用于锁孔神经外科手术路径规划与术中控制的脑形变基于位置动力学模拟器
机器人学
2021-07-08 v1
摘要
机器人辅助手术中的许多任务需要规划并控制与高度可变形物体交互的机械臂运动。本研究提出一种基于位置动力学（PBD）模拟的逼真、有界时间模拟器，用于模拟导管插入引起的脑形变，以支持锁孔手术中的术前路径规划与术中引导。它通过考虑形变模型中的不确定性、噪声传感与不可预测的驱动来最大化成功概率。PBD 形变参数在平行六面体形状的模拟体模上初始化，以获得脑白质的合理初值猜测；通过与复合水凝胶体模中导管插入的形变数据比较进行了标定。考虑到灰质脑结构的不同行为，对参数进行微调以获得通用人脑模型。将脑结构的平均位移与文献中的数值比较。该模拟器的数值模型相对于文献采用了一种新方法，并通过体内动物试验记录的形变数据验证，平均失配为 4.732.15%，证明其与真实脑形变高度吻合。其稳定性、准确性与实时性能使该模型适用于构建 KN 路径规划、术前路径规划与术中引导的动态环境。
引用
@article{arxiv.2106.10206,
title = {Position-based Dynamics Simulator of Brain Deformations for Path Planning and Intra-Operative Control in Keyhole Neurosurgery},
author = {Alice Segato and Chiara Di Vece and Sara Zucchelli and Marco Di Marzo and Thomas Wendler and Mohammad Farid Azampour and Stefano Galvan and Riccardo Secoli and Elena De Momi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2106.10206},
year = {2021}
}
备注
8 pages, 8 figures. This article has been accepted for publication in a future issue of IEEE Robotics and Automation Letters, but has not been fully edited. Content may change prior to final publication. 2377-3766 (c) 2021 IEEE. Personal use is permitted, but republication/redistribution requires IEEE permission. A. Segato and C. Di Vece equally contributed