A Master-Follower Teleoperation System for Robotic Catheterization: Design, Characterization, and Tracking Control

要約

低侵襲ロボット手術は、過去 20 年間にわたって大きな注目を集めてきました。
遠隔ロボット システムとロボットを介した低侵襲技術を組み合わせることで、外科医や臨床医は医療スタッフの放射線被ばくを軽減し、遠隔地や到達困難な地域にも医療サービスを拡張できるようになりました。
これらのサービスを強化するには、マスターデバイスとフォロワーデバイスを組み込んだ遠隔操作のロボット手術システムが透明性を提供し、外科医や臨床医がフォロワーデバイスが患者の体に対して経験するのと同様の力の相互作用を遠隔で体験できるようにする必要があります。
この論文では、ロボットカテーテル挿入のための 3 自由度のマスターフォロワー遠隔操作システムの設計と開発について説明します。
臨床医による手動介入と同様に、フォロワー デバイスには、操作中のカテーテルの座屈やねじれを排除するためのグリップ – 挿入 – リリース機構が備わっています。
双方向にナビゲート可能なアブレーション カテーテルは、力と相互作用する医療介入向けに静的に特徴付けられています。
システムのパフォーマンスは、典型的な円形、無限のような、螺旋状のパスに対するアプローチおよび開ループ パス追跡を通じて評価されます。
パス追跡誤差は、平均ユークリッド誤差 (MEE) および平均絶対誤差 (MAE) として表示されます。
MEE の範囲は 0.64 cm (無限のような経路) から 1.53 cm (らせん状の経路) です。
MAE も 0.81 cm (無限のような経路) から 1.92 cm (らせん状の経路) の範囲にあります。
この結果は、開ループ コントローラーを使用したシステムの精度と精度は設計目標を満たしているものの、カテーテルのヒステリシスとデッド ゾーン、およびシステムの非線形性に対処するには閉ループ コントローラーが必要であることを示しています。

要約(オリジナル)

Minimally invasive robotic surgery has gained significant attention over the past two decades. Telerobotic systems, combined with robot-mediated minimally invasive techniques, have enabled surgeons and clinicians to mitigate radiation exposure for medical staff and extend medical services to remote and hard-to-reach areas. To enhance these services, teleoperated robotic surgery systems incorporating master and follower devices should offer transparency, enabling surgeons and clinicians to remotely experience a force interaction similar to the one the follower device experiences with patients’ bodies. This paper presents the design and development of a three-degree-of-freedom master-follower teleoperated system for robotic catheterization. To resemble manual intervention by clinicians, the follower device features a grip-insert-release mechanism to eliminate catheter buckling and torsion during operation. The bidirectionally navigable ablation catheter is statically characterized for force-interactive medical interventions. The system’s performance is evaluated through approaching and open-loop path tracking over typical circular, infinity-like, and spiral paths. Path tracking errors are presented as mean Euclidean error (MEE) and mean absolute error (MAE). The MEE ranges from 0.64 cm (infinity-like path) to 1.53 cm (spiral path). The MAE also ranges from 0.81 cm (infinity-like path) to 1.92 cm (spiral path). The results indicate that while the system’s precision and accuracy with an open-loop controller meet the design targets, closed-loop controllers are necessary to address the catheter’s hysteresis and dead zone, and system nonlinearities.

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