Design and hysteresis compensation of a robot-assisted system for Transesophageal Echocardiography

Transoesophageal Echocardiography (TEE) is a medical imaging technique that uses ultrasound waves to produce highly detailed images of the heart from the esophagus. TEE is advantageous because it can visualize vascular structures, guidewires, and devices. TEE images are clearer than those produced by external echography, especially for visualizing structures that are difficult to view transthoracically. However, the manual use of TEE has limitations, including the use of radiation for fluoroscopically-guided procedures, occupational hazards for sonographers such as musculoskeletal disorders, and a lack of experts in underdeveloped regions and small clinics. To overcome these drawbacks, a robotic approach for TEE is proposed. The objective of this work is to develop a new robotic system for a commercial TEE probe to enable teleoperation. The project was conducted as part of the Artery project in collaboration with several European partners. The mechanical design was created to allow for easy disassembly of the robotic probe, making cleaning and sterilisation easier. The robot has four degrees of freedom: translation for insertion, rotation around the probe axis, medio-lateral bending, and antero-posterior bending of the distal bending section. Two different types of control were implemented in this work. The aim of Actuation Space Control is to control all four degrees of freedom using a joystick controller. However, TEE probe is tendon-driven, making it challenging to establish a relationship between the proximal movement of the probe handle and the distal movement of the tip. To overcome this limitation, Task Space Control is implemented, which involves applying inverse kinematics and hysteresis compensation to achieve the desired tip pose. Hysteresis modelling and compensation were performed using the B-Splines model, which was compared to a piecewise linear approximation. The B-Splines model exhibited superior performance, with an error of less than 1°. Furthermore, the probe tip was capable of accurately following an input trajectory with a positioning error of less than 3 mm. This result highlights the system's potential for trajectory planning and fully automated task execution.

L'Ecocardiografia Transesofagea utilizza onde ultrasoniche emsse dalla sonda presente nell'esofago al fine di ottenere delle immagini altamente dettagliate del cuore e delle strutture vascolari. Tale tipologia di ecocardiografia risulta essere migliorativa rispetto a quella esterna, in particolare per la visualizzazione di strutture difficili da osservare transtoracicamente. L'uso manuale presenta però alcune limitazioni/rischi per l'ecografista tra cui possiamo osservare l'essere sottoposti a radiazioni per procedure guidate da Fluoroscopia, rischi occupazionali come disturbi muscolo-scheletrici e la mancanza di esperti in regioni sottosviluppate e piccole cliniche. Per far fronte alle problematiche sopracitate, in collaborazione con il progetto europeo Artery, il presente studio propone un sistema robotico per l'attuazione della sonda e permetterne anche la teleoperazione. Il design meccanico è stato ideato per consentire un facile smontaggio della sonda robotica rendendo così più semplice la pulizia e la sterilizzazione. Il robot ha quattro gradi di libertà: traslazione per l'inserimento, rotazione intorno al proprio asse, flessione medio-laterale e flessione antero-posteriore della sezione distale. Sono stati implementati due diversi tipi di controllo. Il primo, identificato come Actuation Space Control, permette di gestire i gradi di libertà utilizzando un joystick. Il secondo è il Task Space Control che prevede l'applicazione di cinematica inversa e compensazione dell'isteresi per raggiungere la posa desiderata. Questo metodologia si rende necessaria per superare la difficoltà di stabilire una relazione tra il movimento prossimale e quello distale in robot continui. Un modello B-Splines è stato utilizzato per approssimazione e compensazione dell'isteresi e confrontato con un'approssimazione lineare a tratti. Il modello delle B-Splines ha mostrato prestazioni superiori, con un errore inferiore a 1°. In ultimo, la sonda è stata in grado di seguire una traiettoria con un errore di posizionamento medio di circa 3 mm. Questo risultato evidenzia il potenziale del sistema per la pianificazione di traiettorie e l'automatizzazione della procedura.