Design of human-robot shared control framework for teleoperated ultrasound scanning

Ultrasound (US) is one of the most widely used clinical imaging modalities in various clinical specialties. When compared to other vastly exploited techniques such as X-rays, US modality is considered to be cost-effective, it can yield a real-time image, and it is radiation-free and portable. Nevertheless, the image obtained from the examination and the interpretation of the image are operator-skill dependent and have low repeatability. Furthermore, studies have shown that among sonographers there’s a high incidence of Work-Related Musculoskeletal Disorders (WRMSDs). Moreover, sonographers and patients need to be in direct physical contact during the US scanning procedure, with a consequent increased risk of infection transmission (e.g.: COVID-19). To tackle these challenges, medical robotics have great potential to reduce the physical and mental workload of the sonographers, increase safety, and raise the level of healthcare provided to the patients. Given such premises, this thesis presents the design of a novel human-robot shared control framework for teleoperated ultrasound scanning. A bilateral teleoperation control is implemented to couple a master haptic device and a 7-DOFs robotic manipulator. A variable impedance controller was exploited to track a constant desired contact force between the ultrasound probe and the environment. To this aim, a quadratic programming-based optimization problem is developed to update in real-time the robot's stiffness. Taking into consideration that both bilateral teleoperation control and time-varying impedance control are active controls, a global energy tank-enhanced system passivity analysis and regulation are necessary to ensure the system's stability and, hence, the patient's safety. Comprehensive comparison experiments were conducted to validate the proposed method compared with a position-based teleoperation control and a constant stiffness teleoperated control modalities. To assess the system’s robustness, the experimental protocol included four different materials and three desired contact forces. Experiment results demonstrated that the proposed human-robot shared control framework for teleoperated US scanning outperforms the other two modalities, presenting lower force errors and variability. Results also show that the shared-control method has a role in decreasing the users' perceived workload.

L'ecografia è una delle modalità di imaging clinico più ampiamente utilizzate in varie specialità cliniche. Rispetto ad altre tecniche ampiamente utilizzate come i raggi-X, i sistemi di imaging ad ultrasuoni sono considerati economicamente vantaggiosi, possono produrre un'immagine in tempo reale, sono privi di radiazioni e portatili. Tuttavia, l'immagine ottenuta dall'esame e l'interpretazione dell'immagine stessa dipendono dalle competenze dell'operatore e hanno una bassa ripetibilità. Oltre a ciò, studi hanno dimostrato un'alta incidenza di disturbi muscoloscheletrici correlati al lavoro tra i tecnici ecografisti. Inoltre, ecografisti e pazienti devono essere in contatto fisico diretto durante la procedura di scansione ad ultrasuoni, con un conseguente aumento del rischio di trasmissione di infezioni (ad esempio: COVID-19). Per affrontare queste sfide, la robotica medica ha un grande potenziale per ridurre il carico fisico e mentale del personale sanitario, aumentare la sicurezza e migliorare il livello di assistenza sanitaria fornita ai pazienti. Date tali premesse, questa tesi presenta la progettazione di un nuovo framework di controllo condiviso uomo-robot per la scansione ecografica teleoperata. È stato implementato un controllo di teleoperazione bilaterale per accopiare un dispositivo aptico e un manipolatore robotico a 7 gradi di libertà. Un controllore a impedenza variabile è stato sfruttato per tracciare una desiderata forza di contatto tra la sonda ecografica e l'ambiente. A tal fine, è stato sviluppato un problema di ottimizzazione basato sulla programmazione quadratica per aggiornare in tempo reale i parametri elastici del robot. Tenendo conto che sia il controllo di teleoperazione bilaterale che il controllo a impedenza variabile sono controlli attivi, sono necessarie l'analisi e la regolazione della passività del sistema basata su un serbatoio di energia globale per garantire la stabilità del sistema e, di conseguenza, la sicurezza del paziente. Sono stati condotti esperimenti di confronto esaustivi per convalidare il metodo proposto rispetto a una modalità di controllo di teleoperazione basato sulla posizione e rispetto a un controllo teleoperato ad impedenza costante. Per valutare la robustezza del sistema, il protocollo sperimentale comprendeva quattro materiali diversi e tre forze di contatto desiderate. I risultati degli esperimenti hanno dimostrato che il nuovo framework di controllo condiviso uomo-robot per la scansione ad ultrasouni teleoperata supera le altre due modalità, presentando errori di forza e variabilità inferiori. I risultati mostrano inoltre che il metodo di controllo condiviso contribuisce nel diminuire il carico di lavoro percepito dagli utenti.