Spinal fusion surgery requires highly accurate implantation of pedicle screw implants, which must be conducted in critical proximity to vital structures with a limited view of anatomy. Robotic surgery systems have been proposed to improve placement accuracy, however, state-of-the-art systems suffer from the limitations of open-loop approaches, as they follow traditional concepts of preoperative planning and intraoperative registration, without real-time recalculation of the surgical plan. In this paper, we propose an intraoperative planning approach for robotic spine surgery that leverages real-time observation for drill path planning based on Safe Deep Reinforcement Learning (DRL). The main contributions of our method are (1) the capability to guarantee safe actions by introducing an uncertainty-aware distance-based safety filter; and (2) the ability to compensate for incomplete intraoperative anatomical information, by encoding a-priori knowledge about anatomical structures with a network pre-trained on high-fidelity anatomical models. Planning quality was assessed by quantitative comparison with the gold standard (GS) drill planning. In experiments with 5 models derived from real magnetic resonance imaging (MRI) data, our approach was capable of achieving 90% bone penetration with respect to the GS while satisfying safety requirements, even under observation and motion uncertainty. To the best of our knowledge, our approach is the first safe DRL approach focusing on orthopedic surgeries.


翻译:脊柱融合手术要求椎弓根螺钉植入物具有高度精确性,且必须在解剖结构视野受限且紧邻关键组织的情况下进行。机器人手术系统已被提出用于提高置入精度,然而现有系统受限于开环方法,其遵循术前规划与术中配准的传统概念,无法实时重新计算手术方案。本文提出一种基于安全深度强化学习的机器人脊柱手术术中规划方法,通过实时观测引导钻孔路径规划。该方法的主要贡献包括:(1) 引入基于不确定性感知的距离安全滤波器,实现安全动作的保障;(2) 通过在高保真解剖模型上预训练的网络编码解剖结构先验知识,补偿术中解剖信息的不完整性。通过定量对比金标准钻孔规划评估规划质量,在基于真实磁共振成像数据生成的5个模型实验中,本方法即使在观测与运动不确定性条件下,仍能实现相对于金标准90%的骨穿透率且满足安全要求。据我们所知,本方法是首个聚焦骨科手术的安全深度强化学习方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

通过学习、实践或探索所获得的认识、判断或技能。
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
94+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
国家自然科学基金
1+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
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月23日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
8+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关资讯
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
20+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
相关基金
国家自然科学基金
1+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
3+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员