[논문 리뷰] Robotic-assisted Ultrasound for Fetal Imaging: Evolution from Single-arm to Dual-arm System

Shuangyi Wang, R. James Housden외 21명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 14.

Congenital Heart Disease Studies참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 iFIND 프로젝트 내에서 태반 영상에 대한 로봇 보조 초음파 시스템의 진화를 제시하며, 단일 암부에서 双암부 구성으로의 전환을 다룹니다. 이중 암부 시스템은 스캔의 안정성과 커버리지 향상을 가능하게 하였으며, 42명의 자발적 참가자 대상 임상 검증을 통해 안정적인 운영과 높은 사용자 편안함 및 수용도를 입증하였습니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 태반 및 Abdominal 스캔 중 수동으로 현장에서 초음파 프로브를 조작하는 데서 기인하는 한계를 해결하기 위해.
• 태반 영상에 적합한 일관되고 재현 가능하며 편안한 초음파 스캔을 가능하게 하는 로봇 시스템을 개발하기 위해.
• 단일 암부 로봇 시스템에서 이중 암부 구성으로의 진화를 통해 스캔 효율성과 영상 획득 품질을 향상시키기 위해.
• 실제 환자 대상 임상 환경에서 메카트로닉 시스템과 사용자 경험을 검증하기 위해.
• 진단 정확성 향상과 워크플로우 통합을 지원하기 위해 지능적이고 자동화되며 반복 가능한 태반 초음파 스캔을 실현하기 위해.

제안 방법

• 체외 태반 초음파 스캔을 위한 단일 암부 구성의 맞춤형 로봇 시스템을 설계 및 구현하기 위해.
• 동시 프로브 위치 조정과 더 나은 스캔 커버리지 확보를 위해 시스템을 이중 암부 구성으로 진화시키기 위해.
• 초음파 프로브 이동의 정밀하고 실시간 제어를 위한 메카트로닉 구성 요소를 통합하기 위해.
• 환자별 해부학적 모델과 내비게이션 알고리즘을 활용해 로봇 스캔 경로를 안내하기 위해.
• 시스템의 신뢰성과 사용자 편안함을 평가하기 위해 42명의 자발적 참가자 대상 임상 시험을 실시하기 위해.
• 참가자 피드백을 설문지를 통해 수집하고 분석하여 수용도와 스캔 경험을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 암부 로봇 시스템은 단일 암부 버전 대비 스캔 안정성과 영상 획득 품질에서 어떻게 향상되었는가?
• RQ2 로봇 시스템을 통한 초음파 스캔을 받을 때 사용자의 편안함과 수용 수준은 어떠한가?
• RQ3 로봇 시스템은 임상 환경에서 일관되고 반복 가능한 태반 초음파 스캔을 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ4 단일 암부에서 이중 암부 로봇 초음파 시스템으로의 전환 과정에서 발생하는 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ5 로봇 시스템은 태반 영상의 자동화를 어떻게 지원하여 진단 워크플로우를 향상시키는가?

주요 결과

• 이중 암부 로봇 시스템은 42명의 자발적 참가자 대상 임상 테스트에서 안정적이고 반복 가능한 운영을 보였다.
• 참가자 피드백은 로봇 초음파 스캔에 대해 매우 높은 수준의 편안함과 강한 수용도를 나타냈다.
• 다양한 테스트 세션 동안 일관된 프로브 접촉과 스캔 경로 유지가 성공적으로 이루어졌다.
• 단일 암부에서 이중 암부 구성으로의 전환은 스캔 커버리지와 안정성을 향상시켰다.
• 초기 결과는 로봇 보조 초음파 기술이 일상적인 태반 영상 적용 분야에서 실현 가능하다는 것을 뒷받침한다.
• 메카트로닉 설계는 임상 환경에서 정밀성과 안전성 요구사항을 충족시켰다.