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手術ロボティクスarXiv:2611.15135

低侵襲手術の自律研究向けオープンソース3アームプラットフォームARTS

ARTS: An Open-Source, Reproducible Three-Arm Platform for Autonomy Research in Minimally Invasive Surgery

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市販部品のみで約13.7万ドルで構築できる、低侵襲手術の自律研究用オープンソース3アームロボットプラットフォームを開発し、その性能と操作性を評価した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 低侵襲手術(MIS)の自律性研究向けに、購入可能な部品のみで構築するオープンソースの3アームプラットフォーム「Autonomous Robotic Translational System (ARTS)」を提案 - 構成は、da Vinci X/Xi用wristed instrumentを保持するUR5e 2本、2台のFLIRカメラを備えたstereo endoscopeを保持するUR5 1本、haptic handle・footswitch・stereo viewerを備えるsurgeon console - softwareはROS 2ベースで、全依存を固定し同一scriptでbare metal/containerに導入、stereo画像をhardware計測のtimingで記録 - 総費用は約USD 137,000で、hardware設計・firmware・softwareをGitHubで公開

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 最も広く共有されるplatformは寄付された臨床hardwareに依存し、industrial arm上のopen alternativeはsurgical chainの一部を欠くという課題がある - ARTSは購入可能な部品のみでsurgical chain全体を構成し、約USD 137,000でどのlabも構築可能 - 同一protocolでISO 9283 pose repeatability 0.14-0.25 mmを示し、da Vinci Research Kit (dVRK) Classic armに匹敵 - 全依存を固定した再現可能なROS 2 softwareと、software非依存のhardware stopを備える点が先行platformと異なる

3. 技術・手法の肝は?

- 2本のUR5eでwristed da Vinci X/Xi instrumentを、UR5で2台のFLIRカメラ付きstereo endoscopeを駆動 - surgeon consoleのhaptic handle・footswitch・stereo viewerを介して操作し、softwareとは独立したhardware stopで全3armを凍結可能 - ROS 2 softwareは依存をpinし、bare metal/container双方で同一scriptから導入、stereo画像をhardware計測timingで記録 - 各armをcontrollerのfull rate(例: UR5eで500 Hz)で指令し、2台のcameraは12マイクロ秒以内にexpose、hand motionは58 ms、endoscope画像はmonitorまで68 msで到達

4. どうやって有効だと検証した?

- 実arm上で各armの指令rate、2台のcameraのexpose timing、hand motion latency、endoscope画像のmonitor到達latencyを計測 - ISO 9283 pose repeatabilityが0.14-0.25 mmで、同一protocolのdVRK Classic armと同等であることを確認 - optical trackerによりremote-center-of-motion誤差の平均0.34-0.37 mmを計測 - 専門家3名と初心者3名がlaparoscopic trainer boxでFundamentals of Laparoscopic Surgery (FLS) peg transferを実施し、専門家1名がsuture pad上でsuturingを実施

5. 議論はある?

- 要旨からは不明(具体的な限界・議論の記述なし) - 計測値として、pose repeatability・remote-center-of-motion誤差・latencyが報告されている - 被験者実験は専門家3名・初心者3名のFLS peg transferと専門家1名のsuturingに限られ、評価規模に関する議論は要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- da Vinci Research Kit (dVRK) Classic arm: 同一protocolのpose repeatability比較対象 - da Vinci X/Xi instrument: ARTSが保持するwristed instrument - UR5e/UR5: ARTSのarm基盤 - ROS 2: ARTSのsoftware基盤 - Fundamentals of Laparoscopic Surgery (FLS) peg transfer: 評価task - ISO 9283: pose repeatability評価規格

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Jiawei Ge, Chunwoo Kim, Antony Goldenberg, Douglas McDonough, Justin Liao, Bo Ning, Sylvia Ladstaetter, Katya Van Anderlecht, Hao Ding, Laura Connolly, Ethan Kilmer, Francis Fan, Shouyue Hu, Tyler Salvador, Brendan Burkhart, Pit Henrich, Richard Cha, Tito Porras, Mathias Unberath, Kevin Cleary, Axel Krieger

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Research on surgical autonomy needs open platforms that any laboratory can build, yet the most widely shared platform depends on donated clinical hardware, and open alternatives on industrial arms each lack part of the surgical chain. We present the Autonomous Robotic Translational System (ARTS), an open-source three-arm platform for autonomy research in minimally invasive surgery, built entirely from purchasable parts for about USD 137,000. Two UR5e arms hold wristed da Vinci X/Xi instruments, a UR5 arm holds a stereo endoscope with two FLIR cameras, the surgeon console provides haptic handles, footswitches and a stereo viewer, and a hardware stop independent of the software lets a supervisor freeze all three arms in place. The ROS 2 software pins every dependency, installs from the same scripts on bare metal or in containers, and records stereo images with hardware-measured timing. On the real arms, ARTS commands each arm at its controller's full rate (e.g., 500 Hz on the UR5e), the two cameras expose within 12 microseconds of each other, hand motion reaches the arm in 58 ms, and the endoscope image reaches the monitor in 68 ms. The ISO 9283 pose repeatability is 0.14-0.25 mm, comparable to a da Vinci Research Kit (dVRK) Classic arm on the same protocol, and an optical tracker measured a mean remote-center-of-motion error of 0.34-0.37 mm. Three expert and three novice operators performed the Fundamentals of Laparoscopic Surgery (FLS) peg transfer through a laparoscopic trainer box, and one of the experts sutured on a suture pad. The hardware designs, firmware and software are available at https://github.com/MRE-Lab-UMD/arts.

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