Autonomous robots in endovascular operations have the potential to navigate circulatory systems safely and reliably while decreasing the susceptibility to human errors. However, there are numerous challenges involved with the process of training such robots such as long training duration due to sample inefficiency of machine learning algorithms and safety issues arising from the interaction between the catheter and the endovascular phantom. Physics simulators have been used in the context of endovascular procedures, but they are typically employed for staff training and generally do not conform to the autonomous cannulation goal. Furthermore, most current simulators are closed-source which hinders the collaborative development of safe and reliable autonomous systems. In this work, we introduce CathSim, an open-source simulation environment that accelerates the development of machine learning algorithms for autonomous endovascular navigation. We first simulate the high-fidelity catheter and aorta with the state-of-the-art endovascular robot. We then provide the capability of real-time force sensing between the catheter and the aorta in the simulation environment. We validate our simulator by conducting two different catheterisation tasks within two primary arteries using two popular reinforcement learning algorithms, Proximal Policy Optimization (PPO) and Soft Actor-Critic (SAC). The experimental results show that using our open-source simulator, we can successfully train the reinforcement learning agents to perform different autonomous cannulation tasks.


翻译:内心血管操作中的自主机器人有可能安全可靠地导航循环系统,同时降低对人为错误的易感性。然而,在培训这类机器人的过程中,存在许多挑战,例如由于机器学习算法的抽样效率低下和导管与内心血管畸形之间相互作用产生的安全问题,培训期长,例如机器学习算法的抽样缺乏,以及由于导管与内心血管畸形之间的相互作用而导致的安全问题。物理模拟器在内心血管操作中使用过,但通常用于工作人员培训,一般不符合自主导管目标。此外,目前大多数模拟器都是封闭源,阻碍了安全可靠的自主系统的合作开发。在这项工作中,我们引入了CathSim,一个开放源模拟环境,加快了导管与内心血管导航的机学习算的开发。我们首先用最先进的内心血管机器人模拟高纤维化导管和肛门模拟器。我们随后提供了在模拟环境中对导管和动脉冲导管进行实时感测的能力。我们用两种导导力强化的助力测试,我们用两部内部的助力强化力测试,我们用不同的助力演算法,我们进行两部的动力演算。 我们用两部的动力演化实验演算,我们用不同的实验演算结果,我们用两种助演算结果的演演演算结果。

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