The use of needles to access sites within organs is fundamental to many interventional medical procedures both for diagnosis and treatment. Safe and accurate navigation of a needle through living tissue to an intra-tissue target is currently often challenging or infeasible due to the presence of anatomical obstacles in the tissue, high levels of uncertainty, and natural tissue motion (e.g., due to breathing). Medical robots capable of automating needle-based procedures in vivo have the potential to overcome these challenges and enable an enhanced level of patient care and safety. In this paper, we show the first medical robot that autonomously navigates a needle inside living tissue around anatomical obstacles to an intra-tissue target. Our system leverages an aiming device and a laser-patterned highly flexible steerable needle, a type of needle capable of maneuvering along curvilinear trajectories to avoid obstacles. The autonomous robot accounts for anatomical obstacles and uncertainty in living tissue/needle interaction with replanning and control and accounts for respiratory motion by defining safe insertion time windows during the breathing cycle. We apply the system to lung biopsy, which is critical in the diagnosis of lung cancer, the leading cause of cancer-related death in the United States. We demonstrate successful performance of our system in multiple in vivo porcine studies and also demonstrate that our approach leveraging autonomous needle steering outperforms a standard manual clinical technique for lung nodule access.


翻译:使用针头进入器官内的场所对于许多诊断和治疗的干预医疗程序至关重要。目前,由于组织内存在解剖障碍、高度的不确定性和天然组织运动(如呼吸造成的),通过活组织安全准确地将针头通过活体组织对活体组织对活体组织内一根针头进行安全、准确的导航到组织内目标目前往往具有挑战性或不可行性。能够将针头在体内的程序自动化的医学机器人有可能克服这些挑战,并能够提高病人护理和安全水平。在本文中,我们展示了第一台医疗机器人,该机器人将活体组织内一个活体组织内的针头自主地绕着解剖组织内障碍对一个内组织内目标进行导航。我们的系统利用一个定向装置和激光式的高度灵活的导导导针(如呼吸),这种针能沿卷曲道运动进行运动以避免障碍。能够自动解剖组织/需要与再规划和控制以及呼吸运动账户的不确定性,方法是在呼吸循环期间确定安全插入时间窗口。我们把系统应用这个系统用于肺肺部生物系统内部的切切切,这也是我们对肺部癌症进行成功的诊断的关键。

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