[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于Cosserat弦的新型力模型，用于预测在可曲转针插入过程中针体与组织之间的法向力和摩擦力，并将其整合到渐近近似最优的运动规划器中，以最小化组织损伤。该方法成功规划出更安全的弯曲针道路径，在保持目标精度的同时减少剪切力，适用于模拟肺部肿瘤穿刺活检场景。

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.

研究动机与目标

• 为解决在插入过程中由弯曲针体产生的高法向力和摩擦力所导致的组织剪切风险。
• 开发一种基于物理的力模型，量化针体与组织相互作用的力，作为针道路径、摩擦系数和针尖力的函数。
• 将力模型整合到运动规划器中，显式最小化轨迹生成过程中的组织损伤。
• 在模拟环境中验证该方法，包括一个临床相关的肺部肿瘤穿刺活检场景。

提出的方法

• 利用Cosserat弦理论推导力模型，描述在弯曲插入过程中针体沿轴向的法向力和切向（摩擦）力。
• 将法向力建模为针体曲率、路径几何形状和组织力学性能的函数。
• 引入依赖于法向力和摩擦系数的摩擦力分量。
• 将针尖穿刺力作为关键输入，用于调节整个针体力分布的尺度。
• 将推导出的力模型作为成本函数，集成到渐近近似最优的运动规划器中。
• 采用数值模拟评估能够最小化针体沿轴向累积组织力的针道路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 在插入过程中，如何准确建模弯曲针体与周围组织之间的法向力和摩擦力？
• RQ2 能否将基于物理的力模型整合到运动规划器中，以减少可曲转针导航过程中的组织损伤？
• RQ3 通过最小化针体引起的组织力，能在多大程度上提高穿刺安全性，同时不牺牲目标精度？
• RQ4 所提出的方法在肺部肿瘤穿刺活检的现实模拟场景中表现如何？

主要发现

• 基于Cosserat弦的力模型能够准确预测针体与组织之间的力，作为路径曲率、摩擦系数和针尖力的函数。
• 将力模型整合到运动规划器中，可生成显式最小化组织法向力的针道轨迹。
• 该方法在模拟环境中成功降低了预测的组织剪切风险，同时保持了精确的目标定位。
• 在模拟的肺部肿瘤穿刺活检场景中表明，规划器能够生成安全的弯曲路径，避免组织过度负荷。