明胶仿体中针转向策略的综合合成

在医学中，针常用于将治疗送达皮下目标或从器官内部获取组织样本。目前的临床实践是在图像引导或触觉反馈下插入针，尽管这可能涉及重新插入和调整，因为针及其在插入过程中与组织的相互作用无法完全控制。（自动化）针转向在理论上可提高到达目标的精度，从而减轻手术创伤，尤其对于微创操作，例如近距离放射治疗或活检。然而，柔性针与针-组织相互作用两者均复杂且建模昂贵，通常只能近似计算。本文提出采用时序博弈来操控带斜切尖端的柔性针以到达组织中的固定目标。我们使用一个简单的非完整针-组织相互作用模型，该模型特别抽象了所涉及的多种物理力，相较于医疗机器人相关模型显得简化。基于该模型，我们合成策略，从中可导出足够精确的运动规划以在软组织中操控针。然而，在实践应用这些策略时，面临针在初始插入点行为不可预测的问题。我们的方案是在针插入后，基于真实系统的数据实施预处理步骤以初始化模型。考虑实际的针尖角度与位置，我们生成到达期望目标的策略。我们在 Uppaal Stratego 中实现了该模型，并在明胶仿体中操控柔性针进行了评估；明胶仿体在医疗技术中常用于模拟软组织行为。实验表明，对于生成与实测的针运动均可合成策略，最大偏差为 1.84mm。