[논문 리뷰] Tele-Operated Oropharyngeal Swab (TOOS) RobotEnabled by TSS Soft Hand for Safe and EffectiveCOVID-19 OP Sampling

Wei Chen, Jianshu Zhou외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 20.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 구강 내 제한된 공간에서 안전하고 민감하며 인간과 유사한 스와브 조작이 가능한 새로운 TSS 소프트 손을 탑재한 원격 제어식 후두부 스와브(ToOS) 로봇을 제안한다. 시스템은 하이브리드 가상 프레임워크 제어와 실시간 시각 피드백을 통해 30초 이내의 샘플링 시간을 달성하며 높은 성공률과 안전성을 확보하여 코로나19 검사 시 감염 위험을 줄이는 데 유망한 솔루션을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 코로나19 검사 시 의료진이 겪는 높은 감염 위험을 해결하기 위해.
• 제한된 공간에서 스와브를 수행할 때 안전성, 민감성, 사용자 편안함에 한계가 있는 강성 로봇의 문제점을 극복하기 위해.
• 일次성 스와브 처리를 위한 인간의 손목과 손의 민감성을 모방하는 소프트 로봇 손(TSS 손)을 개발하기 위해.
• 안전하고 정확하며 반복 가능한 샘플링을 위해 힘 제어와 가상 프레임워크를 갖춘 원격 제어를 가능하게 하기 위해.
• 인간-원격 제어를 통해 인체 모의 모델에서 시스템의 안전성, 민감성, 운영 효율성을 검증하기 위해.

제안 방법

• TSS 손의 전역 위치를 보장하기 위해 3-DOF 이동 중심 운동(RCM) 플랫폼을 사용하여 정밀한 삽입 및 회수를 수행한다.
• 공기압 조절식 스티프니스를 갖춘 소프트 손목과 스와브를 꼭 쥐고 놓을 수 있는 소프트 그립퍼를 통합한 TSS 소프트 손을 구현한다.
• 하이브리드 운동 및 스티프니스 가상 프레임워크 제어기가 원격 제어 중 샘플링 힘을 안전하고 편안한 범위(10–60 g) 내에서 유지한다.
• 구강 내 카메라에서 온 실시간 시각 피드백이 운영자 제어를 안내하고 정확한 스와브 위치를 보장한다.
• 음성 통신 기능과 인간 보조 스와브 수거 기능을 갖춘 원격 제어 인터페이스를 사용한다.
• 실험적 검증은 정확도 테스트, 스티프니스 조절, 안전성 평가를 포함하며, 인간의 구강 구조 모의 모델에서 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트 로봇 손이 제한된 후두부 공간에서 일회용 스와브를 민감하고 인간과 유사하게 조작할 수 있는가?
• RQ2 가상 프레임워크 제어 기능을 갖춘 원격 제어 시스템이 후두부 스와브를 수행할 때 안전하고 일관된 샘플링 힘을 유지할 수 있는가?
• RQ3 속도, 정확도, 사용자 편안함 측면에서 시스템의 성능이 수동 샘플링과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 TSS 손의 조절 가능한 스티프니스가 안전한 조직 상호작용과 효과적인 스와브 힘 적용을 모두 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 기존 일회용 스와브와의 통합이 임상 현장에서 신속하고 확장 가능하며 안전한 배포를 위한 가능성을 지닌다.

주요 결과

• ToOS 로봇은 인체 모의 모델에서 인간-원격 제어 시험에서 약 30초 내에 완전한 샘플링 사이클을 완료했으며, 성공률는 100%를 기록했다.
• TSS 소프트 손은 인간 손과 유사한 민감성과 작업 영역을 보였으며, 제한된 공간 내에서 스와브 삽입, 회전, 회수를 효과적으로 수행할 수 있었다.
• 하이브리드 가상 프레임워크 제어기가 샘플링 힘을 안전하고 편안한 범위(10–60 g) 내에서 안정적으로 유지하여 조직 안전성을 확보했다.
• 세 명의 운영자 모두 이전에 스와브 경험 여부와 관계없이 수분 내에 숙련된 원격 제어를 수행했으며, 이는 낮은 학습 곡선과 높은 사용성임을 시사한다.
• 시험 대상자로부터는 수술 중에 불편함을 느낀 바가 없었으며, 이는 시스템의 안전성과 소프트한 상호작용 능력이 확인됨을 의미한다.
• 시스템은 표준 일회용 스와브를 사용하여 안전하고 비용 효율적이며 신속하게 구현 가능한 로봇 샘플링을 가능하게 하며, 향후 실체적 시험과 AI 강화 제어의 가능성을 지닌다.