論文の概要: Interaction Dynamics Modeling and Predictive Control for Safe Steerable Catheter--Tissue Interaction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2607.20939v1
- Date: Thu, 23 Jul 2026 05:32:48 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-07-24 18:26:25.296911
- Title: Interaction Dynamics Modeling and Predictive Control for Safe Steerable Catheter--Tissue Interaction
- Title（参考訳）: 安全なステアブルカテーテルのための相互作用ダイナミクスモデリングと予測制御--タスク間相互作用
- Abstract要約: 単一セグメント単腱カテーテルの先端正規座標におけるカテーテル-チップ間相互作用のダイナミクスを定式化する。
予測慣性は、強い接触力、腱力、制約を受けるこの相互作用状態を規制する。
本研究では,オフセットフリー動作制御と接触力の安全性が相互作用力学の目的と結合していることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Safe steerable catheter control is fundamentally a problem of interaction dynamics: the tip must follow a planned motion, remain compliant against moving tissue, reject friction and hysteresis, and respect a clinically meaningful never-exceed contact-force bound. We formulate catheter--tissue interaction dynamics in the scalar tip-normal coordinate of a single-segment single-tendon catheter. A partial-physics feedforward cancels only the reliable nominal bending dynamics, exposing a configuration-invariant linear interaction-dynamics model whose input gain varies through the scalar catheter inertia. A predictive optimizer then regulates this interaction state subject to hard contact-force, tendon-force, and curvature constraints. An augmented Kalman filter compresses contact, friction, and modeling error into one sensor-free disturbance state, giving nominal offset-free regulation in free space while leaving force safety to the explicit constraint. The unconstrained and disturbance-free limit recovers classical catheter impedance as a special realization of the same interaction dynamics, rather than as the main design object. In a MuJoCo distributed-compliance simulation of an eight-link tendon-driven catheter, disturbance augmentation cuts free-space approach error by 90\%, and only the force-constrained predictive interaction-dynamics controller reconciles tracking with the 0.5\,N bound: the unconstrained controller drives contact force to 0.60\,N against a penetrating target, while the constrained one holds 0.47\,N at identical tracking. These results show that offset-free motion regulation and contact-force safety are coupled interaction-dynamics objectives, and that the explicit predictive constraint resolves their tension under stiff tissue contact. The bound also holds under $0.5$\,mm, $1.2$\,Hz cardiac motion. Hardware validation is future work.
- Abstract（参考訳）: 安全なステアブルカテーテルコントロールは、基本的に相互作用のダイナミクスの問題である: 先端は計画された動きに従い、動く組織に順応し、摩擦とヒステリシスを拒絶し、臨床的に意味のない無意味な接触力境界を尊重しなければならない。
単分割単腱カテーテルのスカラー先端正規座標におけるカテーテル-チップ間相互作用のダイナミクスを定式化する。
部分物理学のフィードフォワードは信頼性の高い名目曲げ力学のみをキャンセルし、スカラーカテーテル慣性によって入力ゲインが変化する構成不変な線形相互作用力学モデルを公開する。
予測オプティマイザは、強い接触力、腱力、曲率の制約を受けると、この相互作用状態を調節する。
拡張カルマンフィルタは、接触、摩擦、モデリング誤差を1つのセンサフリーな乱れ状態に圧縮し、明示的な制約に力の安全性を残しながら、自由空間において名目上のオフセットフリーな規制を与える。
制約のない乱れのない制限は、主設計対象としてではなく、同じ相互作用のダイナミクスを特別な実現として古典的なカテーテルインピーダンスを回復させる。
8リンクの腱駆動カテーテルのMuJoCo分散コンプライアンスシミュレーションにおいて、外乱増強は自由空間アプローチ誤差を90\%削減し、力制約された相互作用力学コントローラのみが0.5\,N境界でトラッキングを調整する:非拘束のコントローラは、貫入目標に対して0.60\,Nまで接触力を駆動し、制約されたコントローラは0.47\,Nを同一のトラッキングで保持する。
これらの結果から, オフセットフリー運動制御と接触力の安全性は相互作用力学の目的と結合しており, 明示的な予測的制約は硬組織接触下での張力を解消することが明らかとなった。
この境界は0.5$\,mm, $1.2$\,Hzの心臓運動も持つ。
ハードウェアの検証は今後の仕事だ。
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