , (2005).
- Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936 (1936).
- Noh, Y., et al. An ergonomic handheld ultrasound probe providing contact forces and pose information. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE. , (2015).
- . Translational Detent – MapleSim Help Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018)
