Conception et réalisation d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’échographie extracorporelle
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
Representative Results
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…
Divulgations
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
- 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)
