Region based trajectory generation and hybrid control framework for robotic assisted ultrasound scanning

Ultrasound (US) imaging has been adopted as a medical application for diagnostics in the early 1970s. Compared to the most common medical imaging modalities like Radiography (X-ray), Computerized Tomography (CT), and Magnetic Resonance Imaging (MRI), US imaging has important advantages, like being non-invasive, cost-effective, portable, free of radiation, and producing real-time images. Despite what has been said, the US procedure yet presents some drawbacks. During the scanning procedure, the sonographer holds the ultrasound probe and scans the patient, trying to keep a certain pressure. Consequently, the obtained images have low repeatability and the results depend on the operator’s skill. Moreover, a high percentage of sonographers suffer from Work-Related Musculoskeletal Disorders (WRMSDs), and the contact between clinician and patient increases the risk of infection transmission (e.g. COVID-19). Implementing Robotic US Systems (RUSS) can reduce the physical and mental workload of the sonographers, decrease infection risk transmission, and lead to more standardized results. In the last few years, different RUSSs have been proposed with different levels of autonomy, but recently, interest in semi-autonomous and fully-autonomous solutions has increased. This work presents a novel semi-autonomous robot-assisted ultrasound scanning system. The 3D reconstruction of the patient’s body is achieved by merging different point clouds acquired with an RGB-D camera. The trajectory generation process allows the defining of a desired Region Of Interest (ROI) on the 3D reconstructed body and generates a scanning path that ensures full coverage of the target anatomical structure. Then a hybrid force/position control system is proposed to drive a 7-degrees-of-freedom robotic manipulator along the generated trajectory. The position control is achieved with an impedance controller, while the force control, in the normal direction, is obtained with a feed-forward PID force controller. To validate the performance of the overall system, experiments are conducted on various anatomical structures with different desired contact forces and scanning velocities. The obtained results demonstrate that the proposed framework can generate scanning trajec tories with a high level of customization and keep the target contact force during the scanning execution task

La scansione ad ultrasuoni è stata adottata come applicazione medica per la diagnostica all’inizio degli anni ’70. Rispetto alle modalità di imaging più comuni come la Radiografia a raggi x, la Tomografia Computerizzata (CT) e la Risonanza Magnetica (MRI), l’imaging ad ultrasuoni presenta importanti vantaggi, come essere non invasivo, economico, por tatile, privo di radiazioni e in grado di produrre immagini in tempo reale. Nonostante ciò che è stato detto, la procedura di scansione presenta ancora alcuni svantaggi. Durante la scansione, il sonografo tiene la sonda ad ultrasuoni e scansiona il paziente, cercando di mantenere una certa pressione. Di conseguenza, le immagini ottenute hanno una bassa ripetibilità e i risultati dipendono dall’abilità dell’operatore. Inoltre, una percentuale el evata di sonografi soffre di disturbi muscoloscheletrici legati al lavoro, e il contatto tra clinico e paziente aumenta il rischio di trasmissione di infezioni (ad esempio. COVID-19). L’implementazione di sistemi robotici ad ultrasuoni può ridurre il carico fisico e men tale dei sonografi, diminuire il rischio di trasmissione di infezioni e portare a risultati più standardizzati. Negli ultimi anni, sono state proposte diverse soluzioni, che impiegano l’utilizzo di sistemi robotici, con diversi livelli di autonomia, ma recentemente l’interesse per le soluzioni semi-autonome e completamente autonome è in aumento. Questo lavoro presenta un nuovo sistema di scansione ad ultrasuoni robot-assistito semi autonomo. La ricostruzione 3D del corpo del paziente viene ottenuta mediante la fusione di diversi nuvole di punti acquisite con una telecamera RGB-D. Il processo di generazione della traiettoria consente di definire una regione di interesse sul corpo ricostruito in 3D e genera un percorso di scansione che garantisce una copertura completa della struttura anatomica selezionata. Successivamente, viene implementato un sistema di controllo ib rido forza/posizione per guidare un manipolatore robotico a 7 gradi di libertà lungo la traiettoria generata. Il controllo della posizione è ottenuto con un controllore ad impedenza, mentre il controllo della forza, nella direzione normale, è ottenuto con un controllore PID con configurazione feed-forward. Per convalidare le prestazioni del sistema complessivo, sono stati condotti esperimenti su diverse strutture anatomiche considerando diverse forze di contatto e velocità di scansione. I risultati ottenuti dimostrano che il sistema proposto può generare traiettorie di scansione con un alto livello di personalizzazione e mantenere la forza di contatto desiderata durante l’esecuzione del compito di scansione