Summary

Conception et réalisation d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’échographie extracorporelle

Published: January 07, 2019
doi:

Summary

Cet article présente la conception et la mise en œuvre d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle. Le système comporte cinq degrés de liberté avec articulations légères faites par impression 3D et un embrayage mécanique pour la gestion de la sécurité.

Abstract

Avec un potentiel de haute précision, dextérité et répétabilité, un système robotique autonome sur chenilles peut être employé pour aider à l’acquisition de l’échographie en temps réel. Cependant, un nombre limité de robots conçus pour Extracorporels échographie ont été avec succès traduit en usage clinique. Dans cette étude, nous voulons construire un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle, qui est léger et a un faible encombrement. Le robot est formé par cinq liens spécialement formés et des mécanismes communs pour la manipulation de la sonde, afin de couvrir l’éventail nécessaire de mouvement avec redondants de degrés de liberté pour assurer la sécurité du patient. La sécurité mécanique est soulignée par un mécanisme d’embrayage, de limiter la force appliquée aux patients. À la suite de la conception, le poids total du manipulateur est inférieur à 2 kg, et la longueur du manipulateur est d’environ 25 cm. Le design a été mis en place et la simulation, études de fantômes et bénévoles ont été effectuées, afin de valider l’amplitude de mouvement, la capacité de faire des réglages fins, fiabilité mécanique et la sécurité de fonctionnement de l’embrayage. Ce livre présente en détail la conception et la mise en œuvre du manipulateur ultrasons robotisée sur mesure, avec les méthodes de conception et d’assemblage illustrés. Les résultats des tests pour démontrer les caractéristiques de conception et l’expérience clinique d’utilisation du système sont présentés. Il est conclu que le manipulateur robotisé proposé actuel répond aux exigences tant qu’un système sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle et possède un grand potentiel à traduire en pratique clinique.

Introduction

Un système à ultrasons robotisée extracorporelle (US) se réfère à la configuration dans laquelle un système robotique sert à tenir et à manipuler une sonde US pour les examens externes, y compris son utilisation en imagerie abdominale cardiaque, vasculaire, obstétrique et générale1 . L’utilisation d’un tel système robotisé est motivée par les défis de tenir manuellement et de manipuler une sonde américaine, par exemple, la difficulté de trouver des vues d’US standard requis par les protocoles d’imagerie cliniques et le risque de microtraumatismes blessures2, 3,4, et également par les besoins de nous des programmes de dépistage, par exemple, l’exigence de connu en échographie pour être sur place5,6. Avec des accents sur les différentes fonctionnalités et anatomies cible, plusieurs systèmes robotiques d’US, révisée dans les œuvres antérieures1,7,8, ont été introduites depuis les années 1990, afin d’améliorer les différents aspects des États-Unis examen (par exemple, sur de longues distances de téléopération9,10,11,12, ainsi que robot-opérateur interaction et contrôle automatique)13, 14. outre les systèmes américains de robotique utilisés à des fins diagnostiques, robotique intense axée systèmes à ultrasons (HIFU) pour fins de traitement ont été largement étudiés tels que résumés par Priester et al. 1, avec quelques récentes œuvres15,16 , les dernières avancées de la déclaration.

Bien que plusieurs systèmes robotiques d’US ont été développés avec des technologies relativement fiables pour le contrôle et l’utilisation clinique, seuls quelques-uns d’entre eux ont été traduits avec succès en pratique clinique, tel qu’un système de télé-échographie disponibles dans le commerce 17. une raison possible est le faible niveau d’acceptation pour grande taille prospectifs industrial robots travaillant dans un environnement clinique, du point de vue des patients et des échographistes. En outre, pour la gestion de la sécurité, la majorité des robots américains existants s’appuient sur des capteurs de force pour surveiller et contrôler la pression appliquée à la sonde américaine, tandis que les mécanismes de sécurité mécanique plus fondamentaux pour limiter la force passive ne sont habituellement pas disponibles . Cela peut aussi causer des inquiétudes lors de la traduction en pratique clinique, comme la sécurité de fonctionnement du robot dépendrait purement logiciel logique et de systèmes électriques.

Avec les progrès récents de la 3D printing techniques, spécialement en forme de liens en plastique avec des mécanismes conjoints pourrait fournir une nouvelle opportunité pour développer des robots médicaux sur mesure. Conçu avec soin les composants légers avec un aspect compact pourraient améliorer l’acceptation clinique. Spécialement pour examen aux États-Unis, un robot médical sur mesure visant à être traduit en utilisation clinique doit être compact, avec suffisamment de degrés de liberté (DOFs) et amplitude de mouvement pour couvrir la région d’intérêt d’un scan ; par exemple, la surface abdominale, incluant aussi bien le dessus et les côtés du ventre. En outre, le robot doit également intégrer la possibilité d’effectuer des réglages fins de la sonde américaine dans une zone locale, en essayant d’optimiser un avis des États-Unis. Cela inclut normalement les mouvements pendulaires de la sonde dans une plage spécifique, tel que suggéré par Essomba et al. 18 et19de la Serena. Pour plus amples aux préoccupations de sécurité, il est prévu que le système doit avoir des caractéristiques mécaniques de sécurité passive qui sont indépendantes des systèmes électriques et de la logique du logiciel.

Dans cet article, nous présentons la méthode détaillée de conception et l’assemblage d’un manipulateur de robot agile 5-DOF, qui est utilisé comme l’élément clé d’un système d’US robotic Extracorporels. Le manipulateur se compose de plusieurs liens 3D-printable légers, des mécanismes conjoints sur mesure et un limiteur de couple intégré. La disposition spécifique des DOFs offre une flexibilité totale pour les ajustements de la sonde, ce qui permet des opérations faciles et en toute sécuritées dans une petite zone sans entrer en collision avec le patient. Le manipulateur de multi-DOF proposée vise à travailler comme le composant principal qui est en contact avec les patients et il peut être simplement attaché à n’importe quel mécanisme de positionnement mondial classiques 3-DOF pour former un robot américain complet avec DOFs pleinement actives pour effectuer une analyse de l’US.

Protocol

1. la préparation de chaque lien, effecteur et composants supplémentaires Imprimer tous les liens (L0, L1, L2, L-3et L4) et l’effecteur, comme illustré à la Figure 1, avec plastique d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polylactique acide (PLA) plastique ou en nylon, à l’aide d’une impression 3D service. Utilisation du. Fichiers STL fournies dans les Documents complémentaires lors de l’i…

Representative Results

Suite au protocole, le système qui en résulte est un manipulateur robotisé avec cinq liens formes spéciale (L0 L4) et cinq articulations revolute (J1 J5) pour déplacer, tenant et l’inclinaison localement une sonde US (Figure 8). Le joint de rotation supérieure (J1), avec des mécanismes d’engrenages actionnés par quatre moteurs, peut tourner 360 °, pour permettre à la sonde américaine doiven…

Discussion

Contrairement à nombreux autres robots industriels qui ont été traduits dans des applications médicales, le manipulateur robotisé proposé décrit dans le protocole a été spécialement conçu pour les examens aux États-Unis selon les exigences cliniques pour l’amplitude de mouvement, application de la force et la gestion de la sécurité. Le manipulateur robotisé léger lui-même dispose d’un large éventail de mouvements suffisantes pour la plupart Extracorporels US numérisation, sans nécessiter de grands…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par le Wellcome Trust IEH Award [102431] et par le Centre Wellcome/EPSRC pour génie médical [WT203148/Z/16/Z]. Les auteurs remercient financièrement par le ministère de la santé par l’intermédiaire du National Institute for Health Research (NIHR) complet Centre de recherches biomédicales prix de Guy et St Thomas’ NHS Foundation Trust en partenariat avec le roi de College de Londres et du roi College Hospital NHS Foundation Trust.

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

References

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Wang, S., Housden, J., Noh, Y., Singh, A., Back, J., Lindenroth, L., Liu, H., Hajnal, J., Althoefer, K., Singh, D., Rhode, K. Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound. J. Vis. Exp. (143), e58811, doi:10.3791/58811 (2019).

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