A Master-Follower Teleoperation System for Robotic Catheterization: Design, Characterization, and Tracking Control
作者: Ali A. Nazari, Jeremy Catania, Soroush Sadeghian, Amir Jalali, Houman Masnavi, Farrokh Janabi-Sharifi, Kourosh Zareinia
分类: cs.RO, cs.CV, eess.SY
发布日期: 2024-07-18 (更新: 2025-02-15)
备注: 29 pages, 12 figures, 6 tables
💡 一句话要点
设计主从遥操作机器人导管系统，用于机器人辅助导管插入术
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture)
关键词: 遥操作机器人 导管插入术 微创手术 主从控制 力反馈 路径跟踪 医疗机器人
📋 核心要点
- 微创机器人手术旨在减少辐射暴露并扩展医疗服务，但现有遥操作系统在力反馈透明性方面仍有提升空间。
- 本文设计了一种三自由度主从遥操作机器人系统，用于导管插入术，并配备了独特的夹持-插入-释放机构。
- 实验结果表明，该系统在开环控制下能实现较好的路径跟踪，但需要闭环控制来解决导管的非线性问题。
📝 摘要（中文）
在过去的二十年中，微创机器人手术受到了广泛关注。遥操作系统与机器人辅助微创技术相结合，使外科医生和临床医生能够减少医疗人员的辐射暴露，并将医疗服务扩展到偏远和难以到达的地区。为了加强这些服务，包含主从设备的遥操作机器人手术系统应提供透明性，使外科医生和临床医生能够远程体验与从动设备在患者体内所受到的力交互相似的力交互。本文介绍了一种用于机器人导管插入术的三自由度主从遥操作系统的设计和开发。为了模拟临床医生的手动干预，从动设备具有夹持-插入-释放机制，以消除操作过程中导管的弯曲和扭转。对双向可导航消融导管进行了静态表征，用于力交互医疗干预。通过接近和在典型的圆形、类无限和螺旋路径上进行开环路径跟踪来评估系统的性能。路径跟踪误差表示为平均欧几里得误差（MEE）和平均绝对误差（MAE）。MEE范围从0.64厘米（类无限路径）到1.53厘米（螺旋路径）。MAE的范围也从0.81厘米（类无限路径）到1.92厘米（螺旋路径）。结果表明，虽然具有开环控制器的系统的精度和准确度满足设计目标，但需要闭环控制器来解决导管的滞后和死区以及系统非线性。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决机器人辅助导管插入术中，如何设计一个具有良好力反馈和操作精度的遥操作机器人系统的问题。现有方法在力反馈透明性方面存在不足，并且导管在操作过程中容易出现弯曲和扭转，影响手术精度。
核心思路：论文的核心思路是通过设计一个主从遥操作系统，使医生能够远程控制导管的插入和操作，并感受到导管与组织之间的力交互。为了解决导管弯曲和扭转的问题，设计了一种独特的夹持-插入-释放机构。
技术框架：该系统由一个三自由度的主端设备和一个三自由度的从端设备组成。主端设备用于接收医生的操作指令，从端设备用于执行导管的插入和操作。系统采用开环控制进行路径跟踪，并通过实验评估系统的性能。主要模块包括：主端设备控制模块、从端设备控制模块、力反馈模块、导管夹持-插入-释放机构。
关键创新：该论文的关键创新在于：1）设计了一种用于机器人导管插入术的三自由度主从遥操作系统；2）提出了一种夹持-插入-释放机构，用于消除导管在操作过程中的弯曲和扭转。
关键设计：论文中，夹持-插入-释放机构的设计是关键。该机构通过夹持导管，然后进行插入，最后释放导管，从而避免了导管的弯曲和扭转。此外，论文还对导管进行了静态表征，以了解导管的力学特性，为后续的力反馈控制提供依据。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该系统在开环控制下能够实现较好的路径跟踪性能。对于类无限路径，平均欧几里得误差（MEE）为0.64厘米，平均绝对误差（MAE）为0.81厘米。对于螺旋路径，MEE为1.53厘米，MAE为1.92厘米。虽然开环控制满足设计目标，但需要闭环控制来解决导管的滞后和死区以及系统非线性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于远程医疗、微创手术等领域，尤其是在需要精确操作和力反馈的导管插入术中具有重要价值。通过该系统，医生可以在远离患者的情况下进行手术，减少辐射暴露，并为偏远地区的患者提供医疗服务。未来，该技术有望进一步发展，实现更复杂的手术操作。
📄 摘要（原文）
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.