文章序号、所属单元及链接：2943-Surgical Robotics Steerable CathetersNeedles
一作所属单位：Imperial College London
读后体会：论文创新点：在于在穿刺针前装载了新的传感器激光多普勒血流仪LDF进行组织边界检测。

Abstract

本研究调查了使用激光多普勒血流仪（LDF）作为检测自动机针插入过程中组织变化的方法。在具有不同光学和机械特性的明胶组织体模中进行插入，并插入离体绵羊脑中。首先研究了改变明胶组织体模光学特性的影响，结果表明，使用明胶浓度来改变样品的硬度是合适的。对一层和两层明胶模型进行针头插入实验。在这两种情况下，可以观察到三个阶段的灌注值：组织负荷，破裂和组织切割。这些与在插入过程中从针尖测得的力值相关。插入到离体绵羊脑中也清楚地显示了力和灌注值的破裂时间，表明可以使用针尖上的LDF传感器检测组织穿刺。

Introduction

最小侵入性手术（MIS）使用细长的仪器（例如针头或导管）进行手术。通过最小的经皮切口，以减少附带损害。这使得在神经外科手术中特别需要进行经皮穿刺针的介入，在神经外科手术中，由于其细腻而复杂的特性，最大限度地减少对周围脑部物质的损害至关重要。MIS对患者的好处还包括缩短住院时间和缩短恢复时间。但是，由于在手术过程中由于操作员的视野较小，外科医生无法直接看到手术区域，因此需要图像引导以正确到达目标。然而，脑外科手术的成像方式是有限的：例如，超声波无法轻易穿过颅骨。

区分健康，不健康和不同类型的脑组织的一种方法是取决于机械特性。例如，白质平均比灰质硬39％，平均模量分别为为1.859±0.592 kPa和1.389±0.289 kPa。在小鼠中，发现脑膜瘤比健康小鼠的大脑更硬，其弹性模量高2-5倍。因此，弹性成像可用于检测不同硬度的组织之间的组织边界。肯尼迪等为了在更深的组织中使用弹性成像，将光学相干弹性成像部署到了针探针中。然而，他们的研究中使用的针头是扁平的，不适合在临床环境中使用。在机器人技术领域，由于其能够纠正插入过程中的未对准问题，因此特别是在针头转向领域，机器人针的插入引起了人们的关注。由于某些机器人可操纵针依赖于工具组织的相互作用（例如，斜角针和可编程斜角针（PBN）），因此几组研究了组织穿刺的过程，并将其作为对照。力传感器主要用于预测组织穿刺和针头穿过不同结构的情况，例如在[13]中，在此过程中，使用带有嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）的针头进行应变检测膜穿刺。在[14]中还研究了检测组织硬度的差异。他们表明，与较软的组织相比，在针头前面的区域中，较硬的组织具有较少的组织变形。

在我们以前的工作中，研究了使用激光多普勒血流仪（LDF）探针作为前瞻性传感器来检测可操纵针尖处血管的存在[15]。可转向针头本身基于可编程的斜角针头（PBN）。在这项工作中，探索了将LDF用作检测组织过渡的方法，尤其是使用软针，例如可编程斜角针（PBN）。PBN是专门设计用来进入大脑内部的深部病变的，并提供了一种具有互锁机制的多段设计，该互锁机制将相邻的节段连接起来以允许轴向滑动。与基于力感测的组织边界检测方法相比，前视传感器（例如LDF探头）的优点之一是，它不需要对传感器进行任何更改针的机械设计。由于探头尺寸较小（例如本工作中使用的LDF探针为0.3毫米），可以将其直接插入针头的工作通道中。

LDF测量散射颗粒的运动，因此记录的灌注值，速度和颗粒散射的函数也取决于组织的运动。因此应避免组织运动，因为它们会导致较高的灌注值。由于传统上将LDF用于测量血液灌注，据作者所知，这项工作是首次将LDF测量用作通过将传感器嵌入针头中来检测组织边界和检测不同硬度的组织的方法。

在以前的工作中表明，在针插入过程中，以恒定的插入速度，灌注值是恒定的。但是，他们仅研究了一种类型的组织体模。其他研究已经调查了使用力传感器检测组织边界的情况。由于组织的硬度可以通过组织的变形进行分类，因此在这项研究中，假设在插入过程中，可以通过运动传感器（在这种情况下使用激光多普勒血流仪）来区分组织的运动。这篇论文的概述如下：第二节讨论了所使用的组织模型。在第三部分中，研究了不同的光学和机械性能对灌注值的影响。第三节讨论插入过程中力与灌注值之间的比较。在本部分中，我们将介绍一个实验，该实验使用一层组织模型，然后是另一层使用两层模型，然后离体插入绵羊的大脑。第四节讨论了这一发现。这论文的结尾是第五部分，其中重点介绍了一些未来的研究途径。

Tissue Phantom Preparation

A.材料与方法

明胶组织模型用于研究不同组织硬度和不同光学特性对LDF测量的影响：灌注值和总光强度。脂质（例如牛奶和脂质溶液），微球和二氧化钛（TiO2）通常用于改变组织模型的降低的散射系数。TiO2与微球相比价格较低，因此适用于明胶基一次性组织模型。在我们以前的工作中，研究了明胶的机械性能作为明胶重量与液体（即水）重量比的函数，以开发出模仿人体大脑机械性能的组织模型。与添加脂质相比，使用TiO2不会改变明胶与液体的重量比。为了改变组织模型的吸收系数，可以使用印度墨水，全血和分子染料。印度墨水很容易找到，并且吸收光谱几乎平坦。因此，选择TiO2和印度墨水来改变组织体模的光学特性。

B.结果

图1显示了压缩测试的应力-应变曲线。每个样品弹性模量的平均和标准偏差示于表I。

Needle Insertion Experients

进行两种类型的针插入，一种插入到一层，另一种插入到两层明胶中。使用一层插入物来研究改变光学特性和组织刚度对稳态灌注值的影响，并研究穿刺过程中力与灌注值之间的关系。使用两层插入物来研究组织机械性质的突然变化对灌注值的影响。在调查了将针插入软组织模型中的灌注值之后，对离体绵羊的大脑进行了针插入实验。

A.穿刺针的材料和方法

为了研究组织刚度对灌注值的影响，通过改变明胶浓度（2.5％，4.5％和6.5％w / w）制成具有三种不同刚度的体模。还研究了组织体模的光学性质与灌注值之间的关系。因此，每种明胶浓度都具有六种不同的光学特性。然后将具有相同光学属性的模型分组并标记为＃1，＃2，＃3，＃4，＃5和＃6。表II示出了每组降低的散射系数(μjs)和吸收系数(μa)。为了实现这些光学特性，需要更改样品中TiO2和印度墨水的浓度。插入装置和测量装置如图2所示。插入速度设置为0.25 mm / s，这是建议的最大插入速度的一半，以免在深部脑刺激过程中出血。另外，对于模型＃3，还研究了插入速度对灌注值的影响。研究了三种插入速度：0.25、0.5和0.75毫米/秒。

在先前的工作中已经表明，如果针头进入不同的组织层，则会重复进行针头插入阶段（组织负荷，破裂和切割）。这项研究进一步调查了使用灌注值来识别组织硬度的变化是否适用于两层组织模型。使用了两种类型的组织过渡：硬-软和软-硬。具有4.5％重量的明胶的模型＃3用于软组织，具有6.5％明胶的模型＃3用于硬组织。插入速度设定为0.25mm/s。对于每个样品，进行了九次插入。

然后在离体绵羊的大脑中进行插入测试，以确定该方法在生物组织中的性能。从当地的屠夫那里收集大脑，并在屠宰羊后48小时内进行实验。组织破裂定性地定义为插入力的下降，因为无法获得作为真实的原位成像（例如超声）。

B.针插入结果

Discussion

认为这项工作是对稳态灌注值随组织刚度的函数以及使用LDF作为定义组织边界的方法的首次研究。在第二部分中给出的结果表明，可以改变组织体模的光学特性而不影响体模的弹性模量。

从图3（a）可以看出，在单层组织体模中可以很容易地看出组织的负载，破裂和切割过程。在组织加载期间，观察到稳态灌注值。但是，与切割过程中的稳态灌注值相比，此阶段的灌注值要低。其原因是由于在这两个过程中组织变形的类型不同。在组织加载期间，变形主要在z轴上，组织的表面与针尖一起移动。这种类型的变形导致探针和探针前面的组织之间的相对速度较小。在组织切割过程中，裂纹会扩展，针尖周围的组织也会被推向径向。与组织加载阶段相比，此过程在探针和组织之间产生了更高的相对速度。因此，与加载阶段相比，切割阶段的灌注值更高。

在破裂过程中，组织松弛。这个过程产生了在组织中产生较高的速度，从而导致较高的灌注值。在切割过程中，LDF系统与受控的插入速度相结合，可提供稳态的灌注值，而无需考虑模型的光学和机械特性。这项研究的目的之一是模仿中的工作，其中表明，与较软的组织相比，较硬的组织应变较小。