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Collaborative Robotic Biopsy with Trajectory Guidance and Needle Tip Force Feedback

触觉技术 成像体模 弹道 计算机科学 计算机视觉 人工智能 机器人 视觉反馈 模拟 生物医学工程 工程类 物理 光学 天文
作者
Robin Mieling,Maximilian Neidhardt,Sarah Latus,Carolin Stapper,Stefan Gerlach,Inga Kniep,Axel Heinemann,Benjamin Ondruschka,Alexander Schlaefer
标识
DOI:10.1109/icra48891.2023.10161377
摘要

The diagnostic value of biopsies is highly dependent on the placement of needles. Robotic trajectory guidance has been shown to improve needle positioning, but feedback for real-time navigation is limited. Haptic display of needle tip forces can provide rich feedback for needle navigation by enabling localization of tissue structures along the insertion path. We present a collaborative robotic biopsy system that combines trajectory guidance with kinesthetic feedback to assist the physician in needle placement. The robot aligns the needle while the insertion is performed in collaboration with a medical expert who controls the needle position on site. We present a needle design that senses forces at the needle tip based on optical coherence tomography and machine learning for real-time data processing. Our robotic setup allows operators to sense deep tissue interfaces independent of frictional forces to improve needle placement relative to a desired target structure. We first evaluate needle tip force sensing in ex-vivo tissue in a phantom study. We characterize the tip forces during insertions with constant velocity and demonstrate the ability to detect tissue interfaces in a collaborative user study. Participants are able to detect 91 percent of ex-vivo tissue interfaces based on needle tip force feedback alone. Finally, we demonstrate that even smaller, deep target structures can be accurately sampled by performing post-mortem in situ biopsies of the pancreas.

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