Steerable needles are capable of accurately targeting difficult-to-reach clinical sites in the body. By bending around sensitive anatomical structures, steerable needles have the potential to reduce the invasiveness of many medical procedures. However, inserting these needles with curved trajectories increases the risk of tissue damage due to perpendicular forces exerted on the surrounding tissue by the needle's shaft, potentially resulting in lateral shearing through tissue. Such forces can cause significant damage to surrounding tissue, negatively affecting patient outcomes. In this work, we derive a tissue and needle force model based on a Cosserat string formulation, which describes the normal forces and frictional forces along the shaft as a function of the planned needle path, friction model and parameters, and tip piercing force. We propose this new force model and associated cost function as a safer and more clinically relevant metric than those currently used in motion planning for steerable needles. We fit and validate our model through physical needle robot experiments in a gel phantom. We use this force model to define a bottleneck cost function for motion planning and evaluate it against the commonly used path-length cost function in hundreds of randomly generated 3-D environments. Plans generated with our force-based cost show a 62% reduction in the peak modeled tissue force with only a 0.07% increase in length on average compared to using the path-length cost in planning. Additionally, we demonstrate the ability to plan motions with our force-based cost function in a lung tumor biopsy scenario from a segmented computed tomography (CT) scan. By planning motions for the needle that aim to minimize the modeled needle-to-tissue force explicitly, our method plans needle paths that may reduce the risk of significant tissue damage while still reaching desired targets in the body.


翻译:缝合针能够准确地瞄准身体内难以到达的临床场所。 通过弯曲敏感的解剖结构, 制导针有可能减少许多医疗程序的入侵性。 但是, 插入这些针和曲曲轨增加了组织损伤的风险, 这是因为针管对周围组织施加了穿孔力, 可能导致通过组织进行横向剪切。 这种力量可以对周围组织造成重大损害, 不利地影响病人的结果。 在这项工作中, 我们以Coserat 弦形配方制为基础, 制成组织和针动力模型, 描述井内正常的动力和摩擦力, 作为计划针管路径、 摩擦模型和参数的功能, 以及尖尖刺力穿力。 我们提出这种新的力模型和相关成本功能, 是比目前运动规划可控针管针时使用的更安全、更具有临床相关性的参数。 我们通过基于凝胶质的机械实验, 仍然使用这种力模型来定义一个用于运动成本模型, 并且用我们正常的机轴的机动动作, 用我们正常的电路路路路路路路段的功能 显示我们正常成本计中产生的成本 。

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