Robotic versus Human Teleoperation for Remote Ultrasound

📄 arXiv: 2511.07275v1 📥 PDF

作者: David Black, Septimiu Salcudean

分类: cs.RO, cs.HC

发布日期: 2025-11-10

备注: Under review at IEEE TMRB. Extended version of a paper presented at the Hamlyn Symposium for Medical Robotics, 2025

💡 一句话要点

对比机器人与人工遥操作超声，评估其在远程医疗中的可行性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 远程超声 机器人遥操作 人工遥操作 远程医疗 性能对比

📋 核心要点

  1. 远程超声检查面临专家资源稀缺的挑战，现有机器人和人工遥操作方案各有优劣，缺乏直接对比。
  2. 论文对比研究机器人与人工遥操作，评估二者在远程超声中的性能差异，旨在为小型社区提供更优方案。
  3. 实验结果表明，人工遥操作在时间和精度上与机器人方案相当，且力控更稳定，更具实用性和可及性。

📝 摘要（中文）

诊断性医学超声应用广泛、安全且成本相对较低，但需要高度专业知识才能获取和解读图像。具备这种专业知识的人员通常在大城市以外地区难以找到，导致农村人口面临困难、昂贵的旅行和漫长的等待时间。为了解决这个问题，人们正在开发远程超声技术，包括机器人遥操作和最近出现的人工遥操作，后者通过混合现实以手把手的方式远程指导新手用户进行超声检查。目前尚未对这些方法进行比较，它们的相对优势尚不清楚。由于成本和复杂性较低，人工遥操作可能比机器人更适合小型社区，但前提是性能相当。因此，本文评估了人工和机器人遥操作之间的差异，检查了设置时间和灵活性等实际方面，并通过实验比较了完成时间、位置跟踪和力一致性等性能指标。研究发现，人工遥操作在完成时间和位置精度方面没有导致统计学上的显著差异（平均差异分别为1.8%和0.5%），并且提供了更一致的力应用，同时更实用和易于访问。

🔬 方法详解

问题定义：远程超声诊断面临专家资源分布不均的问题，导致偏远地区患者难以获得及时诊断。机器人遥操作和人工遥操作是两种解决该问题的方法，但二者性能差异未知，特别是人工遥操作的潜力尚未充分评估。现有方法的痛点在于，机器人方案成本高昂且复杂，而人工方案的性能是否能与机器人方案媲美尚不明确。

核心思路：论文的核心思路是通过实验对比机器人遥操作和人工遥操作在远程超声诊断中的性能表现，包括完成时间、位置精度和力一致性等指标。通过量化两种方法的优劣，为远程医疗方案的选择提供依据，特别是评估人工遥操作作为低成本、易于部署的替代方案的可行性。

技术框架：研究采用实验设计，对比机器人遥操作和人工遥操作两种模式。实验流程包括：1) 设置实验环境，包括机器人遥操作系统和人工遥操作系统；2) 招募参与者，包括有经验的超声医师和新手用户；3) 设计超声检查任务，例如扫描特定区域或识别特定结构；4) 收集数据，包括完成时间、位置跟踪数据和力传感器数据；5) 分析数据，比较两种模式在各项指标上的差异。

关键创新：论文的关键创新在于首次对机器人遥操作和人工遥操作在远程超声诊断中的性能进行直接对比。以往研究主要关注单一方法的改进，而本研究通过实验数据揭示了两种方法的相对优势和劣势，为实际应用提供了更全面的参考。此外，研究强调了人工遥操作在成本和可及性方面的优势，使其成为一种更具吸引力的远程医疗解决方案。

关键设计：实验中，位置跟踪采用光学跟踪系统，力测量采用力传感器。完成时间由实验人员记录。统计分析采用t检验或方差分析，以评估两种模式在各项指标上的显著性差异。实验任务的设计需要保证难度适中，既能反映两种模式的性能差异，又不会过于复杂导致新手用户无法完成。

📊 实验亮点

实验结果表明，人工遥操作在完成时间和位置精度方面与机器人遥操作没有显著差异（平均差异分别为1.8%和0.5%）。更重要的是，人工遥操作在力一致性方面表现更好，这意味着操作者能够更稳定地施加压力，从而获得更清晰的图像。此外，人工遥操作的设置时间和灵活性也优于机器人遥操作，使其更适合在资源有限的环境中使用。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于远程医疗领域，特别是在专家资源匮乏的偏远地区。通过人工遥操作，经验丰富的医生可以远程指导新手进行超声检查，提高诊断效率，缩短患者等待时间。该技术还可用于灾难救援、军事医疗等特殊场景，为快速诊断提供支持。未来，结合人工智能技术，可以进一步提高人工遥操作的智能化水平，降低对专家经验的依赖。

📄 摘要（原文）

Diagnostic medical ultrasound is widely used, safe, and relatively low cost but requires a high degree of expertise to acquire and interpret the images. Personnel with this expertise are often not available outside of larger cities, leading to difficult, costly travel and long wait times for rural populations. To address this issue, tele-ultrasound techniques are being developed, including robotic teleoperation and recently human teleoperation, in which a novice user is remotely guided in a hand-over-hand manner through mixed reality to perform an ultrasound exam. These methods have not been compared, and their relative strengths are unknown. Human teleoperation may be more practical than robotics for small communities due to its lower cost and complexity, but this is only relevant if the performance is comparable. This paper therefore evaluates the differences between human and robotic teleoperation, examining practical aspects such as setup time and flexibility and experimentally comparing performance metrics such as completion time, position tracking, and force consistency. It is found that human teleoperation does not lead to statistically significant differences in completion time or position accuracy, with mean differences of 1.8% and 0.5%, respectively, and provides more consistent force application despite being substantially more practical and accessible.