[論文レビュー] A Novel Shaft-to-Tissue Force Model for Safer Motion Planning of Steerable Needles.

Michael Bentley, D. Caleb Rucker+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、曲がりくねったナイトル挿入中のシャフトと組織の法線力および摩擦力予測を可能にする、新しいコッサレ・ストリングに基づく力モデルを提案する。このモデルを漸近的に近似的に最適な運動計画法に統合し、組織損傷を最小限に抑える。この手法により、シミュレートされた肺腫瘍生検シナリオにおいて、組織のせん断力を低減しつつも的確なターゲット到達を維持する、より安全な曲線状のナイトル経路が計画可能となった。

ABSTRACT

Steerable needles are capable of accurately targeting difficult-to-reach clinical sites in the body. By bending around sensitive anatomical structures, steerable needles have the potential to reduce the invasiveness of many medical procedures. However, inserting these needles with curved trajectories increases the risk of tissue shearing due to large forces being exerted on the surrounding tissue by the needle's shaft. Such shearing can cause significant damage to surrounding tissue, potentially worsening patient outcomes. In this work, we derive a tissue and needle force model based on a Cosserat string formulation, which describes the normal forces and frictional forces along the shaft as a function of the planned needle path, friction parameters, and tip piercing force. We then incorporate this force model as a cost function in an asymptotically near-optimal motion planner and demonstrate the ability to plan motions that consider the tissue normal forces from the needle shaft during planning in a simulated steering environment and a simulated lung tumor biopsy scenario. By planning motions for the needle that aim to minimize the tissue normal force explicitly, our method plans needle paths that reduce the risk of tissue shearing while still reaching desired targets in the body.

研究の動機と目的

• 曲がりくねったナイトルシャフトが挿入中に生じる高圧力および摩擦力によって引き起こされる組織のせん断リスクに対処すること。
• ナイトル経路、摩擦、先端力の関数として、シャフトと組織の相互作用を定量化する物理ベースの力モデルを開発すること。
• 軌道生成時に組織損傷を明示的に最小化するように、力モデルを運動計画法に統合すること。
• 臨床的に関連性のある肺腫瘍生検シナリオを含む、シミュレーション環境での手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 曲がりくねった挿入中のナイトルシャフトに沿う法線力および接線力（摩擦力）を記述するため、コッサレ・ストリング理論を用いて力モデルを導出する。
• ナイトルの曲率、経路の幾何学的形状、および組織の機械的特性の関数として、法線力をモデル化する。
• 法線力と摩擦係数に依存する摩擦力成分を組み込む。
• 全体のシャフト力分布のスケーリングに、先端の貫通力の入力を主要な要因として用いる。
• 導出された力モデルを、漸近的に近似的に最適な運動計画法のコスト関数として導入する。
• 数値シミュレーションを用いて、シャフトに沿った統合組織力が最小化されるナイトル経路を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲がりくねったナイトルシャフトと周囲組織との間の法線力および摩擦力は、挿入中にどのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 物理ベースの力モデルを運動計画法に統合することで、ステアブルナイトルナビゲーション中の組織損傷を低減できるか？
• RQ3 シャフトに起因する組織力の最小化が、ターゲット到達精度を損なわず、どの程度安全性を向上させられるか？
• RQ4 本手法は、肺腫瘍生検手術の現実的なシミュレーション環境で、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• コッサレ・ストリングに基づく力モデルは、経路の曲率、摩擦、先端力の関数として、シャフトと組織の力の予測を正確に実現した。
• 力モデルを運動計画法に統合することで、組織の法線力が明示的に最小化されるナイトル軌道の生成が可能になった。
• 本手法は、シミュレーション環境において、予測される組織のせん断リスクを低減しつつも、的確なターゲット到達を維持した。
• シミュレートされた肺腫瘍生検シナリオでは、過度な組織負荷を回避する安全な曲線状の経路が、計画可能であることが示された。