تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل لمادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية
Summary
هذه الورقة بتقديم تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل لفحص مادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية. ويضم النظام خمس درجات من الحرية مع المفاصل خفيفة الوزن 3D الطباعة ومخلب ميكانيكية لإدارة السلامة.
Abstract
مع إمكانية عالية الدقة والبراعة والتكرار، يمكن أن تستخدم نظام روبوتية ذاتية متعقبة لمساعدة الحصول على الموجات فوق الصوتية في الوقت الحقيقي. ومع ذلك، بإعداد محدودة من الروبوتات المصممة لمادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية قد ترجمت بنجاح إلى الاستخدام السريري. في هذه الدراسة، ونحن نهدف إلى بناء مناور روبوتية مفصل للفحص بفائق الصوت خارج مادية، الذي هو وزن خفيف وحجم صغير. الروبوت يتكون من خمس وصلات خصيصا على شكل وآليات مشتركة مصنوعة خصيصا للتلاعب بالتحقيق، تغطية النطاق اللازم للحركة مع درجات الحرية الزائدة عن الحاجة لضمان سلامة المريض. ويشدد على سلامة الميكانيكية مع إليه مخلب، إلى الحد من القوة المطبقة على المرضى. نتيجة لتصميم والوزن الإجمالي المناول أقل من 2 كجم وطول المناور حوالي 25 سم. قد تم تنفيذ التصميم، والمحاكاة، وقد أجريت دراسات الوهمية، والمتطوعين، للتحقق من مدى الحركة، القدرة على إجراء تعديلات دقيقة والموثوقية الميكانيكية، والتشغيل الأمن مخلب. تفاصيل هذه الورقة في تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل بالموجات فوق الصوتية، مع أساليب التصميم والجمعية المصور. يتم عرض نتائج الاختبار إظهار ميزات التصميم والخبرة السريرية لاستخدام النظام. خلص إلى أن مناور الروبوتية المقترح الحالي يفي بالمتطلبات كنظام مفصل للفحص بفائق الصوت خارج مادية ولديها إمكانات كبيرة لأن تترجم إلى الاستخدام السريري.
Introduction
نظام الموجات فوق الصوتية روبوتية خارج مادية (الولايات المتحدة) يشير إلى التكوين الذي يستخدم نظام روبوتية لعقد والتلاعب مسبار أمريكي للامتحانات الخارجية، بما في ذلك استخدامها في تصوير البطن القلب والأوعية الدموية، والتوليد والعامة1 . استخدام هذا النظام الآلي دافع من التحديات التي تواجه عقد يدوياً والتلاعب بتحقيق أميركي، على سبيل المثال، التحدي المتمثل في إيجاد آراء الولايات المتحدة القياسية المطلوبة بموجب بروتوكولات التصوير السريري وخطر إصابات الإجهاد المتكررة2، 4من 3،، وأيضا باحتياجات لنا فحص البرامج، على سبيل المثال، شهدت الشرط sonographers لتكون في الموقع5،6. مع التركيز على وظائف مختلفة والهدف أناتوميس، عدة الروبوتية الولايات المتحدة، كما استعرضت في سابق يعمل1،،من78، أدخلت نظم منذ التسعينات، من أجل تحسين الجوانب المختلفة للولايات المتحدة فحص (مثلاً، تيليوبيريشن مسافات طويلة9،10،،من1112، فضلا عن روبوت-عامل التفاعل والتحكم الآلي)13، 14. بالإضافة إلى نظم الولايات المتحدة الروبوتية المستخدمة لأغراض التشخيص، ركزت الروبوتية عالية الكثافة نظم الموجات فوق الصوتية (هيفو) لأغراض العلاج وقد تم التحقيق على نطاق واسع كما لخصها بريستر et al. 1، مع بعض الأخيرة يعمل15،16 الإبلاغ عن التقدم الأخير.
على الرغم من أن قد وضعت عدة أنظمة روبوتية الولايات المتحدة مع تقنيات موثوقة نسبيا للسيطرة والعملية السريرية، سوى عدد قليل منهم قد ترجمت بنجاح إلى الاستخدام السريري، مثل نظام عن بعد متاحة تجارياً-الموجات فوق الصوتية 17-السبب المحتمل هو انخفاض مستوى القبول للروبوتات تبحث الصناعية كبيرة الحجم تعمل في بيئة سريرية، من وجهة نظر كل من المرضى وسونوجرافيرس. بالإضافة إلى ذلك، لإدارة السلامة، وغالبية الروبوتات الولايات المتحدة القائمة تعتمد على قوة أجهزة استشعار لرصد ومراقبة الضغط التطبيقية للمسبار الأمريكي، بينما آليات السلامة الميكانيكية الأساسية للحد من القوة سلبية لا تتوفر عادة . قد يتسبب هذا أيضا الشواغل عند ترجمة إلى الاستخدام السريري سلامة عمليات الروبوت سيكون بحتة تعتمد على النظم الكهربائية ومنطق البرنامج.
مع التطورات الأخيرة من 3D الطباعة التقنيات، خصيصا على شكل وصلات بلاستيكية مع آليات مشتركة مصنوعة خصيصا يمكن أن توفر فرصة جديدة لتطوير روبوت طبي مفصل. يمكن تحسين مكونات خفيفة الوزن مصممة بعناية مع مظهر مدمجة القبول السريري. روبوت طبي مفصل بهدف ترجمتها إلى الاستخدام السريري خصيصا للنظر في الولايات المتحدة، ينبغي أن يكون الاتفاق، مع ما يكفي من درجات الحرية (DOFs) ومجموعة من الاقتراح لتغطية منطقة مصلحة الفحص؛ على سبيل المثال، البطن السطح، بما في ذلك كل من أعلى وجانبي البطن. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تتضمن الروبوت أيضا القدرة على إجراء تعديلات دقيقة المسبار الأميركي في منطقة محلية، عند محاولة تحسين طريقة عرض الولايات المتحدة. ويشمل ذلك عادة حركات إمالة للتحقيق داخل نطاق معين، كما اقترح ايسومبا et al. 18 والباسط19. لمواصلة التصدي لشواغل السلامة، فمن المتوقع أن يكون النظام ميزات السلامة الميكانيكية السلبية التي مستقلة عن الأنظمة الكهربائية ومنطق البرنامج.
في هذه الورقة، نقدم تفصيلاً طريقة 5-شعبة الشؤون المالية البارع الروبوتية مناور، الذي يستخدم عنصرا أساسيا في نظام الولايات المتحدة الروبوتية مادية خارجة عن التصميم والجمعية. المناور يتكون من عدة روابط للطباعة 3D خفيفة الوزن ومصنوعة خصيصا آليات مشتركة ومخلب سلامة مدمج. ترتيب معين للمصايد توفر المرونة الكاملة للتعديلات التحقيق، مما يسمح بعمليات سهلة وآمنة في منطقة صغيرة دون الاصطدام مع المريض. المناول المقترح multi-شعبة الشؤون المالية يهدف إلى العمل كما يمكن إرفاق المكون الرئيسي الذي على اتصال بالمرضى، وذلك ببساطة بأي الآلية التقليدية 3-شعبة الشؤون المالية تحديد المواقع العالمية لتشكيل روبوت أميركي كامل مع المصايد نشط بشكل كامل إجراء فحص للولايات المتحدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
خلافا للعديد من غيرها الروبوتات الصناعية التي ترجمت إلى التطبيقات الطبية، مناور الآلية المقترحة المبينة في البروتوكول تم تصميمه خصيصا للامتحانات الأمريكية وفقا للمتطلبات السريرية لنطاق الحركة، تطبيق القوة، وإدارة السلامة. وقد مناور الروبوتية خفيفة الوزن نفسه مجموعة واسعة من الحركات ك…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل “مؤسسة ويلكوم ترست منح دار” [102431] ومركز ويلكوم/EPSRC “الهندسة الطبية” [WT203148/Z/16/Z]. الكتاب تقر دعما ماليا من وزارة الصحة عن طريق المعهد الوطني للبحوث الصحية (NIHR) جائزة “مركز البحوث الطبية الحيوية” الشاملة للرجل وسانت توماس “دائرة الصحة الوطنية مؤسسة تثق” في شراكة مع الملك في كلية لندن والملك الثقة مستشفى الكلية مؤسسة دائرة الصحة الوطنية.
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)
