Shape Manipulation of Bevel-Tip Needles for Prostate Biopsy Procedures: A Comparison of Two Resolved-Rate Controllers
作者: Yanzhou Wang, Lidia Al-Zogbi, Jiawei Liu, Lauren Shepard, Ahmed Ghazi, Junichi Tokuda, Simon Leonard, Axel Krieger, Iulian Iordachita
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-02-05
💡 一句话要点
比较两种控制策略以优化前列腺活检针的形状操控
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 前列腺活检 针头操控 控制策略 力学模型 数据驱动 手术安全性 临床应用
📋 核心要点
- 现有的前列腺活检方法存在针头放置不准确的问题，导致诊断效果不佳。
- 本文提出了一种基于力学和数据驱动的两种控制策略，比较其在针头形状操控中的性能。
- 实验结果表明，力学控制器在面对模型参数不确定性时，能够更有效地达到目标配置。
📝 摘要（中文）
前列腺癌的诊断面临着由于标准活检中针头放置不准确而带来的挑战。尽管已有多种控制策略被提出以弥补针头预测不准确性，但尚未进行有效比较，且不清楚这些策略是否能安全、普遍地应用于临床。本文比较了两种基于力学和数据驱动的方法的控制器在斜尖针控制中的表现，展示了在模型参数不确定的情况下，力学控制器在仅提供最终目标配置时能够更好地达到预期目标，并强调提供可行的针路径对确保安全手术结果的重要性。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决前列腺活检中针头放置不准确的问题，现有方法在针头预测和控制上存在不足，影响了手术的安全性和有效性。
核心思路：论文提出了两种控制策略，分别基于力学模型和数据驱动方法，通过对针头形状的操控来提高针头的定位精度。这样的设计旨在应对模型参数的不确定性，确保在复杂环境下的稳定性。
技术框架：整体架构包括针头形状操控的模板设计、控制器的实现以及目标配置的设定。主要模块包括针头路径规划、控制器性能评估和实验验证。
关键创新：最重要的创新在于首次比较了两种不同控制策略的性能，明确了力学控制器在不确定性条件下的优势，填补了现有研究的空白。
关键设计：在设计中，关键参数包括针头的形状模板、控制器的反馈机制和目标路径的设定，损失函数则用于评估针头到达目标位置的精度。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，力学控制器在模拟的12核活检过程中，能够在模型参数不确定性下更准确地到达目标配置，相较于数据驱动控制器，表现出更高的稳定性和安全性，确保了手术的成功率。
🎯 应用场景
该研究具有广泛的应用潜力，尤其是在前列腺癌的早期诊断和治疗中。通过优化针头的形状操控，可以提高活检的准确性，降低患者的风险，未来可能推广至其他类型的外科手术中，提升整体手术效果。
📄 摘要（原文）
Prostate cancer diagnosis continues to encounter challenges, often due to imprecise needle placement in standard biopsies. Several control strategies have been developed to compensate for needle tip prediction inaccuracies, however none were compared against each other, and it is unclear whether any of them can be safely and universally applied in clinical settings. This paper compares the performance of two resolved-rate controllers, derived from a mechanics-based and a data-driven approach, for bevel-tip needle control using needle shape manipulation through a template. We demonstrate for a simulated 12-core biopsy procedure under model parameter uncertainty that the mechanics-based controller can better reach desired targets when only the final goal configuration is presented even with uncertainty on model parameters estimation, and that providing a feasible needle path is crucial in ensuring safe surgical outcomes when either controller is used for needle shape manipulation.