論文の概要: Bilinear Model Predictive Control Framework of the OncoReach, a Tendon-Driven Steerable Stylet for Brachytherapy
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.05111v1
- Date: Mon, 06 Apr 2026 19:17:43 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-08 17:42:09.457502
- Title: Bilinear Model Predictive Control Framework of the OncoReach, a Tendon-Driven Steerable Stylet for Brachytherapy
- Title（参考訳）: 屈筋腱駆動型ステアブルスタイレットOncoReachのバイリニアモデル予測制御フレームワーク
- Authors: Pejman Kheradmand, Behnam Moradkhani, Mir Masoud Ale Ali, Keith Sowards, Scott R. Silva, Yash Chitalia,
- Abstract要約: ステアブルニードルは、鋭敏な解剖学的構造を避けるために湾曲した軌跡を有効にすることで、間質的ブラキセラピーを改善する可能性がある。
既存のモデリングと制御のアプローチは、主にカスタムニードルの設計のために開発されており、市販の臨床ニードルと互換性のあるスタイルセットには直接適用できない。
本稿では、腱駆動型ステアブルスタイルトと標準的なブラキセラピー針を統合したバイリニアモデル予測制御フレームワークを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.11726720776908518
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Steerable needles have the potential to improve interstitial brachytherapy by enabling curved trajectories that avoid sensitive anatomical structures. However, existing modeling and control approaches are primarily developed for custom needle designs and are not directly applicable to stylets compatible with commercially available clinical needles. This paper presents a bilinear model predictive control (MPC) framework for a tendon-driven steerable stylet integrated with a standard brachytherapy needle. \textcolor{black}{A geometric bilinear model is formulated with three virtual inputs (an insertion speed and two bending rates) which are mapped to physically realizable inputs consisting of the insertion speed and the associated tendon tensions.} The approach is validated through simulations and physical insertion experiments in tissue-mimicking phantom material using image-based tip tracking. While open-loop model validation yielded estimation errors below $2$~mm, corresponding to $3\%$ of the inserted needle length, and closed-loop fixed-target tracking achieved an error as low as $1.45$~mm, corresponding to $1.7\%$ of the inserted length, experiments showed larger position errors in certain bending directions, reaching $8.3$~mm, or $7.8\%$ of the inserted length. Overall, the results demonstrate the feasibility of fixed-target positioning and moving-target trajectory tracking for clinically compatible steerable brachytherapy systems, while highlighting necessary areas for future improvements in calibration and sensing.
- Abstract（参考訳）: ステアブルニードルは、鋭敏な解剖学的構造を避けるために湾曲した軌跡を有効にすることで、間質的ブラキセラピーを改善する可能性がある。
しかし、既存のモデリングと制御のアプローチは、主にカスタムニードルの設計のために開発されており、市販の臨床ニードルと互換性のあるスタイルセットには直接適用できない。
本稿では,標準的な点眼針と統合された腱駆動型ステアブルスタイルトのためのバイリニアモデル予測制御(MPC)フレームワークを提案する。
\textcolor{black}{A 幾何学的双線形モデルは3つの仮想入力(挿入速度と2つの曲げ速度)で定式化され、挿入速度と関連する腱張力からなる物理的に実現可能な入力にマッピングされる。
The approach is confirmeded by simulation and physical insert experiment in tissue-mimicking phantom material using image-based tip tracking。
オープンループモデルの検証では、挿入された針の長さの3.%に相当する2.～mm以下の推定誤差と、クローズドループの固定ターゲットトラッキングは、挿入された長さの1.7.%に相当する1.45$~mmという低い誤差を達成したが、実験の結果、一定の曲げ方向の位置誤差が大きく、挿入された長さの8.3$~mm(英語版)または7.8\%(英語版)に到達した。
以上の結果から, 固定目標位置追跡と移動目標軌跡追跡が, 臨床的に整合性のあるブレキセラピーシステムの実現可能性を示すとともに, キャリブレーションとセンシングの今後の改善に必要な領域を強調した。
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