[論文レビュー] Tele-Operated Oropharyngeal Swab (TOOS) RobotEnabled by TSS Soft Hand for Safe and EffectiveCOVID-19 OP Sampling

Wei Chen, Jianshu Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 33被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、新規のTSSソフトハンドを備えた遠隔操作型口咽頭ぬいぐき（TOOS）ロボットを提案する。TSSソフトハンドはソフトな手首とグリッパーを統合し、狭い口腔内空間において安全で器用で人間らしいぬいぐき操作を可能にする。ハイブリッドバーチャルフレームワーク制御とリアルタイムの視覚フィードバックにより、30秒のサンプリング時間で高い成功率と安全性を達成し、COVID-19検査における感染リスク低減に有望なソリューションを提示する。

ABSTRACT

The COVID-19 pandemic has imposed serious challenges in multiple perspectives of human life. To diagnose COVID-19, oropharyngeal swab (OP SWAB) sampling is generally applied for viral nucleic acid (VNA) specimen collection. However, manual sampling exposes medical staff to a high risk of infection. Robotic sampling is promising to mitigate this risk to the minimum level, but traditional robot suffers from safety, cost, and control complexity issues for wide-scale deployment. In this work, we present soft robotic technology is promising to achieve robotic OP swab sampling with excellent swab manipulability in a confined oral space and works as dexterous as existing manual approach. This is enabled by a novel Tstone soft (TSS) hand, consisting of a soft wrist and a soft gripper, designed from human sampling observation and bio-inspiration. TSS hand is in a compact size, exerts larger workspace, and achieves comparable dexterity compared to human hand. The soft wrist is capable of agile omnidirectional bending with adjustable stiffness. The terminal soft gripper is effective for disposable swab pinch and replacement. The OP sampling force is easy to be maintained in a safe and comfortable range (throat sampling comfortable region) under a hybrid motion and stiffness virtual fixture-based controller. A dedicated 3 DOFs RCM platform is used for TSS hand global positioning. Design, modeling, and control of the TSS hand are discussed in detail with dedicated experimental validations. A sampling test based on human tele-operation is processed on the oral cavity model with excellent success rate. The proposed TOOS robot demonstrates a highly promising solution for tele-operated, safe, cost-effective, and quick deployable COVID-19 OP swab sampling.

研究の動機と目的

• COVID-19検査における手動による口咽頭ぬいぐき採取による医療従事者の高い感染リスクに対処すること。
• 狭い空間におけるぬいぐき作業における安全性、器用力、ユーザー快適性に制限を受ける剛性ロボットの課題を克服すること。
• 使い捨てぬいぐきの取り扱いに人間の手首と手の器用力を再現できるソフトロボットハンド（TSSハンド）を開発すること。
• 力制御とバーチャルフレームワークを備えた遠隔操作により、安全で正確かつ繰り返し可能なぬいぐき採取を可能にすること。
• 人体模倣模型を用いた人間による遠隔操作による、システムの安全性、器用力、運用効率を検証すること。

提案手法

• 3自由度のリモート・センター・オブ・モーション（RCM）プラットフォームが、TSSハンドのグローバルな位置決めを提供し、正確な挿入と抜去を保証する。
• TSSソフトハンドは、全方向への湾曲が可能な気圧調整式剛性のソフトな手首と、ぬいぐきの把持および解放を可能にするソフトグリッパーを統合している。
• ハイブリッドモーションおよび剛性バーチャルフレームワーク制御器が、遠隔操作中、安全で快適な範囲（10–60 g）内にぬいぐきの圧力を維持する。
• 口腔内カメラからのリアルタイムの視覚フィードバックが、操作者の制御を支援し、正確なぬいぐき配置を保証する。
• 音声通信と人間補助ぬいぐき回収を備えた遠隔操作インターフェースが使用される。
• 実験的検証には、正確性テスト、剛性調整、安全性評価が人体模倣口腔内モデルを用いて実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトロボットハンドは、狭い口咽頭空間内において、使い捨てぬいぐきの器用で人間らしい操作を達成できるか？
• RQ2 バーチャルフレームワーク制御を備えた遠隔操作システムは、口咽頭ぬいぐき採取中に安全で一貫したぬいぐき圧力を維持できるか？
• RQ3 スピード、正確性、ユーザー快適性の観点から、システムの性能は手動によるぬいぐき採取と比べてどうか？
• RQ4 TSSハンドの可変剛性は、安全な組織接触と効果的なぬいぐき圧力の適用を両立できるか？
• RQ5 ソフトロボティクスを既存の使い捨てぬいぐきと統合することで、臨床現場での迅速かつスケーラブルで安全な展開が可能になるか？

主な発見

• TOOSロボットは、人体模倣模型における人間による遠隔操作試験で、約30秒の完全なサンプリングサイクルを達成し、100％の成功率を示した。
• TSSソフトハンドは、人間の手と同等の器用力と作業空間を示し、狭い空間内でのぬいぐき挿入、回転、回収を効果的に行えることを確認した。
• ハイブリッドバーチャルフレームワーク制御器は、安全で快適な範囲（10–60 g）内にぬいぐき圧力を維持するのに成功し、組織の安全性を確保した。
• 経験の有無に関わらず、3名のすべての操作者が数分以内に熟練した遠隔操作を達成したため、学習曲線が低く、使いやすさが高いことが示された。
• 被験者から手術中における不快感は報告されず、システムの安全性とソフトな接触能力が確認された。
• 本システムは、標準的な使い捨てぬいぐきを用いて安全でコスト効果的かつ迅速に展開可能なロボットによるぬいぐき採取を可能にし、今後の体内試験やAI強化制御への応用が期待できる。