Needle Segmentation Using GAN: Restoring Thin Instrument Visibility in Robotic Ultrasound

要約

超音波ガイド下経皮針挿入は、臨床現場での生検とアブレーションの両方で採用される標準的な手順です。
しかし、組織と器具との間の複雑な相互作用により、針が平面図から逸脱する可能性があり、その結果、経皮針の綿密な監視が不足することになる。
この課題に対処するために、挿入プロセスをシームレスに監視し、位置ずれが発生した場合に挿入された器具の可視性を自律的に回復するように設計されたロボット支援超音波 (US) 画像システムを導入します。
この目的を達成するために、高次空間のグラウンド トゥルースと一貫して一致するセグメンテーション マスクの生成を促進する敵対的構造が提示されます。
この研究では、さまざまなトレーニング損失関数とその組み合わせを調査することにより、セグメンテーションのパフォーマンスへの影響も系統的に調査しています。
プローブと経皮針の間の位置ずれが検出されると、ロボットがトリガーされて横方向の探索を実行し、位置および回転の調整を最適化し、針の視認性を回復します。
生体外のブタサンプルでの実験結果は、提案された方法が経皮針を正確にセグメント化できることを示しています(先端誤差$0.37\pm0.29mm$および角度誤差$1.19\pm0.29^{\circ}$)。
さらに、針の外観は、45 回の試行すべてで再位置決めされたプローブの姿勢で正常に復元でき、再位置決め誤差は $1.51\pm0.95mm$ および $1.25\pm0.79^{\circ}$ でした。
ラテックスから数学記号を含むテキストまで

要約(オリジナル)

Ultrasound-guided percutaneous needle insertion is a standard procedure employed in both biopsy and ablation in clinical practices. However, due to the complex interaction between tissue and instrument, the needle may deviate from the in-plane view, resulting in a lack of close monitoring of the percutaneous needle. To address this challenge, we introduce a robot-assisted ultrasound (US) imaging system designed to seamlessly monitor the insertion process and autonomously restore the visibility of the inserted instrument when misalignment happens. To this end, the adversarial structure is presented to encourage the generation of segmentation masks that align consistently with the ground truth in high-order space. This study also systematically investigates the effects on segmentation performance by exploring various training loss functions and their combinations. When misalignment between the probe and the percutaneous needle is detected, the robot is triggered to perform transverse searching to optimize the positional and rotational adjustment to restore needle visibility. The experimental results on ex-vivo porcine samples demonstrate that the proposed method can precisely segment the percutaneous needle (with a tip error of $0.37\pm0.29mm$ and an angle error of $1.19\pm 0.29^{\circ}$). Furthermore, the needle appearance can be successfully restored under the repositioned probe pose in all 45 trials, with repositioning errors of $1.51\pm0.95mm$ and $1.25\pm0.79^{\circ}$. from latex to text with math symbols

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