[论文解读] Toward Process Controlled Medical Robotic System

Yihao Liu, Amir Kheradmand+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Soft Robotics and ApplicationsEngineering被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于分层有限状态机（hFSM）的过程控制医疗机器人系统（PCMRS），将临床工作流程形式化为确定性、可执行的机器程序，实现自动化、安全且精确的机器人干预。该系统在两项应用中实现了亚毫米级精度：经颅磁刺激（0.25 mm 位移误差）和股骨成形术（0.5979 mm 位移误差），展示了在动态手术环境中可靠的状态转换与实时控制能力。

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.

研究动机与目标

• 解决因人为因素（如判断失误和沟通中断）导致的高发手术错误问题。
• 开发一种标准化、确定性的医疗机器人系统设计流程，通过形式化程序控制实现更高层级的自动化。
• 通过将临床医生的专业知识和程序化工作流程转化为基于分层有限状态机（hFSM）的机器可解释状态转换，将过程控制整合到医疗机器人中。
• 通过模块化软硬件集成与稳健通信协议，实现在动态环境中的可靠、实时机器人控制。
• 在两项临床应用中验证该系统：机器人辅助经颅磁刺激（RATMS）和机器人辅助股骨成形术，展示高精度与程序一致性。

提出的方法

• 系统采用分层有限状态机（hFSM）框架建模程序化工作流程，其中每个状态代表一个程序阶段，状态转换由预定义条件控制。
• hFSM设计将临床医生经验与程序依赖关系转化为正式的、确定性的状态转换模型，实现对复杂多步干预的自动化。
• 基于 ROS（机器人操作系统）和基于 UDP 的通信实现模块化软件架构，确保感知、规划、执行和可视化模块之间的实时数据交换。
• 系统集成 3D Slicer 和 Unity 实现实时 3D 可视化与远程操作，帧率稳定在 60 Hz，确保用户反馈的一致性。
• 设计支持 UDP（低延迟）和可选的 TCP（高可靠性）通信，实现跨分布式计算环境的灵活部署。
• 通过两项临床应用对系统进行验证：RATMS 和机器人辅助股骨成形术，对机器人工具定位进行定量误差评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 医疗机器人系统如何通过将临床工作流程形式化为确定性、可执行的程序，实现更高层级的自动化？
• RQ2 分层有限状态机（hFSM）在多大程度上能够建模具有程序依赖关系和状态转换的复杂动态手术流程？
• RQ3 标准化的模块化机器人系统架构能否确保在多样化医疗干预中实现可靠、实时的控制与精确的工具定位？
• RQ4 在如 RATMS 和股骨成形术等临床应用中，通过 hFSM 实现过程控制，机器人工具定位能达到何种精度与一致性水平？
• RQ5 通过统一软件范式集成感知、规划、执行与可视化，如何提升手术过程的安全性与可重复性？

主要发现

• 在机器人辅助经颅磁刺激（RATMS）中，PCMRS 系统实现了平均位移误差 0.2504 mm 和旋转误差 0.1034 度，展示了在非侵入性脑刺激中的高精度。
• 在使用股骨模型进行的机器人辅助股骨成形术中，系统实现了平均位移误差 0.5979 mm 和旋转误差 0.1500 度，证实了在骨科干预中的准确性。
• 系统严格遵循 hFSM 定义的状态转换执行程序，防止了无效操作，确保了程序的完整性。
• 在 3D Slicer 和 Unity 中实现的实时 3D 可视化保持了至少 60 Hz 的稳定帧率，支持可靠的远程操作与用户反馈。
• 基于 UDP 的通信确保了低延迟数据传输，这对高频传感器数据流和动态环境中的实时控制至关重要。
• 基于 ROS 的模块化软件架构实现了感知、规划、执行与可视化组件的无缝集成，支持在不同医疗应用中的可扩展性与可重用性。