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Design, Modeling and Optimization of a Magnetic Resonance Conditional 3-RRR Spherical Parallel Robot for Neurosurgery

磁共振成像 神经外科 机器人 计算机科学 核磁共振 物理 医学 放射科 人工智能
作者
Yanding Qin,Yueyang Shi,Longxin Wang,Hongpeng Wang,Jianda Han
出处
期刊:IEEE transactions on medical robotics and bionics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:6 (2): 556-566 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tmrb.2024.3387114
摘要

In neurosurgery, magnetic resonance (MR) imaging is extensively utilized for preoperative diagnosis and postoperative evaluation due to its superior soft tissue contrast. However, the strong magnetic field poses a challenge to the real-time utilization of MR for intraoperative navigation. To facilitate neurosurgery in the MR environment, this paper develops a MR conditional robot featuring nonferrous materials and ultrasonic motor actuation. The robot consists of a 3-degree-of-freedom (3-DOF) translational module and a 3-DOF remote center of motion (RCM) module. The RCM module incorporates a 3-RRR spherical parallel mechanism. The mechanical design and kinematic modeling of the RCM module is completed. This paper further conducts the optimization for the RCM module. Additionally, a path-planning algorithm, focusing on the maximization of dexterity, is introduced, and the feasible workspace of the optimized RCM module is evaluated. A prototype is fabricated, and the orientation repeatability of the RCM module is measured to be 0.055±0.0016∘, and the absolute orientation error is 2.05±0.019∘. Needle insertion experiments are performed on an agarose phantom to evaluate the feasibility of the robot. The impact on signal-to-noise ratio in MRI images caused by the robot is less than 4%, indicating a highly promising applicability in MR conditional neurosurgery.

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