Разработка и осуществление заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ
Summary
Этот документ вводит при разработке и осуществлении заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ. Система имеет пять степеней свободы с легкий суставов, сделанные 3D печати и механического сцепления для управления безопасностью.
Abstract
С потенциалом для высокой точности, ловкость и повторяемость, самостоятельно записанные робототехническая система может использоваться для оказания помощи на приобретение реального времени УЗИ. Однако ограниченное количество роботов для экстра телесной УЗИ были успешно переведены на клинического использования. В этом исследовании мы стремимся создать заказ робот манипулятор для экстра телесной УЗИ, который легкий и имеет небольшие размеры. Робот формируется пять специально формы ссылки и по индивидуальному заказу совместных механизмов для манипуляции зонд, чтобы покрыть необходимые диапазон движения с избыточным степеней свободы для обеспечения безопасности пациента. Механической безопасности подчеркивается с механизмом сцепления, ограничить усилие к пациентам. Результате дизайн общая масса манипулятора составляет менее 2 кг и манипулятора составляет около 25 см. Конструкция была выполнена и моделирование, Фантом и добровольцев исследования были проведены, чтобы проверить диапазон движения, способность сделать точную регулировку, механической надежности и безопасной эксплуатации сцепления. Этот документ подробно при разработке и осуществлении заказ роботизированной УЗИ манипулятора, с методами проектирования и монтажа, иллюстрированный. Представлены результаты тестирования для демонстрации возможности дизайна и клинический опыт использования системы. Сделан вывод, что текущий предлагаемых робот манипулятор отвечает требованиям как индивидуальные системы для экстра телесной УЗИ и имеет большой потенциал, чтобы быть переведены на клиническое применение.
Introduction
Экстра телесной робот ультразвуковой (США) системы относится к конфигурации, в котором робототехническая система используется и манипулировать США зонд для внешних экзаменов, включая ее использование в брюшной изображений сердца, сосудов, акушерских и общие1 . Использование такой Робототехнические системы является мотивированным, задачи вручную Холдинг и манипулирования зондом США, к примеру, задача найти стандартные США представления необходимых клинических изображений протоколы и риск повторяющийся штамм травмы2, 3,4, а также потребности нас скрининговых программ, например, требование для опытных sonographers быть на месте5,6. С акценты на различных функций и целевых анатомией несколько роботизированных систем США, как указывалось в предыдущих работ1,,7,8, были введены с 1990 года, чтобы улучшить различные аспекты США экспертиза (например, междугородные teleoperation9,10,11,12, а также робот оператора взаимодействия и автоматического управления)13, 14. Помимо робототехнических систем США используется для диагностических целей, Роботизированная высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU) систем для целей лечения широко исследованы, как их резюмировал Пристер et al. 1, с некоторых недавних работ15,16 докладов последних достижений.
Хотя с относительно надежных технологий для управления и клинической работы были разработаны несколько роботизированных систем в США, лишь немногие из них были успешно переведены на клинического применения, таких как коммерчески доступных теле ультразвуковая система 17. одной из возможных причин является низкий уровень признания для большого размера перспективных промышленных роботов, работающих в клинических условиях, с точки зрения как пациентов, так и sonographers. Кроме того для управления безопасностью, большинство существующих роботов США полагаются на силу датчики для мониторинга и контроля приложенное давление на штырь, США, в то время как более фундаментальных механизмов механической безопасности ограничить силу пассивно, как правило, не доступны . Это может также вызвать проблемы при переводе в клинической практике как безопасность эксплуатации робот будет зависеть чисто электрических систем и логику программного обеспечения.
С помощью последних достижений 3D печати методы, специально формы пластиковые ссылки с заказной совместных механизмов может предоставить новую возможность для разработки на заказ медицинские роботы. Тщательно разработанные легкие компоненты с более компактный вид может улучшить клинические признание. Специально для УЗИ заказ медицинского робота, направленных на переводится на клинического использования должен быть компактным, с достаточно степеней свободы (степени свободы) и диапазон движения для покрытия области интереса сканирования; например брюшной поверхности, включая как сверху и по бокам живота. Кроме того робот также должны включать возможность выполнять точную регулировку США зонда в локальной области, пытаясь оптимизировать представление США. Это обычно включает в себя наклона движения зонда в определенных пределах, как это было предложено Эссомба et al. 18 и19Bassit. Для дальнейшего решения проблемы безопасности, предполагается, что система должна иметь пассивной механической безопасности функции, которые являются независимыми от электрических систем и программного обеспечения логики.
В этой статье мы представляем подробное проектирование и сборка метод 5-DOF ловкие робот манипулятор, который используется в качестве ключевых компонентов экстра телесной Робототехнические системы США. Манипулятор состоит из нескольких легкий 3D-печати ссылки, по индивидуальному заказу совместных механизмов и встроенной безопасности сцепления. Конкретные договоренности о степени свободы обеспечивает полную гибкость для корректировки зонд, позволяя легко и безопасно операции в небольшой области без столкновений с пациентом. Манипулятор предлагаемого multi-DOF стремится работать как основной компонент, который поддерживает контакты с пациентами и он может быть просто присоединен к любой обычных 3-ФО глобального позиционирования механизм для формирования полного США робот с полностью активные ограничения степеней свободы для выполнения сканирования США.
Protocol
Representative Results
Discussion
В отличие от многих других промышленных роботов, которые были переведены на медицинских приложений предлагаемых робот манипулятор, описано в протоколе был специально разработан для США экзамены согласно клиническим требованиям для диапазона движения, применение силы и управления бе…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа было поддержано Уэллком доверять IEH премии [102431] и Добро пожаловать/EPSRC центром медицинской техники [WT203148/Z/16/Z]. Авторы признают финансовую поддержку от Департамента здравоохранения через Национальный институт медицинских исследований (NIHR) всеобъемлющий центр биомедицинских исследований премии доверить парня и Сент-Томас NHS Фонд в партнерстве с королем в Колледж Лондона и Кингс колледж больницы NHS Фонд доверия.
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)
