Collaborative Robotic Biopsy with Trajectory Guidance and Needle Tip Force Feedback

要約

生検の診断価値は、針の位置に大きく依存します。
ロボット軌道誘導は針の位置決めを改善することが示されていますが、リアルタイム ナビゲーションに対するフィードバックは限られています。
針先端の力の触覚表示により、挿入経路に沿った組織構造の位置特定が可能になり、針のナビゲーションに豊富なフィードバックを提供できます。
我々は、軌道ガイダンスと運動感覚フィードバックを組み合わせて、医師による針の配置を支援する協働ロボット生検システムを紹介します。
現場で針の位置を制御する医療専門家と協力して、挿入が実行される間、ロボットが針の位置を調整します。
光コヒーレンストモグラフィーとリアルタイムデータ処理のための機械学習に基づいて針の先端で力を感知する針の設計を紹介します。
当社のロボットセットアップにより、オペレーターは摩擦力に依存せずに深部組織界面を感知し、目的のターゲット構造に対する針の配置を改善することができます。
まず、ファントム研究で体外組織における針先の力の感知を評価します。
我々は、一定速度で挿入する際の先端の力を特徴付け、共同的なユーザー研究で組織界面を検出する能力を実証します。
参加者は、針先の力のフィードバックのみに基づいて体外組織界面の 91% を検出できます。
最後に、膵臓の死後の in situ 生検を実行することで、さらに小さく深い標的構造も正確にサンプリングできることを実証します。

要約(オリジナル)

The diagnostic value of biopsies is highly dependent on the placement of needles. Robotic trajectory guidance has been shown to improve needle positioning, but feedback for real-time navigation is limited. Haptic display of needle tip forces can provide rich feedback for needle navigation by enabling localization of tissue structures along the insertion path. We present a collaborative robotic biopsy system that combines trajectory guidance with kinesthetic feedback to assist the physician in needle placement. The robot aligns the needle while the insertion is performed in collaboration with a medical expert who controls the needle position on site. We present a needle design that senses forces at the needle tip based on optical coherence tomography and machine learning for real-time data processing. Our robotic setup allows operators to sense deep tissue interfaces independent of frictional forces to improve needle placement relative to a desired target structure. We first evaluate needle tip force sensing in ex-vivo tissue in a phantom study. We characterize the tip forces during insertions with constant velocity and demonstrate the ability to detect tissue interfaces in a collaborative user study. Participants are able to detect 91% of ex-vivo tissue interfaces based on needle tip force feedback alone. Finally, we demonstrate that even smaller, deep target structures can be accurately sampled by performing post-mortem in situ biopsies of the pancreas.

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