Robotic Eye-in-hand Visual Servo Axially Aligning Nasopharyngeal Swabs with the Nasal Cavity

要約

鼻咽頭 (NP) 綿棒検査は、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) を含むさまざまな種類の呼吸器疾患を診断するために培養液を収集する方法です。
この作業をロボットに委任することは、感染リスクの軽減と医療システムの強化という点で有益ですが、NP 綿棒検査の重要な要素は、綿棒を鼻腔に適切に配置して、過度の不快感や損傷を引き起こさないようにすることです。
間違った通路を進んでいる。
ロボットによる NP 拭き取りに関する既存の研究では、通常、患者の頭部が固定具内に保持されていることが前提となっています。
これは位置合わせの問題を単純化しますが、患者が通常自立している臨床シナリオとは異なります。
その結果、私たちの研究は、機器を備えたロボットアームが自立した患者の鼻孔に対してNPスワブを適切に位置決めし、方向付けることを可能にする、視覚誘導パイプラインを作成します。
パイプラインの最初のコンポーネントは、事前に計算された関節ルックアップ テーブルで、関節の制限を回避しながら、アームが指定されたワークスペース内の患者の任意の位置に適合できるようにします。
私たちのパイプラインは、コンピューター ビジョンからのセマンティック顔モデルを活用して、エンドエフェクターに配置された単眼 RGB-D カメラに対する顔のユークリッド姿勢を推定します。
これらの推定値は、多様体状態推定器の無香料カルマン フィルターと、鼻孔の前の指定されたポーズに綿棒を移動する姿勢ベースの視覚サーボ制御ループに渡されます。
当社のパイプラインは、25 人の参加者からなるコホートを対象とした人体試験で検証されました。
このシステムは効果的で、参加者の 84% の鼻孔に到達しており、統計分析ではコホート内に人口統計上の重大な偏りは見つかりませんでした。

要約(オリジナル)

The nasopharyngeal (NP) swab test is a method for collecting cultures to diagnose for different types of respiratory illnesses, including COVID-19. Delegating this task to robots would be beneficial in terms of reducing infection risks and bolstering the healthcare system, but a critical component of the NP swab test is having the swab aligned properly with the nasal cavity so that it does not cause excessive discomfort or injury by traveling down the wrong passage. Existing research towards robotic NP swabbing typically assumes the patient’s head is held within a fixture. This simplifies the alignment problem, but is also dissimilar to clinical scenarios where patients are typically free-standing. Consequently, our work creates a vision-guided pipeline to allow an instrumented robot arm to properly position and orient NP swabs with respect to the nostrils of free-standing patients. The first component of the pipeline is a precomputed joint lookup table to allow the arm to meet the patient’s arbitrary position in the designated workspace, while avoiding joint limits. Our pipeline leverages semantic face models from computer vision to estimate the Euclidean pose of the face with respect to a monocular RGB-D camera placed on the end-effector. These estimates are passed into an unscented Kalman filter on manifolds state estimator and a pose based visual servo control loop to move the swab to the designated pose in front of the nostril. Our pipeline was validated with human trials, featuring a cohort of 25 participants. The system is effective, reaching the nostril for 84% of participants, and our statistical analysis did not find significant demographic biases within the cohort.

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