Deep learning robotic guidance for autonomous vascular access

深度学习 计算机视觉 机器人 任务(项目管理) 卷积神经网络 成像体模 机器人学 计算机科学 人机交互 人工智能 医学 工程类 放射科 系统工程
作者
Alvin I. Chen,Max L. Balter,Timothy J. Maguire,Martin L. Yarmush
出处
期刊:Nature Machine Intelligence [Springer Nature]
卷期号:2 (2): 104-115 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s42256-020-0148-7
摘要

Medical robots have demonstrated the ability to manipulate percutaneous instruments into soft tissue anatomy while working beyond the limits of human perception and dexterity. Robotic technologies further offer the promise of autonomy in carrying out critical tasks with minimal supervision when resources are limited. Here, we present a portable robotic device capable of introducing needles and catheters into deformable tissues such as blood vessels to draw blood or deliver fluids autonomously. Robotic cannulation is driven by predictions from a series of deep convolutional neural networks that encode spatiotemporal information from multimodal image sequences to guide real-time servoing. We demonstrate, through imaging and robotic tracking studies in volunteers, the ability of the device to segment, classify, localize and track peripheral vessels in the presence of anatomical variability and motion. We then evaluate robotic performance in phantom and animal models of difficult vascular access and show that the device can improve success rates and procedure times compared to manual cannulations by trained operators, particularly in challenging physiological conditions. These results suggest the potential for autonomous systems to outperform humans on complex visuomotor tasks, and demonstrate a step in the translation of such capabilities into clinical use. Getting safe and fast access to blood vessels is vital to many methods of treatment and diagnosis in medicine. Robot-assisted or even fully autonomous methods can potentially do the task more reliably than humans, especially when veins are hard to detect. In this work, a method is tested that uses deep learning to find blood vessels and track the movement of a patient’s arm.
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