Ontwerp en implementatie van een op maat gemaakte Robot Manipulator voor extra lichamelijke echografie
Summary
Deze paper introduceert het ontwerp en de uitvoering van een op maat gemaakte robot manipulator voor extra lichamelijke echografie onderzoek. Het systeem heeft vijf graden van vrijheid met lichtgewicht gewrichten gemaakt door 3D printen en een mechanische koppeling voor veiligheidsbeheer.
Abstract
Met de mogelijkheden voor hoge precisie, beweeglijkheid en herhaalbaarheid, kan een zelf bijgehouden robotic systeem worden gebruikt om te helpen het verwerven van real-time echografie. Echter zijn beperkt aantal robots ontworpen voor extra lichamelijke echografie met succes vertaald in klinisch gebruik. In deze studie willen we het bouwen van een op maat gemaakte robot manipulator voor extra lichamelijke echografie onderzoek, dat is lichtgewicht en heeft een kleine voetafdruk. De robot wordt gevormd door vijf speciaal gevormde links en op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen voor de manipulatie van de sonde, ter dekking van de noodzakelijke bereik van de beweging met redundante vrijheidsgraden om de veiligheid van de patiënt te waarborgen. De mechanische veiligheid wordt benadrukt met een koppeling mechanisme, tot het beperken van de kracht toegepast op patiënten. Als gevolg van het ontwerp, het totale gewicht van de manipulator is minder dan 2 kg en de lengte van de manipulator is ongeveer 25 cm. Het ontwerp heeft gelegd, en simulatie, phantom vrijwilliger studies zijn uitgevoerd, voor het valideren van het bereik van de beweging, de mogelijkheid om nauwkeurige wijzigingen, mechanische betrouwbaarheid en de veilige exploitatie van de koppeling. Dit document gedetailleerd het ontwerp en de uitvoering van de op maat gemaakte robotic echografie manipulator, met de constructie- en montage methoden geïllustreerd. Testresultaten om aan te tonen de ontwerpfuncties en klinische ervaring van het gebruik van het systeem worden gepresenteerd. Geconcludeerd wordt dat de huidige voorgestelde robot manipulator voldoet aan de vereisten als een op maat gemaakte systeem voor extra lichamelijke echografie onderzoek en heeft een groot potentieel in klinische gebruik worden vertaald.
Introduction
Een extra lichamelijke robotic echografie (VS)-systeem verwijst naar de configuratie waarin een robot-systeem wordt gebruikt om te houden en manipuleren van een Amerikaanse sonde voor externe onderzoeken, met inbegrip van het gebruik ervan in de cardiale, vasculaire, verloskundige en algemene-abdominale imaging1 . Het gebruik van een dergelijk robotic systeem is gemotiveerd door de uitdagingen van handmatig holding en manipuleren van een Amerikaanse sonde, bijvoorbeeld, de uitdaging van het vinden van de standaardweergaven van de VS vereist door klinische beeldvorming protocollen en het risico van repetitive strain injury2, 3,4, en ook door de behoeften van ons screening programma’s, bijvoorbeeld de eis voor ervaren sonographers om te worden on-site5,6. Met accenten op verschillende functionaliteiten en doel anatomie, verschillende Amerikaanse Robotsystemen, zoals herzien in eerdere werken1,7,8, bijgekomen sinds de jaren 1990, om verschillende aspecten van VS onderzoek (b.v., over lange afstanden teleoperation9,10,11,12, evenals robot-operator interactie en automatische controle)13, 14. naast de Amerikaanse Robotsystemen gebruikt voor diagnostische doeleinden, gericht robotic hoge-intensiteit ultrageluid (HIFU) systemen voor behandeling doeleinden grote schaal onderzocht zijn zoals samengevat door Priester et al. 1, met enkele recente werken15,16 rapportage van de laatste vorderingen.
Hoewel verschillende robotic Amerikaanse systemen zijn ontwikkeld met relatief betrouwbare technologieën voor controle en klinische werking, zijn slechts een paar van hen met succes vertaald in klinische gebruik, zoals een commercieel beschikbare tele-echografie-systeem 17. een mogelijke reden is het lage niveau van acceptatie voor groot-formaat industrieel ogende robots werken in een klinische omgeving, vanuit het oogpunt van zowel de patiënten als de sonographers. Bovendien, voor de veiligheid van het beheer afhankelijk de meerderheid van de bestaande Amerikaanse robots krachtsensors voor bewaking en beheersing van de toegepaste druk om de Amerikaanse sonde, terwijl de meer fundamentele mechanische veiligheidsmechanismen te beperken de kracht passief zijn meestal niet beschikbaar . Ook hierdoor kan zorgen bij het vertalen in klinisch gebruik, zoals de veiligheid van robot operatie zou puur afhankelijk van elektrische systemen en software logica.
Met de recente ontwikkelingen op het gebied van 3D kan printing technieken, speciaal gevormde kunststof koppelingen met op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen bieden een nieuwe kans voor ontwikkelen op maat gemaakte medische robots. Klinische aanvaarding kunnen worden verbeterd door zorgvuldig ontworpen lichtgewicht onderdelen met een compacte vormgeving. Speciaal voor Amerikaanse onderzoek moet een op maat gemaakte medische robot gericht vertaald in klinische gebruik compact, met voldoende vrijheidsgraden (DOFs) en het bereik van de beweging voor de regio van belang voor een scan; bijvoorbeeld, de abdominale oppervlakte, met inbegrip van zowel de boven- en de zijden van de buik. Bovendien moet de robot ook de mogelijkheid voor het uitvoeren van fijne aanpassingen van de Amerikaanse sonde in een local area, wanneer het proberen om een Amerikaanse weergave optimaliseren opnemen. Dit omvat meestal kantelbare bewegingen van de sonde binnen een bepaald bereik, zoals voorgesteld door Essomba et al. 18 en19van de bassin. Om verder aan de bezorgdheid over de veiligheid, verwacht wordt dat het systeem moet hebben passieve mechanische veiligheidsfuncties die onafhankelijk zijn van de elektrische systemen en software logica.
In deze paper presenteren we de gedetailleerde constructie- en montage methode van een 5-DOF vingervlugge robot manipulator, die wordt gebruikt als de belangrijkste component van een extra lichamelijke robotic Amerikaanse systeem. De manipulator bestaat uit verschillende lichtgewicht 3D-printbaar koppelingen, op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen en een ingebouwde veiligheid-koppeling. De specifieke regeling van de DOFs biedt volledige flexibiliteit voor aanpassingen van de sonde, waardoor gemakkelijk en veilig in een klein gebied zonder botsen met de patiënt. De voorgestelde multi-DOF manipulator wil werken als de belangrijkste component die contact met patiënten en het kan gewoon worden aangesloten op een conventionele 3-DOF global positioning mechanisme om te vormen van een volledige Amerikaanse robot met volledig actieve DOFs voor het uitvoeren van een scan van de VS.
Protocol
Representative Results
Discussion
In tegenstelling tot vele andere industriële robots die zijn vertaald in medische toepassingen, is de voorgestelde robot manipulator beschreven in het protocol speciaal ontworpen voor de Amerikaanse onderzoeken volgens klinische eisen voor het bereik van de beweging, toepassing van geweld, en de veiligheid van het beheer. De lichtgewicht robot manipulator zelf heeft een breed scala van bewegingen voldoende voor de meeste extra lichamelijke VS scannen, zonder de noodzaak van grote bewegingen van het global positioning me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Wellcome Trust IEH Award [102431] en door de Wellcome/EPSRC centrum voor Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. De auteurs erkennen financiële steun van het ministerie van volksgezondheid via het National Institute for Health onderzoek (NIHR) uitgebreide Biomedical Research Centre award naar Guy’s & St Thomas’ NHS Foundation Trust in samenwerking met de koning van College London en King’s 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)
