We propose a general strategy for autonomous guidance and insertion of a needle into a retinal blood vessel. The main challenges underpinning this task are the accurate placement of the needle-tip on the target vein and a careful needle insertion maneuver to avoid double-puncturing the vein, while dealing with challenging kinematic constraints and depth-estimation uncertainty. Following how surgeons perform this task purely based on visual feedback, we develop a system which relies solely on \emph{monocular} visual cues by combining data-driven kinematic and contact estimation, visual-servoing, and model-based optimal control. By relying on both known kinematic models, as well as deep-learning based perception modules, the system can localize the surgical needle tip and detect needle-tissue interactions and venipuncture events. The outputs from these perception modules are then combined with a motion planning framework that uses visual-servoing and optimal control to cannulate the target vein, while respecting kinematic constraints that consider the safety of the procedure. We demonstrate that we can reliably and consistently perform needle insertion in the domain of retinal surgery, specifically in performing retinal vein cannulation. Using cadaveric pig eyes, we demonstrate that our system can navigate to target veins within 22$\mu m$ XY accuracy and perform the entire procedure in less than 35 seconds on average, and all 24 trials performed on 4 pig eyes were successful. Preliminary comparison study against a human operator show that our system is consistently more accurate and safer, especially during safety-critical needle-tissue interactions. To the best of the authors' knowledge, this work accomplishes a first demonstration of autonomous retinal vein cannulation at a clinically-relevant setting using animal tissues.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员