▍研究現(xiàn)狀

穿刺活檢是癌癥診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但手術(shù)過程的不可見性及穿刺針-組織交互作用引起的針體形變等因素，導(dǎo)致醫(yī)生徒手穿刺操作難度大、準(zhǔn)確性低，穿刺針無法精準(zhǔn)到達(dá)病灶靶點甚至損傷周圍重要組織。

近年來，穿刺機器人技術(shù)迅速發(fā)展，因具有穩(wěn)定性高、可視化、自動化等特點，在經(jīng)皮穿刺手術(shù)中表現(xiàn)出巨大潛力。穿刺機器人可通過術(shù)前路徑規(guī)劃避開重要組織，并融合醫(yī)學(xué)成像或光定位導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)術(shù)中針尖位置的實時跟蹤。

然而，基于醫(yī)學(xué)圖像的穿刺針跟蹤方法在形狀監(jiān)測實時性、準(zhǔn)確性及其與醫(yī)療器械的兼容性等方面存在較大局限，影響了穿刺機器人在手術(shù)過程中自主避障及靶點操作的精準(zhǔn)性。

因此，探究新的穿刺針形狀感知方法，為手術(shù)機器人自主/主從穿刺提供實時準(zhǔn)確的形狀信息反饋，對于減輕醫(yī)療人員的手術(shù)壓力，提高穿刺手術(shù)的安全性與成功率有著重大意義。

▍關(guān)鍵技術(shù)突破或解決問題描述

針對這一應(yīng)用需求，近期武漢理工大學(xué)李天梁教授團隊在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級目錄》“T1級”期刊）上發(fā)表了題為“光纖光柵與人工智能融合的形狀自感知穿刺針”的封面文章。

2023年第2期封面

▍空分/波分混合復(fù)用的光纖光柵形狀自感知穿刺針構(gòu)型

本研究充分發(fā)揮光纖傳感器抗電磁干擾、生物兼容及易于分布式測量等優(yōu)勢，針對穿刺活檢術(shù)中穿刺針實時位置跟蹤難題，設(shè)計了一種光纖光柵形狀自感知穿刺針，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)建了光纖光柵空分/波分混合復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)穿刺針多點位變形信息分布式感知。

圖1：形狀自感知智能穿刺針結(jié)構(gòu)示意圖

▍基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穿刺針三維形態(tài)實時精準(zhǔn)重構(gòu)模型

針對目前術(shù)中穿刺針三維形狀監(jiān)測方法存在的實時性、準(zhǔn)確性不足等問題，本研究設(shè)計并搭建了光纖光柵形狀自感知穿刺針標(biāo)定實驗系統(tǒng)，構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，仿真分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)參量對其輸出性能的影響規(guī)律，確定了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穿刺針三維形態(tài)實時精準(zhǔn)重構(gòu)最優(yōu)構(gòu)型，如圖2(a)所示，測試樣本輸出結(jié)果分析如圖2(b)所示，形狀誤差最大值為0.90mm，彎曲方向角最大誤差為5.03°。為進(jìn)一步驗證模型的實時輸出性能，搭建了動態(tài)性能驗證實驗平臺，如圖3所示，針尖處重構(gòu)相對誤差小于0.84 mm，彎曲方向角最大誤差為1.02°。上述結(jié)果表明本次研究構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較好的形狀重構(gòu)精度和速度。

圖2：基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穿刺針三維形態(tài)實時精準(zhǔn)重構(gòu)模型

圖3：動態(tài)性能驗證實驗平臺及其實驗結(jié)果分析

▍應(yīng)用前景

該研究集合了光纖傳感與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了術(shù)中穿刺針三維形態(tài)信息的實時精準(zhǔn)獲取，在手術(shù)機器人自主穿刺/主從操作過程中針體形狀感知與調(diào)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)穿刺機器人智能化、高效化和數(shù)字化提供了一種新方法。

| 論文信息 |

李天梁,宋珍珍,陳發(fā)銀等.光纖光柵與人工智能融合的形狀自感知穿刺針[J].光學(xué)精密工程,2023,31(02):160-167. DOI：10.37188/OPE.20233102.0160.

https://ope.lightpublishing.cn/thesis/65/33378376/zh/

| 團隊負(fù)責(zé)人簡介 |

李天梁，武漢理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，入選湖北省海外高層次創(chuàng)新人才、湖北省“楚天學(xué)者計劃”。IEEE Senior member，機械工程學(xué)會高級會員。聚焦于先進(jìn)光纖傳感技術(shù)、醫(yī)療機器人、機械裝備動態(tài)監(jiān)測等方面的研究。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金（青年，面上）、湖北省重點研發(fā)計劃、中國電子學(xué)會-騰訊Robotics X犀牛鳥等項目。在Nat. Commun.、Adv. Intell. Syst.、IEEE-ASME. T. Mech.、《機械工程學(xué)報》等高質(zhì)量期刊與學(xué)術(shù)會議上發(fā)表論文60余篇，其中第一作/通訊作者SCI論文35篇。指導(dǎo)學(xué)生獲第四屆中國研究生機器人創(chuàng)新設(shè)計大賽全國三等獎、第十七屆中國研究生電子設(shè)計競賽全國二等獎。

| 團隊介紹 |

武漢理工大學(xué)李天梁教授團隊聚焦于復(fù)雜機電裝備運行狀態(tài)光纖復(fù)合感知與動態(tài)監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究，主要包括適應(yīng)嚴(yán)苛條件的極限化參數(shù)光纖傳感器設(shè)計與制備、多參數(shù)光纖復(fù)合感知與動態(tài)解耦測量、融合光纖分布感知的智能醫(yī)療機器人與穿戴式醫(yī)療設(shè)備研發(fā)等，承擔(dān)過國家重點研發(fā)課題、國家自然科學(xué)基金、湖北省重點研發(fā)計劃等項目。

▍參考資料

1. 王漢萍，張力，梁智勇. 正確看待細(xì)胞病理學(xué)在肺癌診斷中的意義[J].中華病理學(xué)雜志，2013, 42(11): 726-728.

2. KOETHE Y, XU S, VELUSAMY G, et al. Accuracy and efficacy of percutaneous biopsy and ablation using robotic assistance under computed tomography guidance: a phantom study[J]. European Radiology, 2014, 24(3): 723-730.

3. 孔祥戰(zhàn).顱頜面穿刺診療手術(shù)機器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2015.

4. 趙士元，崔繼文，陳勐勐. 光纖形狀傳感技術(shù)綜述[J]. 光學(xué) 精密工程，2020, 28(1)：10-29.

5. 張貫一. 鎖骨下靜脈穿刺機器人及穿刺力模型研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

6. LI M, LI G, GONENC B, et al. Towards human-controlled, real-time shape sensing based flexible needle steering for MRI-guided percutaneous therapies[J]. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2017, 13(2): e1762. 

7. 李勐. 穿刺手術(shù)機器人穿刺針-軟組織交互機理、規(guī)劃控制及感知技術(shù)研究[D]. 北京: 北京理工大學(xué)，2017.

8. HENKEN K R, DANKELMAN J, VAN DEN DOBBELSTEEN J J, et al. Error analysis of FBG-based shape sensors for medical needle tracking[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2014, 19(5): 1523-1531.

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