[논문 리뷰] A Novel Shaft-to-Tissue Force Model for Safer Motion Planning of Steerable Needles.

Michael Bentley, D. Caleb Rucker외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 06.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기울어진 침입 시 침대-조직 정규력과 마찰력 예측을 위한 새로운 코세라트 줄기 기반의 힘 모델을 제안하며, 이를 점점 최적에 가까운 운동 계획기와 통합하여 조직 손상을 최소화한다. 이 방법은 시뮬레이션된 폐 종양 생검 상황에서 더 안전하고 곡선형의 침입 경로를 계획함으로써 파손력을 줄이고 목표 정확도를 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기울어진 침대의 높은 정규력과 마찰력으로 인해 발생하는 조직 파손 위험을 해결하기 위해.
• 침입 경로, 마찰력, 끝단 힘의 함수로 침대-조직 상호작용을 정량화하는 물리 기반의 힘 모델을 개발하기 위해.
• 경로 생성 과정에서 조직 손상을 명시적으로 최소화하는 힘 모델을 운동 계획기에 통합하기 위해.
• 임상적으로 관련성이 있는 폐 종양 생검 시나리오를 포함한 시뮬레이션 환경에서 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 기울어진 삽입 중 침대의 길이 방향으로 정규력과 접선력(마찰력)을 기술하기 위해 코세라트 줄기 이론을 사용하여 힘 모델을 유도한다.
• 침대의 곡률, 경로 기하학, 조직의 기계적 성질을 함수로 정규력을 모델링한다.
• 정규력과 마찰 계수에 따라 의존하는 마찰력 성분을 통합한다.
• 전체 침대 힘 분포의 척도를 조절하기 위해 끝단 관통 힘을 핵심 입력으로 사용한다.
• 유도된 힘 모델을 점점 최적에 가까운 운동 계획기의 비용 함수로 도입한다.
• 침대 길이에 따라 통합된 조직 힘을 최소화하는 침입 경로를 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울어진 침대의 길이 방향에서 주변 조직과의 정규력과 마찰력은 어떻게 삽입 과정 동안 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 물리 기반의 힘 모델을 운동 계획기에 통합하여 기울어진 침입 시 조직 손상을 줄일 수 있는가?
• RQ3 침대에 의해 유도되는 조직 힘을 최소화함으로써 얼마나 안전한 침입이 가능해지며, 목표 정확도를 희생시키지 않고도 가능한가?
• RQ4 제안된 방법은 폐 종양 생검 절차의 현실적인 시뮬레이션에서 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 코세라트 줄기 기반의 힘 모델은 경로 곡률, 마찰력, 끝단 힘의 함수로 침대-조직 힘을 정확하게 예측한다.
• 힘 모델을 운동 계획기에 통합함으로써 조직 정규력이 명시적으로 최소화되는 침입 경로를 생성할 수 있다.
• 이 방법은 시뮬레이션 환경에서 예측된 조직 파손 위험을 성공적으로 줄였으며, 정확한 목표 지정을 유지한다.
• 시뮬레이션된 폐 종양 생검 상황에서 계획기는 과도한 조직 하중을 피하는 안전한 곡선 경로를 생성할 수 있었다.