Modelamiento y simulación de un robot clínico asistido por Ultrasonido 3D para mejorar el guiado de inserción de agujas en biopsia percutánea de mama
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Date
2022-10
Journal Title
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Publisher
Universidad Nacional de Trujillo
Abstract
El presente trabajo describe un nuevo concepto de robot clínico asistido por imagen de US 3D para
biopsia percutánea de mama, a fin de mejorar el diagnóstico de cáncer a través del posicionamiento
automático de agujas cerca de la zona de lesión que simplifique el procedimiento de inserción
manual y aliviar parte de la fatiga del médico radiólogo. Para ello, primero se determinaron los
requerimientos básicos para enlazar un diagnóstico por imagen con US y una biopsia convencional
guiada a mano alzada, a partir del análisis comparativo entre las ventajas y desventajas de los
actuales sistemas de guiado por imagen como radiografía y resonancia magnética. Dando lugar,
a la propuesta de un nuevo flujo de trabajo clínico para diagnóstico en cáncer de mama. Así, la
cadena cinemática del robot se basó en el estudio geométrico del órgano mamario como espacio
de trabajo y su similitud con el escaneo radial de un sistema ABUS 3D. Para el modelamiento
cinemático directo e inverso se utilizaron la teoría de screw axis y una formulación geométricaalgebraica respectivamente. Mientras que, la dinámica inversa y directa se describieron utilizando
el algoritmo de Newton-Euler y soluciones parciales en la ecuación dinámica de cuerpos rígidos
respectivamente. Además, con ayuda de modelos CAD del robot y demás elementos involucrados,
se implementó un entorno de simulación en MATLAB-Simulink manipulado mediante una GUI
para el ingreso de parámetros como la ubicación y dirección de inserción. Finalmente, los resultados
permitieron obtener una verificación numérica y gráfica de las ecuaciones e incluso, de tipo visual
para el posicionamiento robótico antes de la biopsia (preposicionamiento) y después de la misma
(posposicionamiento). En conclusión, se consiguió explorar la intervención robótica para el guiado
de agujas en biopsia percutánea de mama, impulsado por la eficacia de los sistemas ABUS 3D en
reconstrucciones volumétricas de tejido mamario.
Description
This work describes a new concept of a 3D US image assisted clinical robot for percutaneous
breast biopsy in order to improve the cancer diagnose by automated needle placement near the
biopsy target that simplifies manual insertion procedure and alleviates radiologist’s fatigue. In this
way, basic requirements for linking the procedures of Hand-Held Breast Ultrasound guided biopsy
with an US image acquisition were first determined. Starting with a comparative analysis based on
the advantages and disadvantages of image guided systems such as radiography and MRI. Which
resulted in the proposal of a new clinical workflow for breast cancer diagnosis. Therefore, the robot
kinematic chain was obtained by considering the woman breast as a workspace and its similarity
with a 3D ABUS radial scanning. For the forward and inverse kinematic were used the screw axis
based theory and a geometric-algebraic formulation, respectively. While the inverse and forward
dynamic were described by the Newton-Euler algorithm and partial solutions in the rigid bodies
dynamic equation, respectively. Moreover, using CAD models of the robot and other elements
involved, it could be implemented a simulation environment in MATLAB-Simulink. Connected to
a GUI for parameters entry as position and direction of needle insertion. Finally, the results showed
a numerical and graphical verification of equations. Even, a visual one of the robot placement
during two stages: Before a biopsy (preplacement) and after it (postplacement). In conclusion, it
was possible to explore about using robotics for needle guidance in percutaneous breast biopsy, led
by the recently accuracy of an ABUS 3D in whole breast tissue volumetric reconstruction.
Keywords
Modelamiento y simulación de un robot clínico