Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall
Summary
Dieses Papier stellt die Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung. Das System besitzt fünf Freiheitsgrade mit leichten Gelenke von 3D-Druck und einer mechanischen Kupplung für Sicherheitsmanagement gemacht.
Abstract
Mit dem Potential für hohe Präzision, Geschicklichkeit und Wiederholbarkeit kann selbst verfolgte Robot-System eingesetzt werden, um den Erwerb von Echtzeit-Ultraschall zu unterstützen. Begrenzte Anzahl von Robotern für extra körperliche Ultraschall entwickelt haben jedoch klinische Anwendung erfolgreich übersetzt worden. In dieser Studie wollen wir einen maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung zu bauen, die ist leicht und hat einen geringen Platzbedarf. Der Roboter bilden fünf speziell geformten Links und maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen für die Sonde Manipulation, zur Deckung der notwendigen Bewegungsfreiheit mit redundante Freiheitsgrade um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten. Die mechanische Sicherheit wird mit einer Kupplung Mechanismus, um die Krafteinwirkung auf Patienten zu beschränken betont. Durch das Design das Gesamtgewicht des Manipulators ist weniger als 2 kg und die Länge des Manipulators ist ca. 25 cm. Das Design wurde umgesetzt, und Simulation, phantom und freiwilligen Studien wurden durchgeführt, um die Bewegungsfreiheit, die Fähigkeit, den sicheren Betrieb der Kupplung, Feineinstellungen und mechanische Zuverlässigkeit zu überprüfen. Dieses Papier beschreibt die Gestaltung und Umsetzung von maßgeschneiderten Roboter Ultraschall-Manipulator mit der Konstruktion und Montage Methoden dargestellt. Testergebnisse zum Nachweis der Konstruktionsmerkmale und klinische Erfahrung im Umgang mit dem System werden vorgestellt. Es wird festgestellt, dass der aktuelle vorgeschlagene robotische Manipulator die Anforderungen als ein maßgeschneidertes System für extra körperliche Ultraschalluntersuchung erfüllt und hat ein großes Potenzial in der klinischen Anwendung umgesetzt werden.
Introduction
Eine extra körperliche Roboter (US)-Ultraschallsystem bezieht sich auf die Konfiguration, bei der ein Robot-System genutzt wird, um zu halten und manipulieren von einer US-Sonde für externe Prüfungen, einschließlich seiner Verwendung in der Herz-, Gefäß-, geburtshilflichen und allgemeine abdominale Bildgebung1 . Die Verwendung von einem Robotersystem ist motiviert durch die Herausforderungen der manuell holding und Manipulation einer US-Sonde, zum Beispiel die Herausforderung des Findens US Standardansichten geforderte klinische Bildgebung Protokolle und das Risiko für sich wiederholende Belastung Verletzung2, 3,4, und auch von den Bedürfnissen der uns screening-Programme, zum Beispiel die Forderung nach erfahren Ultraschalldiagnostiker zu vor-Ort-5,6. Mit Betonung auf unterschiedliche Funktionalitäten und Ziel Anatomien wurden mehrere US-Robotersysteme, wie in früheren Werken1,7,8, überprüft seit den 1990er Jahren, um verschiedene Aspekte der US zu verbessern eingeführt Prüfung (z.B., Fernverkehr Teleoperation9,10,11,12, als auch Roboter-Betreiber Interaktion und automatische Steuerung)13, 14. neben der US-Robotersysteme zu diagnostischen Zwecken eingesetzt, konzentriert Roboter Hochleistungs-(HIFU) Ultraschallsysteme für therapeutische Zwecke weit untersucht worden sind, wie durch Priester Et Al. zusammengefasst 1, mit einige aktuelle Werke15,16 der neuesten Entwicklung berichten.
Obwohl mehrere US-Robotersysteme mit relativ zuverlässige Technologien zur Steuerung und klinischen Betrieb entwickelt wurden, sind nur wenige von ihnen erfolgreich in klinischen Gebrauch, wie ein handelsüblicher Tele-Ultraschallsystem übersetzt worden 17. eine mögliche Ursache ist die geringe Akzeptanz für große industrielle aussehende Roboter in einem klinischen Umfeld, aus der Sicht der Patienten und Ultraschalldiagnostiker. Darüber hinaus verlassen sich für Sicherheitsmanagement, die Mehrheit der bestehenden US-Roboter auf Kraft-Sensoren zur Überwachung und Kontrolle den angewandte Druck auf die US-Sonde während grundlegendere mechanische Sicherheitsmechanismen, die Kraft passiv beschränken in der Regel nicht verfügbar sind . Dies kann auch Bedenken führen, wenn die Übersetzung in klinischen Gebrauch wie die Betriebssicherheit Roboter rein abhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik wäre.
Die neuen Zuführungen von 3D könnte Drucktechniken, speziell geformten Kunststoff Links mit maßgeschneiderten gemeinsame Mechanismen eine neue Chance für die Entwicklung maßgeschneiderter Medizinroboter bieten. Sorgfältig gestaltete Leichtbauteile mit eine kompakte Erscheinung könnte klinische Akzeptanz verbessern. Ein maßgeschneiderter medizinische Roboter übersetzt klinischen Einsatz abzielen sollten speziell für US-Prüfung kompakt, mit genügend Freiheitsgrade (Freiheitsgrade) und Beweglichkeit des Interessenbereichs eines Scans decken; zum Beispiel die Abdominal-Oberfläche, einschließlich oben und seitlich des Bauches. Darüber hinaus sollte der Roboter auch Feineinstellungen der US-Sonde in ein lokales durchzuführen, wenn Sie versuchen, eine US-Ansicht optimieren integrieren. Dies umfasst in der Regel Kipp Bewegungen der Sonde innerhalb eines bestimmten Bereichs, wie von internationaler Et Al. vorgeschlagen 18 und Bassit19. Um weiter die Sicherheitsbedenken auszuräumen, wird erwartet, dass das System passive mechanische Sicherheits-Features haben sollte, die unabhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik sind.
In diesem Papier stellen wir die detaillierte Planung und Montage-Methode eines 5-DOF geschickt robotic Manipulator, die als zentraler Bestandteil eine extra körperliche Robot US-System verwendet wird. Der Manipulator besteht aus mehreren leichte 3D druckbare Links, maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen und eine integrierte Sicherheits-Rutschkupplung. Die spezifische Anordnung der die Freiheitsgrade bietet volle Flexibilität für Anpassungen der Sonde, ermöglicht einfachen und sicheren Betrieb auf kleinem Raum ohne Kollision mit dem Patienten. Der vorgeschlagene Multi-DOF-Manipulator will als die wichtigste Komponente, die in Kontakt mit Patienten und es ist einfach konventionellen 3-DOF globale Positionierung Mechanismus bilden einen komplette US-Roboter mit vollaktives Freiheitsgrade um einen US-Scan durchführen befestigt werden kann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Gegensatz zu vielen anderen Industrieroboter, die in medizinischen Anwendungen übersetzt wurden, war der vorgeschlagene robotische Manipulator beschrieben im Protokoll speziell für US-Untersuchungen nach klinischen Anforderungen für den Bereich der Bewegung, Anwendung von Kraft und Sicherheitsmanagement. Der leichte robotische Manipulator selbst hat eine Vielzahl von Bewegungen, die ausreichend für die meisten extra körperliche US scannen, ohne die Notwendigkeit für große Bewegungen der globalen Positionierung …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch den Wellcome Trust IEH Award [102431] und Wellcome/EPSRC Zentrum für Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z] unterstützt. Die Autoren erkennen finanziellen Unterstützung von der Department of Health über das National Institute for Health Research (NIHR) umfassende Biomedical Research Centre Award an Kerls & St Thomas’ NHS Foundation Trust in Partnerschaft mit König College in London und Kings 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
- 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)
