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SAMe:一种用于机器人超声的语义解剖映射引擎
SAMe: A Semantic Anatomy Mapping Engine for Robotic Ultrasound

作者: Jing Zhang, Duojie Chen, Wentao Jiang 等10人
arXiv: 2604.25646v1
分类: cs.CV, cs.RO
📝 论文摘要
机器人超声已实现了局部图像驱动控制、接触调节与视图优化,但现有系统缺乏必要的解剖学理解,无法确定扫描内容、起始位置以及如何适应个体患者解剖结构。这些不足导致系统仍需专家干预才能启动扫描。本文提出SAMe——一种语义解剖映射引擎,为机器人超声提供显式的解剖先验层。SAMe将扫描起始过程视为"目标-解剖-动作"的转化:将不明确的临床主诉转化为结构化目标器官,基于单张外部身体图像为所确定目标实例化患者特异性解剖表征,并将该表征转化为面向控制的六自由度探头初始化状态,且无需使用术前CT或MRI进行额外配准。SAMe维护的解剖表征具有显式性、轻量性(单器官推理时间0.08秒),并通过设计兼容下游控制。在语义映射、解剖实例化及真实机器人评估中,SAMe在整个初始化流程中表现出色。真实机器人实验中,SAMe在所评估目标集上实现了肝脏初始化97.3%的器官命中率,肾脏初始化81.7%的命中率。即使限制在质心目标下,SAMe在肝脏和肾脏初始化中均优于基于表面启发式的基线方法。这些结果构建了显式解剖先验层,有效解决了扫描初始化问题,并为更广泛的下游自主扫描流程提供支撑,为基于主诉、具备解剖知识感知的机器人超声检查奠定了解剖学基础。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 现有机器人超声系统缺乏解剖理解能力,无法自主决定扫描目标、起始位置及适应个体患者解剖差异。 - 当前系统仍依赖专家干预来启动扫描,限制了自主化程度。 - 从模糊临床主诉到具体探头初始化的完整流程缺失,成为制约全自主超声扫描的瓶颈。
🔧 核心方法
- 提出**语义解剖映射引擎(SAMe) ** ,通过目标-解剖-动作三元组流程实现扫描初始化。 - 第一步** 语义基础(semantic grounding) ** :将非结构化临床主诉映射为结构化目标器官集合。 - 第二步** 解剖实例化(anatomical instantiation) ** :仅凭单张外部身体图像生成患者特异性解剖表示,无需术前CT/MRI配准。 - 第三步** 控制初始化(control initialization) ** :将解剖表示转化为控制端的** 6自由度(6-DoF)** 探头初始位姿。 - 解剖表示具有显式、轻量特性(单器官推理仅需0.08秒),天然兼容下游控制。
💡 核心创新
- **首次为机器人超声引入显式解剖先验层** ,赋予系统解剖理解与自适应能力。 - ** 零配准初始化**:无需术前影像即可从体表图像实例化内部解剖,大幅降低临床部署开销。 - ** 端到端语义-动作流水线**:将模糊临床主诉直接转化为具体探头位姿,实现“投诉即扫描”。 - ** 轻量实时推理**:单器官推理速度达0.08秒,满足机器人控制实时性要求。
🏆 总体贡献
- 为机器人超声领域提供了一种全新的**解剖先验层(anatomical prior layer) ** 范式,解决了扫描自主初始化这一关键难题。 - 真实机器人实验中取得高** 器官命中率(organ-hit rate)** :肝脏97.3%、肾脏81.7%,显著优于基于表面启发式的基线方法。 - 所设计的显式解剖表示框架可无缝集成到下游自主扫描流水线中,推动临床主诉驱动、解剖引导的机器人超声发展。 - 为后续无标记、患者自适应的超声机器人系统奠定了解剖基础。