[论文解读] 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 9

一句话总结

本论文提出了一款开源的7自由度机器人平台，采用串联式、绳索与皮带驱动的设计，适用于远程操控、CT引导下的肺部穿刺活检。该平台实现了亚毫米级的靶向精度（平均误差<0.73毫米），并具有紧凑的孔内轮廓（<16平方厘米），可在CT孔内实现多种角度下的安全、灵巧的穿刺针定位。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高度灵巧、低轮廓的机器人系统，用于孔内CT引导下的穿刺活检。
• 通过实现精确、影像引导的机器人穿刺针定位，减少辐射暴露和多次穿刺。
• 通过采用冗余7自由度串联机构并配备零背隙传动装置，克服现有机器人在机械性能上的局限性。
• 提供一个完全开源的平台，以加速影像引导机器人介入手术的研究。
• 在患者保持在CT扫描仪内的情况下，实现高透明度和直观控制的远程操作。

提出的方法

• 该机器人采用7自由度串联机构，结合皮带与绳索驱动，实现高扭矩、低背隙的驱动性能。
• 全主动运动平台与回转轴设计，可在CT孔内实现完整的三维定位与姿态调整。
• 系统集成了3DConnexion SpaceMouse，实现直观的远程操作，并结合来自CT、内窥镜摄像头以及V-REP运动学模拟的实时视觉反馈。
• 利用V-REP仿真环境分析了无碰撞工作空间，并验证了在整个胸腔体积范围内的可达性。
• 机器人的机械设计遵循CT兼容原则，最大限度减少金属含量，以降低图像伪影。
• 完整开源发布包括机械CAD设计、电子硬件、固件及控制软件，通过GitHub提供。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用绳索与皮带驱动的7自由度机械臂是否能在CT引导环境下实现亚毫米级的靶向精度？
• RQ2 全串联式冗余设计是否能够实现对周围肺部结节的广泛、无碰撞的工作空间可达性？
• RQ3 低孔内轮廓且金属含量极少的机器人是否能避免产生显著的CT图像伪影？
• RQ4 在模拟与体模活检任务中，该远程操作系统的重复性与精度表现如何？
• RQ5 开源机器人平台在多大程度上能够加速影像引导介入机器人研究？

主要发现

• 在4×4的靶心目标网格上，机器人实现了0.73毫米的平均远程操作靶向误差，标准差为0.30毫米。
• 重复性测试显示，在64种关节空间配置下，位置的标准差为2.43毫米，姿态的标准差为2.95度。
• V-REP仿真结果证实，从多个入针角度均可完全访问整个肺部体积，且工作空间内具备高度灵巧性。
• 即使在针垂直置于孔内时，机器人末端执行器也未观察到显著的CT图像伪影。
• 在体模活检任务中，系统在首次穿刺尝试中即成功抵达两个1厘米大小的结节。
• CT扫描中系统表现出极低的阴影与伪影，证实其与诊断影像兼容。