論文の概要: Fluoroscopy-Constrained Magnetic Robot Control via Zernike-Based Field Modeling and Nonlinear MPC
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.15357v1
- Date: Tue, 17 Feb 2026 04:50:18 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-23 08:17:41.505054
- Title: Fluoroscopy-Constrained Magnetic Robot Control via Zernike-Based Field Modeling and Nonlinear MPC
- Title（参考訳）: ゼルニケ磁場モデリングと非線形MPCによる磁束拘束型磁気ロボット制御
- Authors: Xinhao Chen, Hongkun Yao, Anuruddha Bhattacharjee, Suraj Raval, Lamar O. Mair, Yancy Diaz-Mercado, Axel Krieger,
- Abstract要約: 磁気アクチュエータにより、手術ロボットは複雑な解剖経路をナビゲートし、組織外傷を軽減し、手術精度を向上させることができる。
本稿では,非線形モデル予測制御フレームワークを組み合わせることで,そのような条件下での高精度かつ安定な制御フレームワークを提案する。
硬膜外空間における薬物伝達を再現する3Dプリント流体作業空間と脊椎ファントムの2つの磁気ロボットを用いて実験的に検証を行った。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.093982213892736
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Magnetic actuation enables surgical robots to navigate complex anatomical pathways while reducing tissue trauma and improving surgical precision. However, clinical deployment is limited by the challenges of controlling such systems under fluoroscopic imaging, which provides low frame rate and noisy pose feedback. This paper presents a control framework that remains accurate and stable under such conditions by combining a nonlinear model predictive control (NMPC) framework that directly outputs coil currents, an analytically differentiable magnetic field model based on Zernike polynomials, and a Kalman filter to estimate the robot state. Experimental validation is conducted with two magnetic robots in a 3D-printed fluid workspace and a spine phantom replicating drug delivery in the epidural space. Results show the proposed control method remains highly accurate when feedback is downsampled to 3 Hz with added Gaussian noise (sigma = 2 mm), mimicking clinical fluoroscopy. In the spine phantom experiments, the proposed method successfully executed a drug delivery trajectory with a root mean square (RMS) position error of 1.18 mm while maintaining safe clearance from critical anatomical boundaries.
- Abstract（参考訳）: 磁気アクチュエータにより、手術ロボットは複雑な解剖経路をナビゲートし、組織外傷を軽減し、手術精度を向上させることができる。
しかし、臨床展開は、フレームレートが低くノイズの多いポーズフィードバックを提供する蛍光画像下において、そのようなシステムを制御することの難しさによって制限されている。
本稿では、コイル電流を直接出力する非線形モデル予測制御(NMPC)フレームワークと、Zernike多項式に基づく解析的に微分可能な磁場モデルと、ロボット状態を推定するKalmanフィルタを組み合わせることにより、そのような条件下での正確かつ安定な制御フレームワークを提案する。
硬膜外空間における薬物伝達を再現する3Dプリント流体作業空間と脊椎ファントムの2つの磁気ロボットを用いて実験的に検証を行った。
以上の結果から, ガウスノイズ(シグマ=2mm)を付加した3Hzにフィードバックをダウンサンプリングした場合, 臨床蛍光検査を模した制御法は, 高い精度を保っていることが明らかとなった。
脊椎ファントム実験では, 決定的解剖学的境界から安全なクリアランスを維持しつつ, ルート平均正方形(RMS)位置誤差1.18mmの薬物送達軌道を正常に実行した。
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