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 shearing due to large forces being exerted on the surrounding tissue by the needle's shaft. Such shearing can cause significant damage to surrounding tissue, potentially worsening 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 parameters, and tip piercing force. We then incorporate this force model as a cost function in an asymptotically near-optimal motion planner and demonstrate the ability to plan motions that consider the tissue normal forces from the needle shaft during planning in a simulated steering environment and a simulated lung tumor biopsy scenario. By planning motions for the needle that aim to minimize the tissue normal force explicitly, our method plans needle paths that reduce the risk of tissue shearing while still reaching desired targets in the body.


翻译:通过弯曲敏感的解剖结构,可移植的针头有可能减少许多医疗程序的侵扰性。然而,用弯曲的轨迹插入这些针头会增加组织剪切的风险,因为针头的轴部对周围组织施加了巨大的力量。这种剪切可能会对周围组织造成重大损害,可能导致病人病情恶化。在这项工作中,我们根据Coserat弦配方制得出一个组织和针头力模型,该配方将轴的正常力量和摩擦力描述为计划针头路径、摩擦参数和倾斜力的功能。我们随后将这种力量模型作为一种成本功能纳入一个无症状的近乎最佳的运动规划器中,并展示在模拟方向环境规划和模拟肺肿瘤生物心理假设中考虑针管的组织正常力量的能力。通过规划针头运动,明确将组织正常力降至最低,我们的方法计划在仍然达到组织目标时降低组织组织组织的风险。

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