[論文レビュー] Robotic-assisted Ultrasound for Fetal Imaging: Evolution from Single-arm to Dual-arm System

Shuangyi Wang, R. James Housden+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Congenital Heart Disease Studies参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、iFINDプロジェクトにおける胎児画像診断を目的としたロボット支援超音波システムの進化を提示している。単一アームから二重アーム構成に移行したことで、スキャンの安定性とカバー範囲が向上した。42名のボランティアを対象とした臨床的妥当性評価では、信頼性の高い運用と高いユーザーの快適性および受容性が確認された。

ABSTRACT

The development of robotic-assisted extracorporeal ultrasound systems has a long history and a number of projects have been proposed since the 1990s focusing on different technical aspects. These aim to resolve the deficiencies of on-site manual manipulation of hand-held ultrasound probes. This paper presents the recent ongoing developments of a series of bespoke robotic systems, including both single-arm and dual-arm versions, for a project known as intelligent Fetal Imaging and Diagnosis (iFIND). After a brief review of the development history of the extracorporeal ultrasound robotic system used for fetal and abdominal examinations, the specific aim of the iFIND robots, the design evolution, the implementation details of each version, and the initial clinical feedback of the iFIND robot series are presented. Based on the preliminary testing of these newly-proposed robots on 42 volunteers, the successful and re-liable working of the mechatronic systems were validated. Analysis of a participant questionnaire indicates a comfortable scanning experience for the volunteers and a good acceptance rate to being scanned by the robots.

研究の動機と目的

• 胎児および腹部超音波スキャンにおける、手動で現場で行うプローブ操作の限界を是正すること。
• 胎児画像診断のための一貫性・再現性・快適性を実現するロボットシステムの開発。
• 単一アームロボットシステムから二重アーム構成に進化させ、スキャン効率および画像取得品質の向上を図ること。
• 人間被験者を用いた臨床的環境でメカトロニクスシステムおよびユーザーエクスペリエンスの妥当性を検証すること。
• 診断の正確性およびワークフロー統合を支援する知能的で自動的かつ再現可能な胎児超音波スキャンを実現すること。

提案手法

• 体外的胎児超音波スキャンを目的とした、単一アーム構成の特注ロボットシステムの設計および実装。
• 同時にプローブを位置決め可能でスキャンカバー範囲が向上する二重アーム構成にシステムを進化させること。
• 超音波プローブの動きを正確かつリアルタイムに制御するためのメカトロニクス部品を統合すること。
• 患者固有の解剖学的モデルとナビゲーションアルゴリズムを用いて、ロボットスキャン経路をガイドすること。
• 42名の被験者を対象とした臨床試験を実施し、システムの信頼性およびユーザーの快適性を評価すること。
• アンケートによる参加者フィードバックの収集と分析を行い、受容性およびスキャン体験を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重アームロボットシステムは、単一アームバージョンと比較して、スキャンの安定性および画像取得にどのように寄与するか？
• RQ2 ロボットシステムによる超音波スキャンを受ける際のユーザーの快適性および受容性のレベルはいかほどか？
• RQ3 臨床環境において、ロボットシステムは一貫性があり、繰り返し可能な胎児超音波スキャンを信頼性を持って実行できるか？
• RQ4 単一アームから二重アームロボット超音波システムへの移行に伴い、どのような技術的課題が生じるか？
• RQ5 ロボットシステムは、診断ワークフローの向上を支援するために、どのように胎児画像診断の自動化を支援するか？

主な発見

• 二重アームロボットシステムは、42名の被験者を対象とした臨床試験において、信頼性の高い繰り返し可能な運用を示した。
• 被験者からのフィードバックは、ロボット支援超音波スキャンに対する高い快適性と強い受容性を示した。
• 複数回のテストセッションにわたり、一貫したプローブ接触およびスキャン経路の維持に成功した。
• 単一アームから二重アーム構成への移行により、スキャンカバー範囲および安定性が向上した。
• 予備的な結果から、ロボット支援超音波が日常的な胎児画像診断用途に実現可能であることが示唆された。
• メカトロニクス設計は、臨床環境における精度および安全性の機能的要件を満たした。