Detta paper introducerar utformningen och genomförandet av en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning. Systemet har fem grader av frihet med lätta leder gjorts av 3D-utskrifter och en mekanisk koppling för säkerhetsorganisation.
Med potential för hög precision, fingerfärdighet och repeterbarhet, kan ett själv spårade robotsystem användas för att hjälpa förvärvet av realtid ultraljud. Dock har begränsat antal robotar utformad för extra kroppsliga ultraljud översatts korrekt till klinisk användning. I denna studie vill vi bygga en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning, som är lätta och har ett litet fotavtryck. Roboten bildas av fem specialformade länkar och skräddarsydda gemensamma mekanismer för sonden manipulation, att täcka de nödvändiga rörelseomfång med redundanta frihetsgrader att säkerställa patientens säkerhet. Mekanisk säkerhet framhävs med en kopplingsmekanism, att begränsa den kraft som anbringas till patienter. Till följd av konstruktion, manipulatorn totala vikt är mindre än 2 kg och längden på manipulatorn är ca 25 cm. Designen har genomförts, och simulering, phantom och frivilliga studier, för att validera rörelseomfång, förmågan att göra finjusteringar, mekanisk tillförlitlighet och säker drift av kopplingen. Detta papper Detaljer utformningen och genomförandet av den skräddarsydda robotic ultraljud manipulatorn, med design och montering metoder illustrerad. Test resultat att demonstrera designfunktioner och klinisk erfarenhet av att använda systemet presenteras. Slutsatsen är att den nuvarande föreslagna robotic manipulatorn uppfyller kraven som skräddarsydda system för extra kroppsliga ultraljudsundersökning och har stor potential att översättas till klinisk användning.
Ett extra kroppsliga robotic ultraljud (US) system refererar till konfigurationen där en robotarm-system används för att hålla och manipulera en US sond för externa undersökningar, inklusive dess användning inom hjärt, kärl, obstetrisk och allmänna buk imaging1 . Användningen av sådana ett robotsystem är motiverad av utmaningarna som manuellt hålla och manipulera en US sond, exempelvis utmaningen att hitta amerikanska standardvyer krävs av kliniska imaging protokoll och risken för repetitiva stam skada2, 3,4, och också av oss screeningprogram behov, exempelvis kravet på upplevt sonografer för att vara på plats5,6. Med eftertryck på olika funktioner och målet anatomier, har flera amerikansk robotsystem, som granskas i tidigare verk1,7,8, införts sedan 1990-talet, att förbättra olika aspekter av US undersökning (t.ex., långväga teleoperation9,10,11,12, samt robot-operatör interaktion och reglerteknik)13, 14. Förutom de robotsystem US används för diagnostiska ändamål, fokuserade robotic hög intensitet ultraljud (HIFU) system för syften behandling har undersökts allmänt som sammanfattas av Priester et al. 1, med vissa senaste verk15,16 rapportering de senaste framstegen.
Även om flera amerikansk robotsystem har utvecklats med förhållandevis pålitlig teknik för kontroll och klinisk drift, har endast ett fåtal av dem framgångsrikt översatts till klinisk användning, såsom ett kommersiellt tillgängliga tele-ultraljud system 17. en möjlig orsak är den låga nivån för godkännande av stora industriella utseende robotar arbetar i en klinisk miljö, från synpunkt av både patienter och sonografer. Dessutom för säkerhetsarbetet åberopa majoriteten av de befintliga amerikanska robotarna force-sensorer för att övervaka och kontrollera den tillämpade trycket till US sonden, medan mer grundläggande mekaniska säkerhetsmekanismer för att begränsa kraften passivt inte är vanligtvis tillgängliga . Detta kan också orsaka oro när översätta till klinisk användning som säkerheten robot verksamheten skulle vara rent beroende av elektriska system och programvarulogik.
Med de senaste framstegen i 3D skulle kunna utskrift tekniker, speciellt formad plast länkar med skräddarsydda gemensamma mekanismer ge en ny möjlighet för utveckla skräddarsydda medicinska robotar. Noggrant utformade lättviktskomponenter med ett kompakt utseende kunde förbättra klinisk acceptans. Specifikt för amerikanska undersökning, bör en skräddarsydd medicinsk robot som syftar till att översätts till klinisk användning vara kompakt, med tillräckligt frihetsgrader (DOFs) och rörelseomfång att täcka regionen i intresse av en scan; till exempel buk ytan, inklusive både i toppen och på sidorna av magen. Dessutom bör roboten omfattar också förmågan att utföra finjusteringar av US sonden i ett lokalt område, när du försöker att optimera en USA-vy. Detta inkluderar vanligtvis vippande rörelser av sonden inom ett visst intervall, som föreslagits av Essomba et al. 18 och Bassit19. För att ytterligare hantera säkerhetsproblemen, förväntas det att systemet bör ha passiva mekaniska säkerhetsdetaljer som är oberoende av elektriska system och programvarulogik.
I detta papper presentera vi metoden för detaljerad utformning och montering av en 5-DOF fingerfärdiga robotic manipulator, som används som en viktig del av en extra kroppsliga amerikansk robotsystem. Manipulatorn består av flera lätta 3D-printable länkar, skräddarsydda gemensamma mekanismer och en inbyggd säkerhetskoppling. Den särskilda ordningen av DOFs ger full flexibilitet för sonden justeringar, möjliggör enkel och säker verksamhet i ett litet område utan att kollidera med patienten. Föreslagna multi-DOF manipulatorn syftar till att fungera som den viktigaste komponenten som är i kontakt med patienter och det kan enkelt fästas med någon konventionell 3-DOF global positioning mekanism att bilda en komplett USA robot med fullt aktiv DOFs utföra en genomsökning av USA.
Till skillnad från många andra industriella robotar som har översatts till medicinska tillämpningar, var föreslagna robotic manipulatorn beskrivs i protokollet särskilt utformad för amerikanska undersökningar enligt kliniska krav för rörelseomfång, tillämpning av kraft och säkerhetsledning. Lätta robotic manipulatorn själv har ett brett utbud av rörelser tillräckligt för de flesta extra kroppsliga US skanning, utan behov av stora rörelser av mekanismen för global positionering. Som närmast mekanisk s…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete var stöds av Wellcome Trust IEH Award [102431] och Wellcome/EPSRC centrum för medicinsk teknik [WT203148/Z/16/Z]. Författarna erkänner finansiellt stöd från Institutionen för hälsa via National Institute for Health Research (NIHR) omfattande Biomedical Research Centre award till killens & St Thomas’ NHS Foundation Trust i samarbete med King’s College London och King’s College Hospital NHS Foundation Trust.
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 |