[論文レビュー] An Open-Source 7-Axis, Robotic Platform to Enable Dexterous Procedures within CT Scanners

Dimitri A. Schreiber, Daniel B. Shak+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Soft Robotics and Applications参考文献 30被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、CTガイド下肺生検用に、シリアルリンク構造でケーブルおよびベルト駆動を採用したオープンソースの7自由度ロボットプラットフォームを提示する。本システムはサブミリメートルのターゲティング精度（平均誤差<0.73mm）を達成し、16 cm²未満のコンパクトなボール内プロファイルを実現することで、CTボール内における多様な角度から安全かつ繊細なニードル挿入を可能にする。

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.

研究の動機と目的

• ボール内に設置可能な高能動的・低プロファイルなロボットシステムを開発すること。
• 正確な画像ガイド下ロボットニードル挿入により、被ばく線量の低減と複数回の穿刺を回避すること。
• 既存のロボットの機械的制限を克服するため、バックラッシュゼロの7自由度冗長シリアルリンク設計を採用すること。
• 画像ガイド下ロボティクス介入分野の研究を促進するために、完全にオープンソースのプラットフォームを提供すること。
• 患者がCTスキャナ内に留まる状態で、高透過性かつ直感的な制御が可能な遠隔操作を可能にすること。

提案手法

• ロボットはベルトおよびケーブル駆動を用いた7自由度シリアルリンク機構を採用し、高トルクでバックラッシュのない駆動を実現する。
• 完全にアクティブなモーションステージとトランニオン軸により、CTボール内での3次元的位置決めと姿勢制御が可能である。
• 3DConnexion SpaceMouseを用いて直感的な遠隔操作を実現し、CT画像、内視鏡カメラ、およびV-REP運動学レンダリングからのリアルタイムの視覚フィードバックを統合する。
• V-REPシミュレーション環境を用いて、衝突のない作業空間の解析と、胸部全体にわたる到達可能性の検証を実施した。
• ロボットの機械的設計はCT適合性を考慮しており、金属含有量を最小限に抑えることで画像アーチファクトを低減している。
• 完全なオープンソースリリースでは、機械的CAD、電子回路、ファームウェア、制御ソフトウェアをGitHub経由で提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケーブルおよびベルト駆動を備えた7自由度ロボットアームは、CTガイド下環境でサブミリメートルのターゲティング精度を達成できるか？
• RQ2 完全にシリアルリンクで冗長な設計が、周辺肺結節への広範囲かつ衝突のない作業空間へのアクセスを可能にするか？
• RQ3 金属含有量が少ない低ボール内プロファイルのロボットは、顕著なCT画像アーチファクトを生じないか？
• RQ4 模擬的およびプロトタイプ生検タスクにおける遠隔操作システムの再現性および精度は、どのように評価されるか？
• RQ5 オープンソースのロボットプラットフォームは、画像ガイド下介入ロボティクス分野の研究をどの程度加速できるか？

主な発見

• 4×4グリッドのアーチファクトターゲット上で、遠隔操作による平均ターゲティング誤差は0.73mm、標準偏差は0.30mmを記録した。
• 再現性テストでは、64のジョイントスペース設定において、位置の標準偏差が2.43mm、姿勢の標準偏差が2.95度であった。
• V-REPシミュレーションにより、複数の到達角度から肺全体にわたる完全なアクセスが可能であり、作業空間全体で高い機動性が確認された。
• ニードルをボール内に垂直に配置しても、ロボットのエンドエフェクタに顕著なCT画像アーチファクトは観察されなかった。
• プロトタイプ生検タスクでは、リアルタイムCTガイド下で最初の穿刺で両方の1cm結節に正常に到達した。
• CTスキャンにおいて、シャドウイングやアーチファクトが最小限に抑えられ、診断画像との適合性が確認された。