증강 현실을 사용한 경피적 대동맥 판막 치환술의 자동 수술

요약

이 기사에서는 증강 현실(AR) 기반 3D 재구성을 기반으로 하는 자동 수술 모듈의 설계 및 구현을 소개합니다. 이 시스템은 외과의가 복원된 특징을 검사하고 마치 가까운 거리에서 수술을 수행하는 것처럼 수술의 손 움직임을 복제할 수 있도록 하여 원격 수술을 가능하게 합니다.

초록

증강 현실(AR)은 의료 응용 분야에서 수요가 많습니다. 이 논문의 목적은 경피적 대동맥 판막 치환술(TAVR)을 위해 AR을 사용한 자동 수술을 제공하는 것입니다. TAVR은 심장 절개 수술을 위한 대체 의료 시술입니다. TAVR은 카테터를 사용하여 손상된 판막을 새 판막으로 교체합니다. 기존 모델에서는 원격 안내가 이뤄지고, AR 기반의 수술은 자동화되지 않는다. 이 기사에서는 수술 환경에서 이미지 캡처를 자동화하기 위해 모터에 연결된 공간적으로 정렬된 카메라를 배포했습니다. 카메라는 카테터 테스트베드와 함께 환자 심장의 2D 고해상도 이미지를 추적합니다. 이렇게 캡처된 이미지는 모바일 앱을 사용하여 심장학 전문가인 원격 외과의에게 업로드됩니다. 이 이미지는 2D 이미지 추적에서 3D 재구성에 사용됩니다. 이는 랩톱의 에뮬레이터처럼 HoloLens 표시됩니다. 외과의는 회전 및 크기 조정과 같은 추가 변형 기능을 사용하여 재구성된 3D 이미지를 원격으로 검사할 수 있습니다. 이러한 변형 기능은 손 제스처를 통해 사용할 수 있습니다. 외과의의 안내는 수술 환경으로 전송되어 실시간 시나리오에서 프로세스를 자동화합니다. 수술 분야의 카테터 테스트베드는 원격 외과의의 손 제스처 안내에 의해 제어됩니다. 개발된 프로토타입 모델은 AR을 통한 원격 수술 지도의 효과를 보여줍니다.

서론

AR은 실제 환경에서 3D 모델을 중첩할 수 있습니다. AR을 향한 기술 발전은 교육¹, 의료², 제조업³, 엔터테인먼트⁴ 등 많은 분야에서 패러다임의 변화를 가져왔다. AR 기술은 매우 안정적인 저지연 통신과 함께 의료 분야에서 불가피한 역할을 입증합니다. 인체 해부학의 학습 단계부터 수술 지도에 이르기까지, AR 기반 소프트웨어^5,6 및 하드웨어를 사용하여 학습 단계를 시각화할 수 있습니다. AR은 수술 환경에서 의사에게 중요하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다 ^7,8.

대동맥 판막 협착증은 인류에게 가장 흔한 심장 판막 질환입니다⁹. 이 질병의 근본 원인은 잘못된 식습관과 불규칙한 일상 생활에 있습니다. 이 질병의 증상과 결과는 심장 판막이 좁아지고 혈류가 감소하는 것입니다. ....

프로토콜

1. 수술 환경

1. 그림 1과 같이 수술 환경을 설계합니다. 환경에 물체를 운반하는 플래터, 로봇 팔, 측면으로 매달린 두 개의 암이 있는지 확인하고, 하나는 카메라 플레이스홀더를 고정하고 다른 하나는 저울을 위한 계량 모듈과 함께 일관된 흰색 배경을 갖도록 합니다.
2. 2.1 - 2.10 단계에서 언급 한 것처럼 실제 수술 환경의 스냅 샷을위한 드라이버와 3.1 - 3.4 단계에서 언급 한 것처럼 360 ° 감시를 지원하는 회전 메커니즘을 제어하기 위해 두 개의 드라이버를 개발합니다.
3. 위의 두 모듈을 구현하기 전에 외과 의사의 HoloLens 에뮬레이터 역할을 하는 모바일 장치와 노트북의 Bluetooth를 활성화합니다.
4. 중단 없는 이미지 전송을 위해 장치를 페어링합니다.

2. 두 개의 매달린 팔을 제어하도록 드라이버 설정

1. 행잉 암이 360°의 완벽한 회전을 위해 그림 2 와 같이 배열된 스테퍼 모터로 제어되는지 확인하십시오.
2. TB 6600 드라이버를 사용하여 모터를....

결과

이 프로토콜은 하트 팬텀 모델로 테스트되었습니다. 그림 2 는 공간적으로 분산된 카메라를 사용하여 수술 현장을 실시간으로 감시하기 위한 예상 설정을 보여줍니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 분산된 카메라는 효과적인 3D 재구성을 위해 필드의 공간 해상도를 높이는 데 도움이 됩니다. 그러나 다양한 공간 위치에 이러한 카메라를 물리적으로 배치하는 것을 실현하는 것은 복잡성을 수반합니다. 그래서 우리는 설정 설계를 최적화하고 TB6600 드라이버로 구동되는 NEMA 모터를 중심으로 하는 공간적 자기 지향 카메라 배치 솔루션을 고안했습니다. 이 구조는 실현 가능하며 모델에서 구현되며 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1에서 자동 카메라 스냅샷과 블루투스 프로토콜을 통한 전송은 A.......

토론

기존 작업⁽¹⁵)에서는 심장에서 카테터를 찾기 위해 X선 및 CT 스캔을 검사합니다. 그러나 AR TAVR 대체는 3D 재구성을 사용한 자동 모델의 구현으로 TAVR¹⁸ 수술 절차의 새로운 가능성을 제시합니다. 프로토콜 섹션에서 언급했듯이 이 작업은 5단계로 설계해야 합니다. 이전 작업²²에서 제안한 섹션 6에서 언급한 DITF²²의 첫 번째 단계는 의료 애플리케이션에 모델을 포함하는 방식으로 향상되었습니다. 3D 재구성의 두 번째 단계는 2D 점에서 3D 모델을 구성하는 어려운 작업입니다. 모델을 검증하기 위해 다양한 입력 이미지로 모델을 테스트했습니다. 이미지를 재구성하기 위해 SFM²³이 채택되었습니다. 이미지의 일치는 보정 매트릭스와 함께 DITF²²의 도움으로 측정됩.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
안드로이드 IDE	소프트웨어	https://developer.android.com/studio	소프트웨어는 이 링크에서 다운로드할 수 있습니다
Arduino 보드	Ardunio Uno	Ardunio Uno	처리하기 위한 마이크로컨트롤러
		.	소프트웨어는 이 링크에서 다운로드할 수 있습니다.
인간의 심장 팬텀 모델	생물학 실험실 장비 제조 업체 및 수출	B071YBLX2V (8B-ZB2Q-H3MS-1)	심장의 깊은 분석에 3 부분의 경량 모델.
모바일 홀더	겸손한 범용 모노 포드 홀더	B07S9KNGVS	수술 분야에서 모바일을 휴대하려면
pycharm IDE	소프트웨어	https://www.jetbrains.com/pycharm/	소프트웨어는이 링크에서 다운로드 할 수 있습니다
로봇 팔	인쇄 봇	B08R2JLKYM (P0-E2UT-JSOU)	팔은 제어를 통해 제어 할 수 signal.it 액세스 자유도는 5 자유도입니다.
서보 모터	Kollmorgen Co-Engineers Motors	MG-966R	고 토크 서보 모터, 서보 펄스 범위는 500에서 2500 마이크로 초 (µ s), 주파수는 50Hz에서 333Hz입니다.
서보 모터	Kollmorgen 공동 엔지니어	SG-90R	서보에는 1.8kg-cm에서 2.5kg-cm 부하의 모터를 SG-90R 서보에 적용할 수 있습니다.
스테퍼 모터	28BYJ-48	28BYJ-48	스테퍼 모터, 5V DC, 100Hz 주파수, 토크 1200 Gf.cm
스테퍼 모터	Nema 23	Nema	스테퍼 모터, 9V - 42V DC, 100Hz 주파수

아두이노 소프트웨어 소프트웨어 https://www.arduino.cc/en/software