五篇ICRA最佳醫療機器人獲獎論文大盤點 | ICRA 2017

雷鋒網AI科技評論按：ICRA全稱為“IEEE International Conference on Robotics and Automation”（機器人與自動化會議），是機器人技術領域最有影響力的國際學術會議之一。ICRA 2017于5月29日至6月4日舉行，雷鋒網AI科技評論從新加坡帶來一線報道。該會議舉辦期間，雷鋒網將圍繞會議議程及獲獎論文展開系列專題報道，敬請期待。

下面是ICRA 2017最佳醫療機器人入圍論文的論文摘要。

基于并行計算硬件的連續體機器人的高效臨近查詢

由于連續體機器人領域的進步，手術操作者越來越能夠通過復雜的路徑接近深層病變組織。在大多數情況下，這類機器人可以精確的建模為一系列圓柱型。為了安全無縫的對這些具有復雜的非直觀運動學機器人進行遠程操作，研究者開發了依靠準確的臨近度查詢，來計算連續體機器人與解剖結構之間的距離的觸覺指導方案。該論文介紹了一種準確地模擬連續體機器人的方法，該機器人采用具有球型或平面的圓柱型分段，然后有效地計算到三角形網格的最短距離。該論文提供了適用于并行計算硬件的簡單和復雜集合圖元的高效分析窄相位PQ計算的實現，以及實驗驗證，結果顯示出該方法更高的性能適合于實時的機器人應用。該論文在計算機實驗中，比較了在PQ計算或其他優化任務中使用的各種根尋找算法，以評估其在不同硬件上執行的適用性。關于根據可用的并行計算硬件選擇合適的臨近度查詢算法來討論這些實驗結果的含義。最后，介紹了密集動態解剖結構未來改進的前景。

該論文來自倫敦帝國學院Hamlyn手術機器人研究中心，第一作者為Konrad Leibrandt。

論文地址：http://ieeexplore.ieee.org/document/7855751/  

使用單一旋轉磁體同時定位和推進內腔中磁性膠囊的首次實現

該論文提出了一種使用單個旋轉執行器磁體推進嵌入了霍爾效應傳感器的螺旋磁性膠囊的方法。該方法估計了膠囊與應用場同步旋轉時的六自由度姿態。它適用于腸道的活動膠囊內窺鏡檢查。在膠囊通過內腔時，使用一個拓展卡爾曼濾波器來對膠囊的六自由度姿態進行估計，該卡爾曼濾波器使用的是簡化的兩自由度過程模型，兩個自由度包括膠囊以其主軸線向前或向后移動方向和旋轉方向。持續監測膠囊在施加場中的運動，以確定膠囊是否與施加的場同步旋轉。基于該信息，調整外部源的旋轉速度，以防止期望的磁耦合出現損失。該試驗首次證明了使用單個旋轉磁體對通過管腔的膠囊同時進行定位和推進是可行的。以前的工作假定膠囊在定位階段沒有凈運動，需要定位和推進是分開進行的。與之前的分步方法相比，該方法需要的時間減少了三倍。

該論文來自猶他大學，第一作者為Katie Popek。

論文地址：http://www.cs.utah.edu/~thermans/papers/Popek_ICRA_2017-capsule-closed-loop-control.pdf

用于遠程MR引導針插入的滾動隔膜液壓傳動

磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）具有許多優點，包括無與倫比的軟組織表征能力，并能將檢測和活組織檢查兩個過程合二為一。然而，由于掃描空間狹窄，患者需要繁瑣重復的定位，或者使用機器助手將醫生與患者隔離。該論文提出了一種替代方案，使用一種經皮手術的遠程手術技術，以滿足介入放射科醫師的需求，克服MR環境所帶來的挑戰。該技術演示了1-DOF針的插入手術。該技術使用滾動隔膜，離合器和線纜絞盤驅動器來推動針，同時將作用力和運動無差別地傳遞給操作者。該系統表現出優異的位置跟蹤性能（無負載的情況下<0.7^{cric}的誤差），并能可靠地傳遞力的變化。在針的遠程操作期間，用戶能夠以77%的精度檢測輕薄膜穿刺，并且能夠像手動操作一樣準確的區分勁度系數。

該論文來自于斯坦福大學，第一作者為Natalie Burkhard。

論文地址：http://bdml.stanford.edu/uploads/Main/MedicalRoboticsPublications/icra2017_frishman.pdf

具有動力的保護性股骨假體的高效能3D假肢行走的初步結果

該項工作提出了一種針對定制保護性股骨假體（compliant transfemoral prosthesis)的系統性假肢控制策略的初步實驗驗證，最終實現高效能的三維（3D）多接觸假體行走。特別是為了捕捉現實的截肢假體系統的重要組成部分，研究人員開發了一種3D非對稱混合動力系統模型，形成了步態設計和控制結構的基礎。基于該模型，利用兩步直接并置優化方法設計了一種高效能3D多接觸點的假肢步態。這種設計的步態也受到許多實際的限制，例如與人類相似性的限制，以及舒適性限制。對于實驗驗證，研究人員定制構建了一個具有動力的股骨假肢設備，該設備可以進行修改，以實現設計的3D步態。該設備與現有的動力假體的區別是，為了節能和類人行為的目的，將兼容部件添加到三個關節中（兩個節距關節和一個滾動關節）。結合所提出的控制方法和新穎的硬件設計，最終的結果是與其他設備和控制方法相比，實驗性的實現了3D多接觸點的假肢行走，提高了能量效率。

該論文來自佐治亞理工大學，第一作者Huihua Zhao 的個人主頁：https://www.researchgate.net/profile/Huihua_Zhao

用于細針抽吸活檢的磁力驅動軟膠囊內窺鏡

該論文介紹了一種用于上消化道的細針抽吸活檢的磁力驅動軟膠囊內窺鏡（magnetically actuated soft capsule endoscope for fine-needle aspiration biopsy, B-MASCE）。一個薄而中空的針頭被連接到膠囊上，可以深入滲透到組織中以得到表面下的活檢樣本。該設計利用軟彈性體作為柔性機構來引導針。內部永久磁鐵為驅動和跟蹤提供了一種手段。膠囊被設計成朝向其目標滾動，然后將活檢針部署在目標區域的精確位置。B-MASCE由多個定制設計的電磁鐵控制，而其位置和方向由磁傳感陣列跟蹤。在體外試驗中，B-MASCE展示了位于解剖人體胃模型內的豬組織模型的滾動運動和活檢。經實驗確認，組織樣品被保留在針內。

該論文來自卡耐基梅隆大學，第一作者Donghoon Son的個人主頁：https://www.researchgate.net/profile/Donghoon_Son3