העיצוב והיישום של תחמן רובוטית העידו סאונד אקסטרה גשמית
Summary
מאמר זה מציג את העיצוב והיישום של תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית. המערכת כוללת חמש דרגות חופש עם מפרקים קלת משקל שבוצעו על-ידי הדפסת תלת-ממד ומצמד מכני לניהול בטיחות.
Abstract
עם פוטנציאל ברמת דיוק גבוהה, מיומנות של הדיר, מערכת רובוטית מסומנים עצמית יכול להיות מועסק על מנת לסייע ברכישת אולטרסאונד בזמן אמת. עם זאת, מספר מוגבל של רובוט שתוכנן במיוחד גשמית סאונד בהצלחה תורגמו שימוש קליני. במחקר זה, אנו שואפים לבנות תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, אשר הוא קל משקל ובעל שטח רצפה קטן. הרובוט נוצר על ידי חמישה קישורים מיוחד בצורת ומנגנונים משותפת בהזמנה אישית עבור בדיקה מניפולציה, כדי לכסות את טווח התנועה עם דרגות חופש עודפים כדי להבטיח בטיחות המטופל הכרחי. בטיחות מכני מודגשת עם מנגנון מצמד, להגביל את הכוח חלה על חולים. בשל העיצוב, המשקל הכולל של manipulator הוא פחות מ-2 ק ג, אורך manipulator הוא כ- 25 ס מ. העיצוב יושמה, וסימולציה, פנטום, מתנדב מחקרים בוצעו, כדי לאמת את טווח התנועה, היכולת לבצע כוונון עדין, אמינות מכנית, ולפעולה בטוח של המצמד. נייר זה פרטי העיצוב והיישום של manipulator העידו אולטרסאונד רובוטית, עם השיטות ועיצוב ההרכבה מאויר. תוצאות הבדיקה להדגים את תכונות עיצוב והניסיון הקליני של שימוש במערכת מוצגים. הוא הוא סיכם כי manipulator רובוטית המוצע הנוכחי עומד בדרישות כמערכת העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, יש פוטנציאל אדיר להיות מתורגם שימוש קליני.
Introduction
מערכת סאונד אקסטרה גשמית רובוטית (ארה ב) מתייחס לתצורת שבו מערכת רובוטית הוא מנוצל כדי להחזיק ולטפל בדיקה בארה ב בחינות חיצוניות, כולל את השימוש בדימות בטן, לב, כלי דם, להיריון, גנרל1 . השימוש של מערכת רובוטית כזו הוא מוטיבציה מאת האתגרים של ידנית מחזיק מניפולציה בדיקה בארה ב, למשל, אתגר מציאת נוף ארה ב הרגיל הנדרש על-ידי פרוטוקולים דימות רפואי לבין הסיכון של פציעת מאמץ חוזרני2, 3,4, ומנוסה גם לפי הצרכים של לנו הקרנת תוכניות, למשל, הדרישה sonographers להיות באתר5,6. עם ההדגשות על פונקציות שונות, המטרה anatomies, ארה ב מספר מערכות רובוטיות, כפי שנבדקו ב קודמות עבודות1,7,8, הוכנסו מאז שנות ה-90, לשפר היבטים שונים של ארה ב הבדיקה (למשל, teleoperation למרחקים ארוכים9,10,11,12, כמו גם רובוט-אופרטור אינטראקציה ו בקרה אוטומטית)13, 14. בנוסף ארה ב סוכנית לצורכי איבחון, ממוקדת בעוצמה גבוהה רובוטית מערכות אולטרסאונד (HIFU) עבור מטרות הטיפול נחקרו באופן נרחב כפי שסוכם על-ידי. Priester et al. 1, עם כמה אחרונים עבודות15,16 ודיווח על ההתקדמות האחרונה.
למרות מספר מערכות רובוטיות ארה ב פותחו בטכנולוגיות יחסית אמין עבור שליטה ותפעול קליני, רק מעטים מהם בהצלחה תורגמו שימוש קליני, כגון מערכת זמינים מסחרית tele-אולטראסאונד 17. סיבה אפשרית אחת היא הרמה נמוכה של קבלה עבור רובוטים תעשייתי גדול לעבוד בסביבה קלינית, מנקודת המבט של המטופלים והן sonographers. בנוסף, לניהול בטיחות, הרוב המכריע של הרובוטים בארה ב קיימים להסתמך על כוח חיישנים לפקח ולשלוט הלחץ יישומי המכשיר בארה ב, בעוד מנגנוני בטיחות מכני בסיסי יותר להגביל את הכוח פסיבי זמינים בדרך כלל לא . זה עלול לגרום גם חששות כאשר לתרגם שימוש קליני הבטיחות של רובוט המבצע יהיה תלוי אך ורק לוגיקה תוכנה ומערכות חשמל.
ההתפתחויות האחרונות של תלת-ממד הדפסה טכניקות, במיוחד בצורת קישורים פלסטיק עם מנגנון משותף בהזמנה אישית יכול לספק הזדמנות חדשה עבור פיתוח רובוטים רפואיים העידו. תוכנן בקפידה רכיבים קל משקל עם מראה קומפקטי יכולה לשפר קבלה קליניים. במיוחד עבור בדיקה בארה ב, רובוט רפואי העידו מכוון להיות מתורגם שימוש קליני צריך להיות קומפקטי, עם מספיק דרגות חופש (DOFs) ואת טווח התנועה כדי לכסות את האזור של האינטרס של סריקה; לדוגמה, בטן השטח, כולל החלק העליון והחלק צדי בבטן. בנוסף, הרובוט צריך גם לשלב את היכולת לבצע כוונון עדין של המכשיר ארה באזור המקומי, כאשר מנסים לייעל את נוף בארה ב. בדרך כלל כולל הטיית תנועות של המכשיר בתוך טווח מסוים, כפי שהוצע על ידי. Essomba et al. 18 ו- Bassit19. כדי לטפל עוד יותר את חששות בטיחות, צפוי כי המערכת צריך תכונות בטיחות פסיבית מכני אשר אינם תלויים מערכות חשמל ולוגיקה תוכנה.
במאמר זה, נציג השיטה מפורט ועיצוב ההרכבה של 5-DOF מיומנות רובוטית תחמן, אשר משמש מרכיב המפתח של מערכת בארה ב במיוחד גשמית רובוטית. Manipulator מורכב של מספר קישורים ניתנים להדפסה תלת-ממד קלת משקל, מנגנון משותף בהזמנה אישית מצמד הבטיחות המובנות. סידור מסוים DOFs מספק גמישות מלאה עבור התאמות בדיקה, המאפשר תפעול קלה ובטוחה באזור קטן ללא התנגשות עם המטופל. Manipulator מולטי-DOF המוצעת שואפת לעבוד כפי הרכיב הראשי יצר קשר. עם מטופלים וזה ניתן פשוט לחבר מנגנון כללי 3 קונבנציונאלי-DOF מיקום כדי ליצור רובוט ארה ב להשלים עם DOFs פעיל מלא כדי לבצע סריקה בארה ב.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלא כמו רבים אחרים רובוטים תעשייתיים אשר תורגמו יישומים רפואיים, manipulator רובוטית המוצע תיאר בפרוטוקול תוכננה במיוחד עבור ארה ב בדיקות בהתאם לדרישות קליניים עבור טווח תנועה, יישום של כוח וניהול בטיחות. Manipulator רובוטית קלת משקל עצמה יש מגוון רחב של תנועות מספיק עבור רוב גשמית במיוחד ארה ב סריק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי Wellcome אמון IEH בפרס [102431] על ידי המרכז Wellcome/EPSRC עבור הנדסה רפואית [WT203148/Z 16 Z]. המחברים לאשר תמיכה כספית מ משרד הבריאות באמצעות המכון הלאומי לחקר הבריאות (NIHR) פרס מרכז המחקר הביו-רפואי מקיף של הבחור & תומס הקדוש NHS הקרן לבטוח בשותפות עם המלך של קולג ‘-לונדון וקינג’ס המכללה החולים NHS קרן האמון.
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)
