CRANE: A Redundant, Multi-Degree-of-Freedom Computed Tomography Robot for Heightened Needle Dexterity within a Medical Imaging Bore

要約

CT（コンピュータ断層撮影）画像ガイダンスにより、経皮的アプローチによる針状器具を用いた、がんや慢性疼痛を含む疾患の正確で安全な低侵襲治療が可能になる。医師は、フリーハンドでの調整と患者の生理的な動きによる精度の限界のため、中間画像を用いて針を段階的に挿入・調整する。患者や医師の電離放射線被曝を最小限に抑えるため、スキャン頻度は制限されている。ロボットは、より少ないスキャン回数で、高い位置精度を提供し、生理的な動きを補正することができる。これを達成するために、ロボットは、針の挿入や操作に十分な器用さを保ちながら、狭い撮影孔内で操作しなければならない。本論文では、CRANE: CT Robotic Arm and Needle Emplacerを紹介する。CRANEは、医師が手で操作するのと同じように自然にスキャナボア内で針を操作し挿入することができるように、システムの器用さに焦点を当てた設計を持つCT互換ロボットである。我々は、汎用のボア内画像誘導針配置ロボットに適用可能な、ボア内器用さに関する抽象的で測定可能な臨床的動機付けのある指標を定義し、ボア内針操作および装置セットアップのための自動ロボット計画および制御方法を開発し、冗長連結設計が様々な人間の形態に対応した器用さを提供し、その場評価中の目標精度に対する臨床要件を満たすことを実証する。

要約(オリジナル)

Computed Tomography (CT) image guidance enables accurate and safe minimally invasive treatment of diseases, including cancer and chronic pain, with needle-like tools via a percutaneous approach. The physician incrementally inserts and adjusts the needle with intermediate images due to the accuracy limitation of free-hand adjustment and patient physiological motion. Scanning frequency is limited to minimize ionizing radiation exposure for the patient and physician. Robots can provide high positional accuracy and compensate for physiological motion with fewer scans. To accomplish this, the robots must operate within the confined imaging bore while retaining sufficient dexterity to insert and manipulate the needle. This paper presents CRANE: CT Robotic Arm and Needle Emplacer, a CT-compatible robot with a design focused on system dexterity that enables physicians to manipulate and insert needles within the scanner bore as naturally as they would be able to by hand. We define abstract and measurable clinically motivated metrics for in-bore dexterity applicable to general-purpose intra-bore image-guided needle placement robots, develop an automatic robot planning and control method for intra-bore needle manipulation and device setup, and demonstrate the redundant linkage design provides dexterity across various human morphology and meets the clinical requirements for target accuracy during an in-situ evaluation.

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