增强手术中弹性配准与力估计的最优控制问题

在增强手术中，术前生物力学模型与术中观测之间的非刚性对齐是跟踪软组织器官运动的关键步骤。虽然许多弹性配准方法将人工力引入直接物理模型以驱动配准，本文提出一种方法来重建实际产生所观测变形的表面载荷。该配准问题被表述为一个最优控制问题，其中未知量为作用于器官表面的力分布，由此产生的变形使用超弹性模型计算。该方法的优势包括对 admissible 力分布集合的更强控制，特别是可选择力作用位置的机会，从而促进物理一致的位移场。该优化问题使用标准伴随方法求解。我们给出了使用实验体模数据的配准结果，表明我们的方法在精度上具有竞争力。在一个应用示例中，我们估计了手术工具作用于器官的力。这种估计在机器人手术系统中具有重要意义，其中机械臂通常无法进行力测量，而提供力反馈仍是一项挑战。