Suture Thread Modeling Using Control Barrier Functions for Autonomous Surgery

要約

手術システムを自動化すると、高リスクの環境への人間の関与を減らしながら、精度と安全性が向上します。
縫合などの外科的処置を自動化する上での主要な課題は、非常に柔軟で準拠したコンポーネントである縫合スレッドを正確にモデル化することです。
既存のモデルは、安全性の重要な手順に必要な精度を欠いているか、リアルタイムの実行には計算的に集中しすぎています。
この作業では、コントロールバリア関数（CBF）を使用して縫合スレッドのダイナミクスをモデル化するための新しいアプローチを紹介し、リアリズムと計算効率の両方を達成します。
スレッドのような動作、衝突回避、剛性、減衰はすべて、統一されたCBFおよび制御リアプノフ関数（CLF）フレームワーク内でモデル化されます。
私たちのアプローチは、複雑な力を計算したり、微分方程式を解決したりする必要性を排除し、自動化と仮想現実外科トレーニングシステムの両方に適した現実的なモデルを維持しながら、計算オーバーヘッドを大幅に削減します。
また、このフレームワークでは、スレッドと環境との相互作用に基づいて視覚的な手がかりを提供し、縫合またはライゲーションタスクを実行する際のユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。
提案されたモデルは、磁場を使用して縫合針を操作する最小限のロボット外科プラットフォームである磁気式システムでテストされ、外科的処置のための侵襲性の低い溶液を提供します。

要約(オリジナル)

Automating surgical systems enhances precision and safety while reducing human involvement in high-risk environments. A major challenge in automating surgical procedures like suturing is accurately modeling the suture thread, a highly flexible and compliant component. Existing models either lack the accuracy needed for safety critical procedures or are too computationally intensive for real time execution. In this work, we introduce a novel approach for modeling suture thread dynamics using control barrier functions (CBFs), achieving both realism and computational efficiency. Thread like behavior, collision avoidance, stiffness, and damping are all modeled within a unified CBF and control Lyapunov function (CLF) framework. Our approach eliminates the need to calculate complex forces or solve differential equations, significantly reducing computational overhead while maintaining a realistic model suitable for both automation and virtual reality surgical training systems. The framework also allows visual cues to be provided based on the thread’s interaction with the environment, enhancing user experience when performing suture or ligation tasks. The proposed model is tested on the MagnetoSuture system, a minimally invasive robotic surgical platform that uses magnetic fields to manipulate suture needles, offering a less invasive solution for surgical procedures.

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