[논문 리뷰] An Open-Source 7-Axis, Robotic Platform to Enable Dexterous Procedures within CT Scanners

Dimitri A. Schreiber, Daniel B. Shak외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 30인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 전산화된, 7 자유도의 로봇 플랫폼을 개발하였으며, 순차적 연결 방식의 케이블 및 벨트 구동 설계를 통해 원격 조작가능한 CT 유도 폐 생검을 위한 것입니다. 이는 0.73mm 이하의 평균 오차를 기록하는 초미세 정밀도(하나의 목표 지점에서의 평균 오차 <0.73mm)를 달성하였고, CT 내부에서의 프로파일이 매우 작아서(16 cm² 이하) 다양한 각도에서 안전하고 민감한 바늘 위치 조절이 가능합니다.

ABSTRACT

This paper describes the design, manufacture, and performance of a highly dexterous, low-profile, 7 Degree-of-Freedom (DOF) robotic arm for CT-guided percutaneous needle biopsy. Direct CT guidance allows physicians to localize tumours quickly; however, needle insertion is still performed by hand. This system is mounted to a fully active gantry superior to the patient's head and teleoperated by a radiologist. Unlike other similar robots, this robot's fully serial-link approach uses a unique combination of belt and cable drives for high-transparency and minimal-backlash, allowing for an expansive working area and numerous approach angles to targets all while maintaining a small in-bore cross-section of less than $16cm^2$. Simulations verified the system's expansive collision free work-space and ability to hit targets across the entire chest, as required for lung cancer biopsy. Targeting error is on average $<1mm$ on a teleoperated accuracy task, illustrating the system's sufficient accuracy to perform biopsy procedures. The system is designed for lung biopsies due to the large working volume that is required for reaching peripheral lung lesions, though, with its large working volume and small in-bore cross-sectional area, the robotic system is effectively a general-purpose CT-compatible manipulation device for percutaneous procedures. Finally, with the considerable development time undertaken in designing a precise and flexible-use system and with the desire to reduce the burden of other researchers in developing algorithms for image-guided surgery, this system provides open-access, and to the best of our knowledge, is the first open-hardware image-guided biopsy robot of its kind.

연구 동기 및 목표

• 내부 CT 내에서의 생검을 위해 고도로 민감하고 낮은 두께의 로봇 시스템을 개발하기.
• 정밀한 영상 유도 로봇 바늘 위치 조절을 통해 방사선 노출과 다수의 침투를 줄이기.
• 기존 로봇의 기계적 제약을 극복하기 위해 여유가 있는 7-DoF 순차적 연결 설계와 백래시가 없는 전송 장치를 채택하기.
• 이미지 유도 수술적 개입 분야의 연구를 가속화하기 위해 완전히 오픈소스 플랫폼을 제공하기.
• 환자가 CT 스캐너 내에 머물러 있는 동안 고도로 투명하고 직관적인 제어를 가능하게 하는 원격 조작 기능을 제공하기.

제안 방법

• 로봇는 벨트 및 케이블 구동을 통해 고토크, 저백래시 작동을 달성하는 7-DoF 순차적 연결 메커니즘을 사용합니다.
• 완전히 활성화된 운동 스테이지와 트루니언 축을 통해 CT 내부에서 3차원의 위치와 방향 조절이 가능합니다.
• 3DConnexion SpaceMouse를 통한 직관적인 원격 조작이 가능하며, CT 영상, 내 endoscopic 카메라, V-REP 운동역학 렲시뮬레이션의 실시간 시각 피드백이 통합되어 있습니다.
• 충돌이 없는 작업공간 분석과 전체 흉부 부위의 접근 가능성 검증을 위해 V-REP 시뮬레이션 환경을 사용했습니다.
• 로봇의 기계적 설계는 CT에 적합한 원칙을 따르며, 금속 비율을 최소화하여 영상 아티팩트를 줄였습니다.
• 완전한 오픈소스 배포는 GitHub 를 통해 기계 CAD, 전자회로, 펌웨어, 제어 소프트웨어를 포함합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케이블 및 벨트 구동 방식을 채택한 7-DoF 로봇 팔이 CT 유도 환경에서 초미세 정밀도(1mm 이하)의 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 완전히 순차적 연결된 여유가 있는 설계가 외부 폐 결절에 대한 광범위하고 충돌이 없는 작업공간 접근성을 제공하는가?
• RQ3 내부 프로파일이 낮고 금속 비율이 적은 로봇이 심각한 CT 영상 아티팩트를 유발하지 않는가?
• RQ4 모의 및 페르포트 생검 작업 동안 원격 조작 시스템의 반복성과 정확도는 어떻게 평가되는가?
• RQ5 오픈소스 로봇 플랫폼이 이미지 유도 수술적 로봇 분야의 연구를 어느 정도 가속화하는가?

주요 결과

• 4×4 목표 지점 그리드에서의 원격 조작 정밀도 평균 오차는 0.73mm이며, 표준편차는 0.30mm였습니다.
• 반복성 테스트 결과, 64개의 관절 공간 설정에서 위치의 표준편차는 2.43mm, 방향의 표준편차는 2.95도였습니다.
• V-REP 시뮬레이션을 통해 다양한 접근 각도에서 전체 폐 부위에 대한 완전한 접근성이 확인되었으며, 작업 공간 전반에 걸쳐 높은 민감도가 유지되었습니다.
• 특히 바늘이 보를 수직으로 위치시켜도 로봇의 종단기구에서 심각한 CT 영상 아티팩트가 관찰되지 않았습니다.
• 페르포트 생검 작업에서 실시간 CT 유도 하에 첫 번째 침투 시도에서 1cm 크기의 두 개의 결절 모두에 성공적으로 도달했습니다.
• CT 스캔에서 시스템은 최소한의 그림자 효과와 아티팩트를 보였으며, 진단 영상과의 호환성이 확인되었습니다.