[论文解读] Robotic-assisted Ultrasound for Fetal Imaging: Evolution from Single-arm to Dual-arm System

Shuangyi Wang, R. James Housden+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Congenital Heart Disease Studies参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文介绍了iFIND项目中用于胎儿影像的机器人辅助超声系统的发展历程，从单臂配置演进至双臂配置。双臂系统提升了扫描的稳定性和覆盖范围，42名志愿者的临床验证显示系统运行可靠，用户舒适度和接受度高。

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.

研究动机与目标

• 解决在胎儿和腹部扫描过程中手动、现场操作超声探头所面临的局限性。
• 开发一种机器人系统，实现胎儿影像检查的一致性、可重复性及舒适性。
• 从单臂机器人系统演进为双臂配置，以提升扫描效率和图像采集质量。
• 在临床环境中对机电系统和用户体验进行验证。
• 实现智能、自动化且可重复的胎儿超声扫描，以支持诊断准确性和工作流程整合。

提出的方法

• 设计并实现一种专用于体外胎儿超声扫描的单臂配置机器人系统。
• 将系统升级为双臂配置，以实现探头的同步定位并提升扫描覆盖范围。
• 集成机电组件，实现对超声探头运动的精确、实时控制。
• 利用患者特异性解剖模型和导航算法，指导机器人扫描路径。
• 通过42名志愿者的临床试验，评估系统的可靠性与用户舒适度。
• 通过问卷收集并分析参与者反馈，评估接受度与扫描体验。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单臂版本相比，双臂机器人系统在扫描稳定性和图像采集方面有何改进？
• RQ2 用户在通过机器人系统进行超声扫描时的舒适度和接受度如何？
• RQ3 该机器人系统能否在临床环境中可靠地执行一致且可重复的胎儿超声扫描？
• RQ4 从单臂向双臂机器人超声系统过渡过程中面临哪些技术挑战？
• RQ5 该机器人系统如何支持胎儿影像的自动化，以提升诊断工作流程效率？

主要发现

• 双臂机器人系统在42名志愿者的临床测试中表现出可靠且可重复的运行性能。
• 参与者反馈显示，对机器人超声扫描的舒适度和接受度均较高。
• 系统在多次测试会话中均成功保持了探头接触的一致性及扫描路径的稳定性。
• 从单臂配置升级为双臂配置显著提升了扫描覆盖范围和稳定性。
• 初步结果支持机器人辅助超声在常规胎儿影像应用中的可行性。
• 机电设计满足临床环境中对精度和安全性的功能需求。