Optical Fiber-Based Needle Shape Sensing in Real Tissue: Single Core vs. Multicore Approaches

要約

前立腺がんの診断と治療のための低侵襲手術では、柔軟な針挿入手順が一般的です。
ベベルチップ針を使用すると、医師は長時間の挿入中に針を操作して、患者の重要な解剖学的構造を回避し、術後の患者の不快感を軽減できます。
針の配置に関するフィードバックを医師に提供するために、手術中に針を視覚化する必要なく、手術中の針のリアルタイム 3D 形状を決定するセンサーが針に埋め込まれています。
光ファイバーの広範な研究を通じて、シングルコアおよびマルチコアのファイバーブラッググレーティングなど、リアルタイムの形状フィードバックを提供する生体適合性、MRI 適合性の光学形状センサーが数多く開発されてきました。
この論文では、同じ実験プラットフォーム上で、ファントム組織と体外組織に挿入された、同一に構成された 4 つのアクティブエリアセンサー化ベベルチップ針を介して、シングルコアファイバーベースとマルチコアファイバーベースの針形状センシングを直接比較します。
この研究では、ファントム組織での形状センシングでは、2 本の針が $0.164 > 0.05$ の $p$ 値で同等に機能することがわかりましたが、生体外の実際の組織では、単芯ファイバーセンサー化針の方が大幅に性能を上回りました。
$p$ 値が $0.0005 < 0.05$ のマルチコア ファイバー構成。 また、この論文では、針の形状検知タスク用にこれらの光学形状センサーを直接比較するための実験プラットフォームと方法を紹介するとともに、センサー化された針を建設的に最適化する際の将来の作業の方向性、洞察、および必要な考慮事項を提供します。

要約(オリジナル)

Flexible needle insertion procedures are common for minimally-invasive surgeries for diagnosing and treating prostate cancer. Bevel-tip needles provide physicians the capability to steer the needle during long insertions to avoid vital anatomical structures in the patient and reduce post-operative patient discomfort. To provide needle placement feedback to the physician, sensors are embedded into needles for determining the real-time 3D shape of the needle during operation without needing to visualize the needle intra-operatively. Through expansive research in fiber optics, a plethora of bio-compatible, MRI-compatible, optical shape-sensors have been developed to provide real-time shape feedback, such as single-core and multicore fiber Bragg gratings. In this paper, we directly compare single-core fiber-based and multicore fiber-based needle shape-sensing through identically constructed, four-active area sensorized bevel-tip needles inserted into phantom and \exvivo tissue on the same experimental platform. In this work, we found that for shape-sensing in phantom tissue, the two needles performed identically with a $p$-value of $0.164 > 0.05$, but in \exvivo real tissue, the single-core fiber sensorized needle significantly outperformed the multicore fiber configuration with a $p$-value of $0.0005 < 0.05$. This paper also presents the experimental platform and method for directly comparing these optical shape sensors for the needle shape-sensing task, as well as provides direction, insight and required considerations for future work in constructively optimizing sensorized needles.

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