基于轴-组织受力模型的可转向针具更安全运动规划

可转向针具能够精确靶向体内难以到达的临床部位。通过绕开敏感的解剖结构弯曲，可转向针具有潜力降低许多医疗操作的侵入性。然而，以弯曲轨迹插入这些针具会因针轴对周围组织施加的垂直力而增加组织损伤风险，可能导致组织中的横向剪切。此类力会对周围组织造成显著损伤，对患者预后产生负面影响。在本工作中，我们基于 Cosserat 弦公式推导了一个组织与针具受力模型，该模型将沿针轴的法向力和摩擦力描述为规划针路径、摩擦模型与参数以及针尖穿刺力的函数。我们提出这一新受力模型及相关的代价函数，作为比当前可转向针具运动规划中所用指标更安全且更具临床相关性的度量。我们通过凝胶体模中的物理针具机器人实验对模型进行拟合与验证。我们利用该受力模型定义运动规划的瓶颈代价函数，并在数百个随机生成的 3D 环境中与常用的路径长度代价函数进行比较评估。与使用路径长度代价进行规划相比，采用我们基于力的代价生成的规划在平均长度仅增加 0.07% 的情况下，峰值建模组织力降低了 62%。此外，我们展示了在来自分割计算机断层扫描（CT）的肺肿瘤活检场景中，利用基于力的代价函数规划运动的能力。通过显式规划旨在最小化建模针-组织受力的针具运动，我们的方法规划的针路径可在到达体内期望靶点的同时降低显著组织损伤的风险。