Methodenartikel

Ontwerp en implementatie van een op maat gemaakte Robot Manipulator voor extra lichamelijke echografie

DOI:

10.3791/58811

⸱

7 januari 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, 2Xtronics Ltd, 3Department of Informatics, King's College London, 4Faculty of Science & Engineering, Queen Mary University of London

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bereiding van elke koppeling einde-effector en aanvullende onderdelen

  1. Alle links (L0, L1, L2, L-3en L4) en de einde-effector afdrukken zoals weergegeven in Figuur 1, met acrylonitril butadieen styreen (ABS) kunststof, polylactic acid (PLA) plastic of nylon, met behulp van een 3D-printing dienst. Gebruik de. STL-bestanden die worden geleverd in de Aanvullende materialen bij het afdrukken.
    Opmerking: Wijzigingen in de vorm en de omvang van elk onderdeel kunnen worden aangebracht op basis op de meegeleverde bestanden. De innerlijke Profiel van de einde-effector kan aanpassen aan verschillende Amerikaanse sondes worden gewijzigd.
  2. Alle het vereist extra componenten worden afgedrukt zoals afgebeeld in Figuur 2 in nylon, met behulp van een 3D-afdrukservice. Verwijzen naar de Tabel van materialen voor het vereiste aantal van elk onderdeel. Gebruik de. STL-bestanden die worden geleverd in de Aanvullende materialen bij het afdrukken.
  3. Pools alle gedrukte kunststof onderdelen met het polijsten van hulpmiddelen indien nodig. Indien nodig links van 3D printing, ondersteunende materialen verwijderen.
    Opmerking: Sommige structuren in het geleverde eind-effector ontwerp zijn voor een kracht sensor, die geen onderdeel van het protocol hier gemeld is en zal niet worden gebruikt voor de montage. Het ontwerpconcept van kracht sensor is gemeld in vorige werk20; het valt dus niet in dit document.

2. vergadering van gezamenlijke 1

Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 1 lid J1, is gebaseerd op Figuur 3.

  1. Plaats van de vier kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L0 en monteer ze met schroeven.
  2. Plaats de twee 37 mm OD lagers in de ombouw van de invloed van L0 en de 120-tanden spur versnelling (Type A) op de sleutel van de zeshoek van L1veilig.
  3. Steek de schacht op L1 in het gat van de schacht op L0 met de vier kleine drijvende spur gears en het grote spur-versnelling, gedreven en monteren van de kraag van de schacht te beveiligen en het behouden van de schacht.

3. assemblage van gezamenlijke 2

Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 2 (J2) is gebaseerd op Figuur 4.

  1. Plaats van de vier kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L1 en monteer ze met schroeven.
  2. Sluit de twee 120-tanden spur gears (Type B) aan op de twee 37 mm OD lagers en de positie die hen in de holten van de versnelling van L1, met de 120-tanden spur versnelling (Type B) die zich bezighouden met de 20-tanden spur gears gemonteerd op de motoren. Schroef los en de motor opnieuw schroef als nodig zijn om de eenvoudige positionering van de twee 120-tanden type B spur versnelling.
  3. L1 en L2 uitlijnen en de peiling en de bal-voorjaar paren in de gaten van de koppeling in L2invoegen. Met de twee ronde koppeling covers uitlijnen en duwen de lente in het mechanisme van de koppeling voor vooraf te worden geladen, plaatst u een M6 bout in de opnameboringen L1 of L2.
  4. Draai de vergadering naar de andere kant en herhaal stap 3.3 voor deze kant. Beveilig de vergadering door een moer aansluiten met de M6 bout.

4. vergadering van gezamenlijke 3

Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 3 (J3) is gebaseerd op Figuur 5.

  1. Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L2 en monteer ze met schroeven.
  2. Plaats van de 37 mm OD gezien in de behuizing van de invloed van de 120-tanden spur versnelling (Type C) en plaats van de 32 mm OD gezien in de behuizing van de invloed van L3.
  3. De grote spur-versnelling in het sleutelgat van de zeshoek L3 veilig (extra schroeven kunnen worden gebruikt indien nodig) en de schacht op L2 invoegen in de opnameboringen over de grote spur gear en L3, met de kleine en de grote spur gears bezig.

5. assemblage van het rijden mechanisme voor gezamenlijke 4

Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 4 (J4) is gebaseerd op Figuur 6.

  1. Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren in de holten van de montage van L3 en bevestig ze met schroeven. Plaats de 8 mm OD lagers in de ombouw van de invloed van L4.
  2. Monteer de 20-tanden lange uitloper versnelling op de twee kleine stappenmotoren.

6. montage van de gedreven mechanisme voor gezamenlijke 4 en 5 van de gemeenschappelijke

Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 4 (J4) is gebaseerd op Figuur 6 en gezamenlijke 5 (J5) is gebaseerd op Figuur 7.

  1. Plaats de gedreven 144 tanden konische tandwielen op de extrusie van L4.
  2. Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren (haakse tandwielen verbonden met 18-tanden) in de holten van de montage van L4 en monteer ze met schroeven. Ten slotte, steek de M5 schacht in het gat van de schacht van L3 en L4 nadat de twee links worden uitgelijnd. Gebouwd in gedreven versnelling structuren op L4 wedstrijden met de 20 tanden lange uitloper versnelling zorgen.
  3. Invoegen van de einde-effector in de spiebaan van de grote konische tandwielen en verticaal plaatsen de einde-effector met de einde-effector kraag geschroefd op het.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Naar aanleiding van het protocol is het resulterende systeem een robot manipulator met vijf speciaal gevormde links (L0 tot en met L4) en vijf kwamen gewrichten (J-1 tot en met J5) verplaatsen, bedrijf en lokaal kantelen een Amerikaanse sonde (Figuur 8). Het bovenste rotatie gewricht (J1), met versnelling mechanismen bediend door vier motoren, kunt draaien de volgende structuren 360 °, zodat de Amerikaans...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 mec...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D-printed link L03D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
3D-printed link L13D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
3D-printed link L23D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
3D-printed link L33D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
3D-printed link L43D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
3D-printed end-effector3D printing service1Zoals getoond in Figuur 1, met het geleverde STL-bestand
20-teeth spur gear3D printing service120.5 module, 5 mm face width, met montagesleutelkanaal, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
18-teeth bevel gear3D printing service20.5 module, 5 mm face width, met montagesleutelkanaal, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
120-teeth spur gear (Type A)3D printing service10.5 module, 6 mm face width, met montagesleutel, lagerhuis en gat, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
120-teeth spur gear (Type B)3D printing service20.5 module, 6 mm face width, met terugslaggaten, lagerhuis en gat, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
120-teeth spur gear (Type C)3D printing service10.5 module, 6 mm face width, met montagesleutel, lagerhuis en gat, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
20-teeth long spur gear3D printing service10.5 module, 21.5 mm face width, met montagesleutelkanalen, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
144-teeth bevel gear3D printing service10.5 module, 7 mm face width, met montagesleutelkanalen, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
Bearing (37 mm O.D en 30 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK5Lagergrootte en leverancier kunnen variëren
Bearing (12 mm O.D en 6 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2Lagergrootte en leverancier kunnen variëren
Bearing (32 mm O.D en 25 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK1Lagergrootte en leverancier kunnen variëren
Bearing (8 mm O.D en 5 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2Lagergrootte en leverancier kunnen variëren
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm lang)TR Fastenings Ltd., UK1bijv. Zou een M6-bout en een moer kunnen zijn
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm lang)TR Fastenings Ltd., UK1bijv. Zou een M5-bout en een moer kunnen zijn
Ball-spring pairsWDS Ltd., UK4Aantal kogelveerparen kan worden gevarieerd om de triggerkracht van de koppeling aan te passen
Clutch covers3D printing service2104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm gat, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
3D-printed shaft collar3D printing service135 mm O.D en 30 mm I.D, 8mm face width, zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
3D-printed end-effector collar3D printing service1Zoals getoond in Figuur 2, met het geleverde STL-bestand
Small geared stepper motorsAOLONG TECHNOLOGY Ltd., China14Onderdeelnummer: GM15BYS; Interne overbrengingsverhouding 232:1 of 150:1, alles aanvaardbaar

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28(2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
  11. Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
  12. Vieyres, P., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S. , Boston, MA. 461-473 (2006).
  13. 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).
  14. 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. , Chicago, IL. (2000).
  15. 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).
  16. 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).
  17. AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
  18. 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).
  19. Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
  20. Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936(1936).
  21. 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. , Milan, Italy. (2015).
  22. Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Ultrasone probemechanische koppeling3D printencilindertandwielenstappenmotorenlagerhuisvestingkoppelingsassemblagebewegingsbereikklinische vertaling

Gerelateerde artikelen