Entwickeln eines mobilen 3D-bildverarbeitungsgesteuerten medizinischen Roboters für die autonome Venenpunktion

Alvin Chen , VascuLogic

"Die Plattform von NI bot unserem Start-up-Unternehmen die nötige Flexibilität, um hochmoderne technische Forschung zu betreiben, sowie die Zuverlässigkeit, zeitkritische Meilensteine bei der Entwicklung zu erzielen. Mit NI-Produkten konnte unser Unternehmen eine bahnbrechende medizinische Technologie zügig entwickeln und testen."

- Alvin Chen , VascuLogic

Die Aufgabe

Entwickeln eines mobilen, bildgesteuerten medizinischen Roboters, der selbständig Blut abnimmt und andere intravenöse Eingriffe durchführt, wenn medizinisches Personal die Venen nicht erreichen kann

Die Lösung

Kombination der Leistung der CompactRIO-Hardware, der Flexibilität der Systemdesignsoftware LabVIEW und der umfassenden NI-Bibliotheken für Robotik und industrielle Bildverarbeitung zum Erstellen eines sicheren, mobilen, medizinischen Geräts für erste Tests an menschlichen Patienten

VascuLogic ist ein Start-up-Unternehmen für medizinische Geräte in New Jersey, USA und unterhält auch ein Forschungslabor. Die Mission des 2010 gegründeten Unternehmens ist es, neuartige bildgesteuerte medizinische Technologien zu entwickeln und auf den Markt zu bringen, welche die klinische Versorgung erheblich verbessern. Unser hier beschriebenes Gerät, das VenousPro, erhöht die Genauigkeit und Sicherheit der Venenpunktion: Blutabnahmen und andere intravenöse Eingriffe werden autonom mit einer beim ersten Versuch beinahe hundertprozentigen Erfolgsrate in weniger als zwei Minuten durchgeführt.

 

Die technische Herausforderung

Die Venenpunktion wird jedes Jahr über 1,4 Milliarden Mal vorgenommen und ist damit das häufigste invasive klinische Verfahren in den Vereinigten Staaten. Die Erfolgsraten variieren dabei erheblich, v. a. unter schwierigen Bedingungen, wenn das Gelingen beim ersten Versuch stark von der Physiologie des Patienten und der Erfahrung des medizinischen Personals abhängt. Diese Herausforderungen haben die Entwicklung kommerzieller Bildgebungsgeräte vorangetrieben, welche die Sichtbarkeit der Venen verbessern sollen. Allerdings überlassen diese Geräte das Einführen der Nadel immer noch dem Menschen. VenousPro von VascuLogic überschreitet diese Grenze und gewährleistet einen zügigen Venenzugang beim ersten Versuch, ohne dass medizinisches Personal überhaupt Kontakt mit der Nadel haben muss.

 

NI-Technologie bewältigt Herausforderungen beim Design

VenousPro stellt die räumlichen Koordinaten der peripheren Unterarmvenen in Echtzeit und 3D dar, sodass der Roboter eine Nadel direkt in die designierte Vene einstechen kann. Für die Entwicklung eines anspruchsvollen Prototyps für die ersten Tests am Menschen mussten drei große Herausforderungen bewältigt werden. Erstens musste unser Gerät sicher sein, d. h. wir benötigten Wiederholbarkeit und deterministische Ausführung. Zweitens musste das Gerät tragbar sein, sodass es in vielfältigen klinischen Umgebungen zum Einsatz kommen kann. Drittens musste das System der strengen Evaluierung der FDA (Food and Drug Administration, amerikanische Zulassungsbehörde für Lebensmittel und Arzneimittel) standhalten. Vor Auswahl der NI-Technologie zogen wir diverse andere Programmierumgebungen und Hardwareschnittstellen in Betracht.

 

Mit steigender Komplexität des Designs und der Größe des Ingenieurteams wurde uns bewusst, dass wir eine zuverlässige integrierte Entwicklungsplattform brauchen würden. Deswegen haben wir uns erfolgreich um Unterstützung durch das Förderprogramm NI Medical Device Innovation Grant beworben. NI stellte uns in diesem Rahmen auf uns zugeschnittene Hardwarelösungen sowie LabVIEW zur Verfügung und ermöglichte uns die Teilnahme an NI-Trainings- und -Zertifizierungsprogramm. Wir erstellten unseren Prototyp der zweiten Generation mit CompactRIO als robuste, leistungsstarke Embedded-Plattform für die Steuerung des Roboters. Unseren Programmcode aus MATLAB® von The MathWorks konvertierten wir in LabVIEW und entwickelten eine intuitive Bedienoberfläche. Wir hatten drei Monate für diesen Prozess eingeplant, doch aufgrund der Flexibilität und des modularen Designs der LabVIEW-Umgebung brauchten wir nur drei Wochen. So konnten wir die In-vitro-Machbarkeitstests früher als geplant erfolgreich abschließen.

 

Das Herzstück des Geräts (siehe Abbildung 2) besteht aus fünf I/O-Modulen auf den Echtzeit-Controllern cRIO-9025, darunter vier C-Serien-Module des Typs NI 9514, die einen Miniaturroboterarm mit vier Freiheitsgraden steuern, sowie ein Digital-I/O-Modul NI 9401 der C-Serie, das acht Kanäle für die die bidirektionale Kommunikation zur Verfügung stellt. Weitere zentrale Bestandteile des CompactRIO-Systems sind drei Linearmotoren, die über den RS232-Port für die XYZ-Positionierung angebunden sind, zwei GigE-Vision-Kameras mit optimierter Empfindlichkeit für Nahinfrarot, die über einen Ethernet-Hub angeschlossen werden, sowie eine handliche Ultraschallsonde, die über USB angebunden ist. Das „Gehirn“ des VenousPro haben wir mithilfe der umfassenden Bibliothek der für LabVIEW verfügbaren Mathematik-, Robotik- und Bildverarbeitungswerkzeugen erstellt. Wir bedienten uns der Architektur einer Zustandsmaschine mit Queue, um die Sensoren/Effektoren auf dem CompactRIO-Controller sowie die Bedienoberfläche auf dem Host (siehe Abbildung 3) zu steuern.

 

Während der Echtzeitausführung werden Bilder von den GigE-Vision-Kameras und der Ultraschallsonde erfasst. Die Verarbeitungs-Pipeline benutzt anspruchsvolle Algorithmen vom NI Vision Development Module, und die aus den Bildern extrahierten 3D-Positions- und -Geschwindigkeitsinformationen werden mit 20 Frames pro Sekunde an das CompactRIO-Motorsteuerungsmodul kommuniziert. Das CompactRIO-System führt dann den Manipulator mit der Nadel. Das Gerät macht sich VIs für Kinematik, PID und Pfadplanung im NI LabVIEW Robotics Module zunutze, um u. a. die Gelenkwinkel im Roboterarm mit den kartesischen 3D-Koordinaten der Nadelspitze zu korrelieren. Mithilfe des NI LabVIEW Control Design and Simulation Module kann man auf Grundlage aktueller Geschwindigkeitsprofile und eines Kalman-Filters außerdem künftige Positionen vorhersagen. Komplexe mathematische Operationen auf großen Arrays werden mit dem NI LabVIEW Multicore Analysis and Sparse Matrix Toolkit beschleunigt.

 

 

 

Ergebnisse

Bisher haben wir in mehreren In-vitro-Studien eine Trefferquote von 98 Prozent beim ersten Versuch erreicht. Wir haben vor, ein Upgrade auf neue Multicore-CompactRIO-Hardware durchzuführen und die Benutzeroberfläche auf einem NI-Touchpanel zu entwickeln, sodass kein Host-Rechner mehr nötig ist. Sobald diese letzten Änderungen am Design implementiert sind, können wir mit von der FDA-Ethikkommission genehmigten klinischen Tests an menschlichen Patienten beginnen, um den ersten FDA-Antrag vorzubereiten. Indem wir auf der NI-Plattform entwickelten, lieferten wir das für klinische Tests bereite Gerät für 50.000 USD unter dem Budget und fünf Monate vor dem geforderten Termin.

 

MATLAB® ist ein eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks, Inc.

 

Informationen zum Autor

Alvin Chen
VascuLogic

Abb. 2: Das mit der Hardware CompactRIO und der Software LabVIEW betriebene System VenousPro
Abb. 3: Frontpanel der grafischen Benutzeroberfläche in LabVIEW