Design of a semi-autonomous framework for robot-assisted remote vascular anatomies echography

Ultrasound imaging of vascular anatomy is highly operator-dependent, and the contact pressure required for acoustic coupling deforms the tissue, reducing the accuracy of three-dimensional lumen reconstructions. This thesis presents a mixed-reality teleoperation framework for robot-assisted vascular ultrasound. First, a phase-specific shared-control strategy is developed, combining manual teleoperation, mixed-reality commands, and autonomous robot motions. During scanning, the operator controls lateral probe motion through the haptic device, while a PI loop, whose force set-point is adjustable from the MR interface, regulates axial indentation through Cartesian impedance control; a manual force mode also allows direct axial commands. The framework additionally includes automatic target approach, online lumen detection, force-based calibration to adapt the deformation-compensation model, and an automatic in-plane orientation module that detects lateral acoustic coupling loss and applies corrective rotations to recover probe alignment. A generalizable deformation-aware reconstruction strategy is also proposed to compensate for the geometric lumen distortions induced by probe-tissue interaction: a ROS-based supervisor orchestrates calibration, trajectory-acquisition, and data-processing stages, while the processing pipeline combines vascular-region detection, lumen segmentation, and radial correction to generate deformation-corrected three-dimensional lumen reconstructions. An equivalent-force formulation further enables correction transfer across phantoms with different mechanical properties, reducing the need for complete target-specific calibration. The system was evaluated in terms of eye-in-hand calibration accuracy, teleoperation latency, force tracking, detection and segmentation performance, deformation-correction effectiveness, automatic in-plane visibility recovery, and user performance under different control and visualization modalities. The framework achieved bounded teleoperation latency, acceptable force tracking during slow-to-moderate scanning, reliable lumen segmentation, improved geometric consistency of the reconstructed lumen across phantoms, and consistent visibility recovery after lateral coupling loss. The user study revealed a speed-accuracy trade-off: direct mixed-reality manipulation favoured faster execution, while haptic teleoperation provided more accurate trajectory following; the three-dimensional overlay reduced performance variability. Overall, the proposed framework provides a robust approach for remote robot-assisted vascular ultrasound acquisition and deformation-corrected three-dimensional lumen reconstruction.

L'ecografia vascolare è fortemente operatore-dipendente, e la pressione di contatto necessaria per l'accoppiamento acustico deforma il tessuto, riducendo l'accuratezza delle ricostruzioni tridimensionali del lume. Questa tesi presenta un framework di teleoperazione in realtà mista per l'ecografia vascolare assistita da robot. In primo luogo, viene sviluppata una strategia di controllo condiviso dipendente dalla fase operativa, che combina teleoperazione manuale, comandi in realtà mista e movimenti autonomi del robot. Durante la scansione, l'operatore controlla il moto laterale della sonda tramite il dispositivo aptico, mentre un controllore PI, con set-point di forza regolabile dall'interfaccia MR, regola l'indentazione assiale mediante controllo di impedenza cartesiana; una modalità di forza manuale consente inoltre di attuare comandi assiali diretti. Il framework include anche l'avvicinamento automatico al target, il rilevamento online del lume e una calibrazione basata sulla forza per adattare il modello di compensazione della deformazione. È inoltre presente un modulo automatico di orientamento in-plane, che rileva la perdita di accoppiamento acustico laterale e applica rotazioni correttive per ripristinare l'allineamento della sonda. Viene inoltre proposta una strategia generalizzabile di ricostruzione con compensazione della deformazione, volta a correggere le distorsioni geometriche del lume indotte dall'interazione sonda-tessuto. All'interno di questa strategia, un supervisore basato su ROS coordina le fasi di calibrazione, acquisizione della traiettoria ed elaborazione dei dati necessarie alla ricostruzione con compensazione della deformazione. La pipeline di elaborazione combina rilevamento della regione vascolare, segmentazione del lume e correzione radiale per ottenere maschere corrette per la deformazione, che vengono poi proiettate lungo la traiettoria acquisita per generare una ricostruzione tridimensionale del lume compensata. Una formulazione a forza equivalente consente inoltre di trasferire la correzione tra phantom vascolari con diverse proprietà meccaniche, riducendo la necessità di una calibrazione completa target-specific. Il sistema è stato valutato in termini di accuratezza della calibrazione eye-in-hand, latenza di teleoperazione, tracking della forza, prestazioni di rilevamento e segmentazione, efficacia della correzione della deformazione, recupero automatico della visibilità in-plane e prestazioni dell'utente con diverse modalità di controllo e visualizzazione. Il framework ha raggiunto una latenza di teleoperazione limitata, una regolazione della forza accettabile durante scansioni a velocità basse o moderate, una segmentazione affidabile del lume, una migliore coerenza geometrica del lume ricostruito tra i diversi phantom e un recupero consistente della visibilità dopo la perdita di accoppiamento laterale. Lo studio con utenti ha evidenziato un compromesso tra velocità e accuratezza: la manipolazione diretta in realtà mista ha consentito esecuzioni più rapide, mentre la teleoperazione aptica ha favorito una maggiore accuratezza nel seguire la traiettoria. L'overlay tridimensionale ha inoltre ridotto la variabilità delle prestazioni tra i partecipanti. Nel complesso, il framework proposto fornisce un approccio robusto per l'acquisizione ecografica vascolare robot-assistita da remoto e per la ricostruzione tridimensionale del lume con compensazione della deformazione.