Summary
מאמר זה מציג את העיצוב והיישום של תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית. המערכת כוללת חמש דרגות חופש עם מפרקים קלת משקל שבוצעו על-ידי הדפסת תלת-ממד ומצמד מכני לניהול בטיחות.
Abstract
עם פוטנציאל ברמת דיוק גבוהה, מיומנות של הדיר, מערכת רובוטית מסומנים עצמית יכול להיות מועסק על מנת לסייע ברכישת אולטרסאונד בזמן אמת. עם זאת, מספר מוגבל של רובוט שתוכנן במיוחד גשמית סאונד בהצלחה תורגמו שימוש קליני. במחקר זה, אנו שואפים לבנות תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, אשר הוא קל משקל ובעל שטח רצפה קטן. הרובוט נוצר על ידי חמישה קישורים מיוחד בצורת ומנגנונים משותפת בהזמנה אישית עבור בדיקה מניפולציה, כדי לכסות את טווח התנועה עם דרגות חופש עודפים כדי להבטיח בטיחות המטופל הכרחי. בטיחות מכני מודגשת עם מנגנון מצמד, להגביל את הכוח חלה על חולים. בשל העיצוב, המשקל הכולל של manipulator הוא פחות מ-2 ק ג, אורך manipulator הוא כ- 25 ס מ. העיצוב יושמה, וסימולציה, פנטום, מתנדב מחקרים בוצעו, כדי לאמת את טווח התנועה, היכולת לבצע כוונון עדין, אמינות מכנית, ולפעולה בטוח של המצמד. נייר זה פרטי העיצוב והיישום של manipulator העידו אולטרסאונד רובוטית, עם השיטות ועיצוב ההרכבה מאויר. תוצאות הבדיקה להדגים את תכונות עיצוב והניסיון הקליני של שימוש במערכת מוצגים. הוא הוא סיכם כי manipulator רובוטית המוצע הנוכחי עומד בדרישות כמערכת העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, יש פוטנציאל אדיר להיות מתורגם שימוש קליני.
Introduction
מערכת סאונד אקסטרה גשמית רובוטית (ארה ב) מתייחס לתצורת שבו מערכת רובוטית הוא מנוצל כדי להחזיק ולטפל בדיקה בארה ב בחינות חיצוניות, כולל את השימוש בדימות בטן, לב, כלי דם, להיריון, גנרל1 . השימוש של מערכת רובוטית כזו הוא מוטיבציה מאת האתגרים של ידנית מחזיק מניפולציה בדיקה בארה ב, למשל, אתגר מציאת נוף ארה ב הרגיל הנדרש על-ידי פרוטוקולים דימות רפואי לבין הסיכון של פציעת מאמץ חוזרני2, 3,4, ומנוסה גם לפי הצרכים של לנו הקרנת תוכניות, למשל, הדרישה sonographers להיות באתר5,6. עם ההדגשות על פונקציות שונות, המטרה anatomies, ארה ב מספר מערכות רובוטיות, כפי שנבדקו ב קודמות עבודות1,7,8, הוכנסו מאז שנות ה-90, לשפר היבטים שונים של ארה ב הבדיקה (למשל, teleoperation למרחקים ארוכים9,10,11,12, כמו גם רובוט-אופרטור אינטראקציה ו בקרה אוטומטית)13, 14. בנוסף ארה ב סוכנית לצורכי איבחון, ממוקדת בעוצמה גבוהה רובוטית מערכות אולטרסאונד (HIFU) עבור מטרות הטיפול נחקרו באופן נרחב כפי שסוכם על-ידי. Priester et al. 1, עם כמה אחרונים עבודות15,16 ודיווח על ההתקדמות האחרונה.
למרות מספר מערכות רובוטיות ארה ב פותחו בטכנולוגיות יחסית אמין עבור שליטה ותפעול קליני, רק מעטים מהם בהצלחה תורגמו שימוש קליני, כגון מערכת זמינים מסחרית tele-אולטראסאונד 17. סיבה אפשרית אחת היא הרמה נמוכה של קבלה עבור רובוטים תעשייתי גדול לעבוד בסביבה קלינית, מנקודת המבט של המטופלים והן sonographers. בנוסף, לניהול בטיחות, הרוב המכריע של הרובוטים בארה ב קיימים להסתמך על כוח חיישנים לפקח ולשלוט הלחץ יישומי המכשיר בארה ב, בעוד מנגנוני בטיחות מכני בסיסי יותר להגביל את הכוח פסיבי זמינים בדרך כלל לא . זה עלול לגרום גם חששות כאשר לתרגם שימוש קליני הבטיחות של רובוט המבצע יהיה תלוי אך ורק לוגיקה תוכנה ומערכות חשמל.
ההתפתחויות האחרונות של תלת-ממד הדפסה טכניקות, במיוחד בצורת קישורים פלסטיק עם מנגנון משותף בהזמנה אישית יכול לספק הזדמנות חדשה עבור פיתוח רובוטים רפואיים העידו. תוכנן בקפידה רכיבים קל משקל עם מראה קומפקטי יכולה לשפר קבלה קליניים. במיוחד עבור בדיקה בארה ב, רובוט רפואי העידו מכוון להיות מתורגם שימוש קליני צריך להיות קומפקטי, עם מספיק דרגות חופש (DOFs) ואת טווח התנועה כדי לכסות את האזור של האינטרס של סריקה; לדוגמה, בטן השטח, כולל החלק העליון והחלק צדי בבטן. בנוסף, הרובוט צריך גם לשלב את היכולת לבצע כוונון עדין של המכשיר ארה באזור המקומי, כאשר מנסים לייעל את נוף בארה ב. בדרך כלל כולל הטיית תנועות של המכשיר בתוך טווח מסוים, כפי שהוצע על ידי. Essomba et al. 18 ו- Bassit19. כדי לטפל עוד יותר את חששות בטיחות, צפוי כי המערכת צריך תכונות בטיחות פסיבית מכני אשר אינם תלויים מערכות חשמל ולוגיקה תוכנה.
במאמר זה, נציג השיטה מפורט ועיצוב ההרכבה של 5-DOF מיומנות רובוטית תחמן, אשר משמש מרכיב המפתח של מערכת בארה ב במיוחד גשמית רובוטית. Manipulator מורכב של מספר קישורים ניתנים להדפסה תלת-ממד קלת משקל, מנגנון משותף בהזמנה אישית מצמד הבטיחות המובנות. סידור מסוים DOFs מספק גמישות מלאה עבור התאמות בדיקה, המאפשר תפעול קלה ובטוחה באזור קטן ללא התנגשות עם המטופל. Manipulator מולטי-DOF המוצעת שואפת לעבוד כפי הרכיב הראשי יצר קשר. עם מטופלים וזה ניתן פשוט לחבר מנגנון כללי 3 קונבנציונאלי-DOF מיקום כדי ליצור רובוט ארה ב להשלים עם DOFs פעיל מלא כדי לבצע סריקה בארה ב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנה של כל קישור, סוף-אפקטור ורכיבים נוספים
- הדפס כל הקישורים (L0, L1, L2, L3ו- L4) ואת הקצה-אפקטור כפי שמוצג באיור 1, עם בוטאדיאן טבעי styrene (ABS) פלסטיק, פלסטיק (PLA) חומצה polylactic או ניילון, באמצעות 3D-הדפסה שירות. השתמש. STL קבצים הניתנים חומרים משלים בעת הדפסה.
הערה: שינויי הצורה ואת קנה המידה של כל חלק שניתן יהיה מבוסס על קבצים שסופקו. לפרופיל הפנימי של הסוף-אפקטור ניתן לשנות כדי להתאים הגששים בארה ב שונה. - הדפס את כל הרכיבים נוספים הנדרשים כפי שמוצג באיור 2 ניילון, באמצעות שירות הדפסת תלת-ממד. עיין בטבלה של חומרים עבור המספר הנדרש של כל מרכיב. השתמש. STL קבצים הניתנים חומרים משלים בעת הדפסה.
- ללטש את כל חלקי הפלסטיק מודפסים עם כלי ליטוש במידת הצורך. הסר את כל חומרי תמיכה משמאל הדפסת תלת-ממד, במידת הצורך.
הערה: כמה מבנים בעיצוב הקצה שסופק-אפקטור עבור חיישן כוח, אשר אינו חלק פרוטוקול דיווח כאן הינם לא ישמש עבור ההרכבה. המושג עיצוב חיישן כוח דווחה עבודה קודמות20; לפיכך, לא מכוסה בעיתון הזה.
2. הרכבה של 1 משותפת
הערה: ההרכבה של פרקים 1 (J1) מבוסס על איור 3.
- במקום ארבעה מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L0 והר אותם עם ברגים.
- מניחים על המיסבים OD 37 מ מ שתי בממסרה L0 ולאבטח את הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג A) על גבי מפתח משושה L1.
- הכנס הפיר L1 לתוך החור פיר-L0 עם ארבעה קטנים את הנהיגה שלוחת הילוכים, הגדול מונע ציוד השלוחה מאורסת, ולהרכיב את הקולר פיר כדי לאבטח ולשמור את הפיר.
3. הרכבה של 2 פרקים
הערה: ההרכבה של 2 פרקים (J2) מבוסס על איור 4.
- במקום ארבעה מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L1 והר אותם עם ברגים.
- לצרף את שני 120-שיניים שלוחת הילוכים (סוג B) שני 37 מ מ OD מסבים והמיקום אותם לחללים הציוד של L1, עם הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג B) עם השיניים השלוחה של 20-שיניים רכוב על המנועים. להתיר ולהתעסק מחדש את המנוע במידת הצורך לאפשר את מיקום קל של הציוד השלוחה של סוג-B שתי 120-השיניים.
- יישר L1 ו- L2 והכנס את הכיוון ואת זוגות קפיצים הכדור לתוך החורים מצמד L2. עם שני מצמד עגול הכיסויים יישור ודחפתי את האביב לתוך מנגנון מצמד עבור טעינה מראש, הכנס של הברק M6 משעממים של L1 ו- L2.
- לסובב את מכלול לצד השני, חזור על שלבים ב- 3.3 בצד הזה. המאבטחים את מכלול על ידי הצמדת אגוז הברק M6.
4. הרכבה של 3 פרקים
הערה: ההרכבה של 3 פרקים (J3) מבוסס על איור 5.
- מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L2 והר אותם עם ברגים.
- מקום OD 37 mm הנושאת לתוך נושא הדיור של הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג C) ולמקם OD 32 מ מ הנושאת לתוך לתושבת מיסב L3.
- לאבטח את הציוד השלוחה גדולים לתוך המנעול משושה של L3 (ברגים נוספים ניתן להשתמש במידת הצורך) ולהוסיפה הפיר L2 משעממים על הציוד השלוחה גדולים ו L3, עם הקטן, גדול שלוחת הילוכים מאורסת.
5. הרכבה של מנגנון נהיגה של 4 פרקים
הערה: ההרכבה של 4 פרקים (J4) מבוסס על איור 6.
- מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר לחללים הרכבה של L3 והר אותם עם ברגים. מניחים על המיסבים OD 8 מ"מ בממסרה L4.
- הר הציוד השלוחה ארוכה 20-שיניים על גבי שני מנועים stepper קטן.
6. הרכבה של מנגנון מונע של פרקים 4 ו- 5 פרקים
הערה: ההרכבה של 4 פרקים (J4) מבוסס על איור 6 , 5 משותפת (J5) מבוסס על איור 7.
- מקם את הציוד שיקוע מונע 144 השיניים על גבי ההבלטה של L4.
- מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר (18-שיניים מסגרת משופעת ההילוכים המצורפת) לחללים הרכבה של L4 והר אותם עם ברגים. לבסוף, הכנס את הפיר M5 לתוך החור פיר של L3 ו- L4 לאחר משני הקישורים מיושרים. ודא הבנוי במבנים מונע את הציוד על L4 גפרורים עם הציוד השלוחה 20 שיניים ארוכות.
- להכניס את הקצה-אפקטור keyway של הציוד שיקוע גדול ומקם אנכית על הקצה-אפקטור עם הצווארון סוף-אפקטור דפק על זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
בעקבות הפרוטוקול, המערכת שנוצרה הוא תחמן רובוטית עם חמישה מיוחד בצורת קישורים (L0 L4) והמפרקים revolute חמש (J1 J5) עבור העברה, מחזיק באופן מקומי הטיית בדיקה בארה ב (איור 8). המפרק העליון סיבוב (J1), עם הציוד מנגנונים actuated על ידי ארבעה מנועים, באפשרותך לסובב הדברים הבאים מבני 360 מעלות, כדי לאפשר את המכשיר בארה ב להצביע כלפי צדדים שונים של אזור הסריקה, כגון העליון, התחתון, ו צידי הבטן. הטיית המפרק העיקרי (J2), עם הציוד מנגנונים actuated על ידי ארבעה מנועים, משמש כדי להטות את המכשיר כדי ליישר אותו עם פני השטח של אזור הסריקה. כמו המקום הזה חיוני גם ניהול כוח, סופחה מצמד מכני עם הביצים, מעיינות detent חורים. שלושת אורתוגונלית revolute המפרקים (J3, J4ו- J5), עם הציוד מנגנונים actuated על ידי שני מנועים כל אחת, נעשה שימוש כדי לשלוט הרוטציה הטיית ו צירית של החללית, שמאפשר כוונון עדין של המכשיר באזור מקומי. המפרק revolute האחרון, J5, מאפשרת גם את ההרכבה של בדיקה בארה ב במיוחד בצורת הקצה-אפקטור. המשקל הכולל ואורך manipulator רובוטית המוצע, שהוא המבנה היחיד בדרך כלל על גבי הגוף של המטופל, נמצאים פחות מ-2 ק ג ו- 25 ס מ. העיצוב שנוצר הוא כזה מגוון רחב של עמדות בדיקה ניתן להגיע עם תנועות קטנות בלבד הנותרים הכללי מיקום מנגנון בעת שימוש manipulator ארה ב רובוטית המוצע. בהתחשב רק manipulator המוצע בכוחות עצמו, ניתן לסובב את המכשיר axially כדי מכל זווית, מוטה לעקוב משטח בזווית בין 0° ל 110° כדי אופקי לכיוון כלשהו, ממוקם בתוך עיגול בקוטר של 360 מ מ. בנוסף, המפרקים revolute J3 ו- J4 מספקים זווית הטיית, בשני כיוונים, בטווחים שבין-180 ° 180 ° ו °-30 ° 45, המשמשים לטיפול מקומי כוונון עדין של המכשיר בארה ב. הטווחים של תנועות וזוויות הטיית לפגוש את הטווחים הנדרשים להשגת חלון אקוסטי אידיאלי עבור ארה ב בדיקות כפי שהוצע על ידי. Essomba et al. 18 ו- Bassit19. הפרטים הטכניים של manipulator רובוטית המוצע מסוכמים בטבלה של חומרים (Denavit-Hartenberg פרמטרים ומפרטים משותפת), בהתבסס על ההגדרות קואורדינטות שמוצג באיור 8. העלות המשוערת של המערכת הוא 500 ליש ט, המבוסס על שיטת הייצור הנוכחי, רכיבים, חומרים.
כדוגמה נעשה שימוש במחקר זה, אנחנו מועסקים של מערכת המיקום הגלובלית אשר יש revolute משותף (R1) עם מנגנון שרשרת סיבוב שלם את הזרוע ואת בר-שני arm מבוססת לקבוע מנגנוני קישור מקבילים (R2 ו R3) עם תולעת-ציוד כוננים (איור 9). מנגנון 3-DOF זה יעבוד עם manipulator 5 המוצע-DOF להקים מערכת שלמה רובוטית בארה ב. על סמך manipulator רובוטית המוצע, הדוגמה הכללית אפשרות להשתמש עבור מחקר זה מיקום, איור 10 מראה דוגמה סימולציה של הרובוט בעמדות סביב, פנטום בטן הוכחת כי הוא מסוגל להגיע סביב שני הצדדים של הבטן ומגוון רחב של תפקידים על העליונה. העיצוב של המפרקים מיותר במערכת, במיוחד את התצורות של J1 ו- J2, מאפשר הטיית המכשיר לזוויות גדול עם רוב המבנים מכני עדיין מתרחק הגוף של המטופל, כפי יכול להיות שנצפו ב- איור 10. כתוצאה מכך, עם שלושת המפרקים (J3, J4ו- J5) שצוין כדי לסובב נמצאות בטווחים מוגבלת עבור הטיית כוונון עדין, התנגשות נמנעת בין חלקי הרובוט נע הגוף של המטופל.
עם האלקטרוניקה, מערכת השליטה המוטורית stepper רגיל פיתח, בוצעו ניסויים כדי לבחון את כוח פלט ולאמת את טווח התנועה הצפוי. יחידת הבקרה הנוכחי הוא תיבה עם בקרים, מנהלי מנועים stepper, ספק כוח, הרגולטורים רכיבים אלקטרוניים התומכים אחרים כללו. הגודל הכולל של תיבת בקרת הוא 40 ס מ באורך 23 ס מ, 12 ס מ עמוק. על סמך בדיקה חוזרת ונשנית של המערכת, הכוח המרבי manipulator רובוטית יכול להפעיל כעת מוגדר ל 27 N לפני המצמד המכני בטיחות יופעל, המציין את הפלט לכפות טווח של המערכת המוצעת יהיה 0 - 27 (ש) את התצורה של המצמד המכני, זה אומתה על ידי בדיקות חוזרות ונשנות במיקום ברירת המחדל, כאשר המצמד עוסקת שהכדורים הם חלקית החורים detent L1. לכן, התנועות של שלוחת הילוכים מונחה, גדול להניע L2. עם זאת, כאשר כוח מופרז הוא המופעל על הקצה-אפקטור, המצמד הוא מנותק, עם הכדורים עוזב את החורים detent של L1
טווח התנועה של כל מפרק דיווח בטבלה של חומרים היה שוב ושוב גם נבדק ואומת. עובד אמין של manipulator רובוטי על פני תקופה ארוכה של זמן יש כבר נבחנה בהרחבה על פאנטום עוברית ואומתו ברציפות עם בטן סריקות של מתנדבים בריאים פנימי (איור 11). המחקר אושרה על ידי ועדת האתיקה המקומית. עד כה 20 מתנדבים סריקות של בדיקות אולטרסאונד בטן כללי שימוש manipulator רובוטית בוצעו בהצלחה עם הפקד בסיסי תוכנה של הרובוט, בעיקר כדי להעריך את המהימנות ואת ההיתכנות של עיצוב מכני. הוא היה הסיקו במחקרים פנטום ו מתנדבים כי העיצוב הנוכחי של manipulator רובוטית יכול להגיע לטווח התנועה הנדרשת לעבר כוח נדרש, מספק מספיק התאמת משובח כדי לקבל תמונות דומות פעולת ידניים של ארה ב רגש דימות בטן. עבור כל אלה סריקות, ללא חששות בטיחות או תחושות לא נעימות דווחו על ידי המתנדבים. מבחר מנועים, יחסי מכאני של מנגנוני, רמות צריכת חשמל אומתו, כך הם מבטיחים אמין תנועת החללית על גוף המטופל, בזמן בו זמנית והתוצאה גלישה אם כוחות excessed נוצרים. פרטים נוספים על זה מחקר בהתנדבות פוסקת וראיות קליניים לשימוש של הרובוט יוצגו בנפרד.
איור 1: תכנון בעזרת מחשב (CAD) ציור של כל הקישורים (L0, L1,L2, L3ו- L4) ו- end-אפקטור. הצורה של כל קישור מוצג לעיון כאשר 3D הדפסה באמצעות המצורפת. STL קבצים. הקצה-אפקטור מודגם גשש ארה ב כולל הרכבה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: ציור של הרכיבים נוספים הנדרשים CAD. הצורה של כל רכיב מוצג לעיון כאשר 3D הדפסה באמצעות המצורפת. STL קבצים. המרכיבים כוללים השלוחה, הילוכי בגדלים שונים, קולר פיר, כיסוי מצמד של צווארון סוף-אפקטור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: הוראות הרכבה עבור J1. הקישורים הנדרשים מנועים, הילוכים, מיסבים מוצגים, עם כמה מבנים השתנה לשקוף כדי להמחיש את מכלול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: הוראות הרכבה עבור J2. הקישורים הנדרשים, מנועים, הילוכים, הכדור קפיצים זוגות ו מסבים מוצגים, עם כמה מבנים השתנה לשקוף כדי להמחיש את מכלול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: הוראות הרכבה עבור J3. הקישורים הנדרשים מנועים, הילוכים, מיסבים מוצגים עם שתי תצוגות פרספקטיבה כדי להמחיש את מכלול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6: הוראות הרכבה עבור J4. הקישורים הנדרשים מנועים, הילוכים, מיסבים מוצגים, עם מנגנון4 J שהורכב המצוין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7: הוראות הרכבה עבור J5. הקישור הנדרש ואת הקצה-אפקטור מנועים, הילוכים מוצגים, עם כמה מבנים השתנה לשקוף כדי להמחיש את מכלול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8: סיכום של 5 המוצע-DOF manipulator רובוטית עם הסיום-אפקטור מחזיק מכשיר בדיקה בארה ב. ההגדרה קואורדינטות של כל מפרק את הגודל הכולל של manipulator שהורכב מצוינים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9: ציור של הדוגמה הכללי מיקום המכשיר CAD. התקן זה arm מבוססת משמש לעבודה עם manipulator רובוטית המוצע לבדיקה. את ההערות ואת הממדים העיקריים מוצגים בציור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 10: קנטית סימולציה של ארבע תנוחות סריקה שונות ליד הפנטום. זה מדגים טווח נאותה של תנועה עבור סריקה U.S. בטן טיפוסי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 11: מיושמת בארה ב רובוט באמצעות פרוטוקול המתואר. () manipulator רובוטית עם הדוגמה המיקום מנגנון הגלובלית. (b) קלינית שימוש manipulator רובוטית המוצע באזור הבטן של החולה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
טבלה של חומרים: פרטים טכניים של manipulator רובוטית המוצע, לרבות את Denavit - Hartenberg פרמטרים ואת מפרטים משותפת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
הקבצים המשלימים. קובצי תלת-ממד להדפסה STL. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שלא כמו רבים אחרים רובוטים תעשייתיים אשר תורגמו יישומים רפואיים, manipulator רובוטית המוצע תיאר בפרוטוקול תוכננה במיוחד עבור ארה ב בדיקות בהתאם לדרישות קליניים עבור טווח תנועה, יישום של כוח וניהול בטיחות. Manipulator רובוטית קלת משקל עצמה יש מגוון רחב של תנועות מספיק עבור רוב גשמית במיוחד ארה ב סריקה, ללא צורך תנועות גדולות של מנגנון המיקום הגלובלית. כמו המבנה מכני הקרוב ביותר למטופל, הקישורים המוצע הם בצורת גם מיוחד החולה. עם רוב DOFs מוטבע תחמן קומפקטי, ארה ב רובוטי סריקה באמצעות מכשיר זה יכול להיעשות באופן אינטואיטיבי הדומה לפעולה האנושית ללא הצורך בכיבוש שטח גדול. בגלל כל התכונות האלה, אנו מצפים כי המערכת המיוצר להלן שהפרוטוקול יוכל לקבל קבלה של רופאים, חולים, אשר מאומתת עם המחקר התנדבות שוטפת. עם מניפולטור רובוטית, המוצע ארכיטקטורות המקובלת שונה לצורך מיקום גלובלי ניתן בהתבסס על הדרישה מסוים, כגון גנטרי או תקרה הרכבה עיצובים. מכשיר מיקום גלובלי דוגמה שימש בעיתון הזה כדי לאפשר במבחנים של manipulator רובוטית המוצע.
בפרוטוקול הנוכחי עולה כי כל הקישורים שניתן להדפיס באמצעות שרירי הבטן או PLA פלסטיק או ניילון, בהתבסס על הזמינות של שירות הדפסה 3D המקומי, בעוד באמצעות הניילון של הדפסים מועדף באופן כללי עקב חוזק חומרים של ניילון. חשוב לציין, כאמור בפרוטוקול, הרכיבים נוספים, במיוחד את ההילוכים, יודפס עם ניילון או חומר חזק נוסף על מנת להבטיח את אמינות המערכת. כמו חומרים להדפסה תלת-ממד חדשים מוצגים, והשימוש בחומרים יכול להשתנות. בפרוטוקול הנוכחי מעסיקה סוף-אפקטור שתוכנן במיוחד עבור בדיקה בארה ב מסוים, עם צורה תלת ממדית של החללית סרק על ידי סריקה מערכת הדמיה על מנת לסייע בעיצוב של הפרופיל הפנימי של הסוף-אפקטור. כאשר manipulator משמשת עם השני בארה ב רגשים עם צורות שונות, חשוב לוודא כי לפרופיל הפנימי של הסוף-אפקטור מחדש בחוזקה תואמים עם הפרופיל החיצוני של המכשיר בארה ב, על מנת להבטיח את קיום המכשיר בטוח. אפשר גם לקבל צורה תלת ממדית של פרופיל של המכשיר מסוגים אחרים של סריקה תלת-ממד. בנוסף, יצוין כי חלק מהפרטים עיצוב שמתואר הפרוטוקול, כגון צורות המדויק, מידות, פיר גדלים, הרכבה keyways, ברגים ושימוש של מיסבים, יכול להשתנות. מאותה סיבה, כמה הפרטים לא מסופקים כאשר הם ללא ספק מבוססים על ידע משותף של תכנון מכאני.
העיצוב הנוכחי כולל מצמד מכני פסיבי אשר ניתן להתאים המשמשת להגבלת הכוח המרבי ליישם על המטופל. זה הוא תכונה בטיחות, כי אין להסתמך על כל מערכות חשמל או תוכנה לוגיקה, המבטיח הבטיחות הבסיסיים של השימוש ברובוט בשבילנו, בדיקות. נקודת מפעילה היתה קבוצה המבוסס על טווח מדידות הקודם21 של הכוח האנכי מיושם על ידי מפעילים אנושיים לחולים במהלך סריקות אמריקאי רגיל, כמו גם תוצאות דומות דיווחו מ הקיים בספרות18, שניהם אשר מציע כי הכוח אנכי מרבי בדרך כלל אינו עולה על 20 ש זה היה כאל תנאי מוקדם כי הכוח המפעיל של המצמד צריך להיות יותר מ 20 N עם כמה קצבאות נתון. ניתן להתאים את כמות מפעילה כוח על-ידי שינוי מספר זוגות הכדור קפיצים, קבוע הקפיץ, גודל החורים detent, את טעינה מראש של מעיינות22. שינוי אפשרי של פרוטוקול מעוצב עבור זה היא לשנות את מספר חללים מחזיק את הכדור קפיצים זוגות L2. בפועל, כאשר באמצעות המערכת המוצעת, פעולתו של המצמד ניתנת לאימות כמקורית בקלות על ידי באופן ידני סיבוב המפרק מצמד ויש להם את disengage מצמד וקיום מחדש לפני כל בדיקה בארה ב רובוטית מבוצעת. בפרוטוקול הנוכחי, המצמד בטיחות מוחל רק על J2 כמו המקום הזה מיועד כדי ליישר את המכשיר עם פני השטח של הבטן והוא יכול לשמש ישירות כדי להגביל את כוח אנכי שהופעל על המטופל על ידי המכשיר בארה ב. עם רעיון דומה, מצמד בטיחות גם ניתנות ליישום עבור הציוד השלוחה1 J, אשר יבטיחו את בטיחות התנועה סבב1 J של המבנים הבאים. זה לא נתפס כתכונה בטיחות חיוניים בפרוטוקול הנוכחי אך יכול להיות שינוי פוטנציאליים עבור גרסה גיבוש. שלושת המפרקים, J3, J4ו- J5, משמשים עבור כוונון עדין של האוריינטציה של המכשיר. . Kinematically, הם לא משמשים כדי ליצור כל כוח מופרז, נוטים לא מתנגשים עם כל מכשול. כדי למזער את גודל ומשקל של manipulator המוצע, מצמד מכני בטיחות לא הציע עבור אלה שלושה ג'וינטים בכל שינוי של הפרוטוקול.
בעקבות פרוטוקול המובאים כאן לבנות manipulator המוצע לנו בדיקות, באמינות המערכת המכנית, הטווחים אותו בתנועה, משקולות דומה של כל manipulator ולאחר רמה דומה של מפעילה כוח של המצמד אותו הם צפוי כפי מדווחים בעיתון הזה. עם זאת, הדיר ואת הדיוק של התנועות, כמו גם את הדיר של רמת כוח מפעילה המדויק של המצמד המכני, חריפה תלויות הדפסת תלת-ממד והדיוק ההרכבה לעומת העיצוב CAD. זה לא ניתן להבטיח לאב טיפוס הנוכחי שירות הדפסת תלת-ממד זולים במעבדה מבוסס שימש לייצור, ההרכבה נעשה ידנית לצורך טיפוס ראשוני. הוא צפוי כי רמה תעשייתי של ייצור והרכבה בעקבות פרוטוקול עיצוב כתוצאה הדיר טוב ודיוק גבוהה, זה אמנם כרגע לא המטרה שלנו לפני המערכת שבפסח תוצר סופי עבור ניסוי קליני. בדיקה של ביצועי ידרוש גם פרוטוקול נפרד, אשר כולל המידול קנטית, שיטה בקרה רובוטית, ההצעה מעקב ושיטות כיול, לפיכך, אינו כולל את הנייר הנוכחי. באופן דומה, שליטה הדיוק ואת תגובת manipulator המוצע נקבעים על ידי שיטת השליטה המוטורית, אלגוריתם הבקרה של הרובוט, התקשורת בין האלקטרוניקה של manipulator את ממשק השליטה. אלה הם מעבר מטרת הפרוטוקול הנוכחי של היכרות עם העיצוב החדש מכני, ניתן ליישום בעזרת ארכיטקטורות קיימים רבים, פרטים לא מסופקים בעיתון הזה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי Wellcome אמון IEH בפרס [102431] על ידי המרכז Wellcome/EPSRC עבור הנדסה רפואית [WT203148/Z 16 Z]. המחברים לאשר תמיכה כספית מ משרד הבריאות באמצעות המכון הלאומי לחקר הבריאות (NIHR) פרס מרכז המחקר הביו-רפואי מקיף של הבחור & תומס הקדוש NHS הקרן לבטוח בשותפות עם המלך של קולג '-לונדון וקינג'ס המכללה החולים NHS קרן האמון.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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., 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).
- 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. , Chicago, IL. (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).
- AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
- 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. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (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. , Milan, Italy. (2015).
- Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).
