[논문 리뷰] Toward Process Controlled Medical Robotic System

Yihao Liu, Amir Kheradmand외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Soft Robotics and ApplicationsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 계층적 유한 상태 기계(hFSM)를 사용하여 임상 워크플로를 결정론적이고 기계로 실행 가능한 절차로 형식화하는 프로세스 제어 의료 로봇 시스템(PCMRS)을 제안한다. 이는 자동화되고 안전하며 정확한 로봇 수술를 가능하게 한다. 시스템은 두 가지 응용 분야에서 밀리미터 이내의 정밀도를 달성한다: 경두개자극(0.25 mm 이 translational 오차)과 대퇴부 성형술(0.5979 mm 이 translational 오차), 동적 수술 환경에서 신뢰할 수 있는 상태 전이와 실시간 제어를 입증한다.

ABSTRACT

Medical errors, defined as unintended acts either of omission or commission that cause the failure of medical actions, are the third leading cause of death in the United States. The application of autonomy and robotics can alleviate some causes of medical errors by improving accuracy and providing means to follow planned procedures. However, for the robotic applications to improve safety, they must maintain constant operating conditions in the presence of disturbances, and provide reliable measurements, evaluation, and control for each state of the procedure. This article addresses the need for process control in medical robotic systems, and proposes a standardized design cycle toward its automation. Monitoring and controlling the changing conditions in a medical or surgical environment necessitates a clear definition of workflows and their procedural dependencies. We propose integrating process control into medical robotic workflows to identify change in states of the system and environment, possible operations, and transitions to new states. Therefore, the system translates clinician experiences and procedure workflows into machine-interpretable languages. The design cycle using hFSM formulation can be a deterministic process, which opens up possibilities for higher-level automation in medical robotics. Shown in our work, with a standardized design cycle and software paradigm, we pave the way toward controlled workflows that can be automatically generated. Additionally, a modular design for a robotic system architecture that integrates hFSM can provide easy software and hardware integration. This article discusses the system design, software implementation, and example application to Robot-Assisted Transcranial Magnetic Stimulation and robot-assisted femoroplasty. We provide assessments using performance in terms of robotic tool placement and response to failure injections.

연구 동기 및 목표

• 수술 절차에서 인간 요인(부정확한 판단 및 소통 실패 등)으로 인한 높은 의료 오류 발생률을 해결하기 위해.
• 형식화된 절차 제어를 통해 고차원 자동화를 가능하게 하는 표준화되고 결정론적인 의료 로봇 시스템 설계 주기를 개발하기 위해.
• 의료 로봇 기술에 프로세스 제어를 통합하기 위해 임상의 전문 지식과 절차 워크플로를 계층적 유한 상태 기계(hFSM)를 사용해 기계로 해석 가능한 상태 전이로 변환하기 위해.
• 모듈러한 소프트웨어 및 하드웨어 통합과 견고한 통신 프로토콜을 통해 다이나믹한 환경에서도 신뢰성 있고 실시간으로 로봇 제어를 가능하게 하기 위해.
• 로봇 보조 경두개자극(RATMS)과 로봇 보조 대퇴부 성형술을 포함한 두 가지 임상 응용 분야에서 시스템을 검증하여 높은 정확도와 절차 일관성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 절차 워크플로를 모델링하기 위해 계층적 유한 상태 기계(hFSM) 프레임워크를 사용하며, 각 상태는 절차 단계를 나타내고 전이 조건은 사전 정의된 조건에 의해 결정된다.
• hFSM 설계는 임상의 경험과 절차적 의존성을 형식화된 결정론적 상태 전이 모델로 변환하여 복잡한 다단계 수술 개입의 자동화를 가능하게 한다.
• ROS(Robot Operating System) 기반의 모듈러한 소프트웨어 아키텍처와 UDP 기반 통신을 통해 인식, 계획, 구동, 시각화 모듈 간 실시간 데이터 교환을 보장한다.
• 실시간 3D 시각화 및 원격 조작을 위해 3D Slicer와 Unity를 통합하며, 일관된 사용자 피드백을 위해 최소 60 Hz의 안정된 프레임 레이트를 유지한다.
• 시스템은 UDP(저지연)와 선택적 TCP(신뢰성 높음) 통신을 모두 지원하여 분산 컴퓨팅 환경에서의 다양한 배포에 적합하다.
• 로봇 보조 경두개자극(RATMS)과 로봇 보조 대퇴부 성형술을 포함한 두 가지 임상 응용 분야에서 시스템을 검증하며, 로봇 도구 위치 정확도를 정량적으로 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 의료 로봇 시스템은 임상 워크플로를 결정론적이고 기계로 실행 가능한 절차로 형식화함으로써 어떻게 고차원 자동화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 계층적 유한 상태 기계(hFSM)는 절차적 의존성과 상태 전이를 포함한 복잡하고 다이나믹한 수술 워크플로를 어느 정도 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 표준화되고 모듈러한 로봇 시스템 아키텍처는 다양한 의료 개입에서 신뢰성 있고 실시간 제어 및 정확한 도구 위치 정확도를 보장할 수 있는가?
• RQ4 RATMS 및 대퇴부 성형술과 같은 임상 응용 분야에서 hFSM를 통한 프로세스 제어를 사용할 경우 도달할 수 있는 정확도와 일관성 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 통합된 소프트웨어 패러다임을 통해 인식, 계획, 구동, 시각화를 통합함으로써 절차적 안전성과 재현 가능성은 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 로봇 보조 경두개자극(RATMS)에서 PCMRS 시스템은 평균 이 translational 오차 0.2504 mm와 회전 오차 0.1034 도를 기록하여 비침습적 뇌 자극에서 높은 정밀도를 입증했다.
• 대퇴부 필라미나를 사용한 로봇 보조 대퇴부 성형술에서 시스템은 평균 이 translational 오차 0.5979 mm와 회전 오차 0.1500 도를 기록하여 정형외과 수술에서의 정확도를 확인했다.
• 시스템은 hFSM에 정의된 상태 전이에 엄격히 따라 절차를 실행하여 잘못된 운영을 방지하고 절차의 무결성을 보장했다.
• 3D Slicer와 Unity에서의 실시간 3D 시각화는 최소 60 Hz의 안정된 프레임 레이트를 유지하여 신뢰할 수 있는 원격 조작과 사용자 피드백을 가능하게 했다.
• UDP 기반 통신을 사용함으로써 저지연 데이터 전송이 보장되어 다이나믹한 환경에서 고주파 센서 스트리밍과 실시간 제어에 필수적인 요건을 충족시켰다.
• 모듈러하고 ROS 기반의 소프트웨어 아키텍처는 인식, 계획, 구동, 시각화 구성 요소의 원활한 통합을 가능하게 하여 다양한 의료 응용 분야에서 확장성과 재사용성을 지원했다.