Bevel-Tip Needle Deflection Modeling, Simulation, and Validation in Multi-Layer Tissues

要約

経皮針の挿入は、より侵襲的な外科手術に代わる有効な手段として、診断および治療目的で一般的に行われています。
しかし、針ベースのアプローチの成果は針の配置の精度に大きく依存しており、軟組織との接触によって針がたわむため、ロボット支援や医用画像誘導を使用しても依然として課題が残っています。
この論文では、圧縮下の生体軟組織の非線形ひずみ依存挙動の影響を説明できる、新しい力学ベースの 2D ベベルチップ針モデルを紹介します。
リアルタイムの有限要素シミュレーションにより、完全な 3 自由度 (DOF) の平面ニードル動作でニードルの長さに沿った複数の制御入力が可能になります。
カスタム設計の多層組織ファントムと異種鶏胸肉組織を使用した相互検証研究では、最大 61 mm の深さに達する挿入の面内誤差が 1 mm 未満となり、提案された方法の妥当性と一般化可能性が実証されました。

要約(オリジナル)

Percutaneous needle insertions are commonly performed for diagnostic and therapeutic purposes as an effective alternative to more invasive surgical procedures. However, the outcome of needle-based approaches relies heavily on the accuracy of needle placement, which remains a challenge even with robot assistance and medical imaging guidance due to needle deflection caused by contact with soft tissues. In this paper, we present a novel mechanics-based 2D bevel-tip needle model that can account for the effect of nonlinear strain-dependent behavior of biological soft tissues under compression. Real-time finite element simulation allows multiple control inputs along the length of the needle with full three-degree-of-freedom (DOF) planar needle motions. Cross-validation studies using custom-designed multi-layer tissue phantoms as well as heterogeneous chicken breast tissues result in less than 1mm in-plane errors for insertions reaching depths of up to 61 mm, demonstrating the validity and generalizability of the proposed method.

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