Cosserat Rods for Modeling Tendon-Driven Robotic Catheter Systems

要約

腱駆動ロボット カテーテルは、アブレーションやイメージングなどの低侵襲心臓処置を正確に実行できます。
これらの手順では、ロボットの経路と相互作用を制御するために、カテーテルと腱だけでなく、周囲の組織や血管系との相互作用の正確な数学的モデルが必要です。
この論文では、コセラット ロッドに基づき、安定した暗黙的なオイラー スキームと統合された腱駆動ロボット カテーテル システムの機械モデルを示します。
Cosserat ロッドを単純なカテーテル中心線のモデルとして実装し、大きな変形解析モデルと実験データに対してその物理的精度を検証します。
次に、カテーテル モデルは、2 番目の Cosserat ロッドを追加して単一の腱をモデル化し、ペナルティ フォースを使用して腱 – カテーテル システムの制約を定義することによって補足されます。
すべてのモデルパラメータは、設計によって確立されたカテーテルの特性によって定義されます。
結合されたモデルは実験データに対して検証され、その物理的精度が確認されます。
このモデルは、ロボット カテーテル モデリングの分野への新たな貢献を表しており、腱とカテーテルの両方が機械的な Cosserat ロッドによってモデル化され、単一ロッド システムの場合の実験データに対して完全に検証されています。

要約(オリジナル)

Tendon-driven robotic catheters are capable of precise execution of minimally invasive cardiac procedures including ablations and imaging. These procedures require accurate mathematical models of not only the catheter and tendons but also their interactions with surrounding tissue and vasculature in order to control the robot path and interaction. This paper presents a mechanical model of a tendon-driven robotic catheter system based on Cosserat rods and integrated with a stable, implicit Euler scheme. We implement the Cosserat rod as a model for a simple catheter centerline and validate its physical accuracy against a large deformation analytical model and experimental data. The catheter model is then supplemented by adding a second Cosserat rod to model a single tendon, using penalty forces to define the constraints of the tendon-catheter system. All the model parameters are defined by the catheter properties established by the design. The combined model is validated against experimental data to confirm its physical accuracy. This model represents a new contribution to the field of robotic catheter modeling in which both the tendons and catheter are modeled by mechanical Cosserat rods and fully-validated against experimental data in the case of the single rod system.

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