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手術ロボティクス/3D再構成arXiv:2603.22792

Instrument-Splatting++: ガウススプラッティングによる制御可能な手術器具デジタルツインの実現

Instrument-Splatting++: Towards Controllable Surgical Instrument Digital Twin Using Gaussian Splatting

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単眼ビデオから手術器具を高忠実度で再構成し、姿勢や関節角度を制御可能な3Dガウスアセットとして表現するフレームワークを提案した。CAD事前情報と意味的セグメンテーションを活用し、未ポーズ動画からでも高精度な姿勢推定とテクスチャ学習を実現する。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 手術器具の高品質で制御可能なデジタルツインを再構築する単眼3D Gaussian Splatting (3DGS) フレームワーク。 - 未姿勢の内視鏡動画から6-DoF姿勢と関節角度を復元し、リアルなテクスチャを学習。 - 下流タスクとしてキーポイント検出の性能向上も示す。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の手法と比較して、photometric qualityとgeometric accuracyが優れている。 - 未姿勢動画から姿勢推定とテクスチャ学習を同時に行える点が新しい。 - 制御可能なガウシアンアセットにより、新規姿勢でのデータ拡張が可能。

3. 技術・手法の肝は?

- part-wise geometry pretrainingでCAD事前知識をガウシアンプリミティブに注入し、部位認識セマンティックレンダリングを実現。 - semantics-aware pose estimation and tracking (SAPET)でフレームごとの6-DoF姿勢と関節角度を復元。gripper-tip networkが合成セマンティクスから訓練され、loose regularizationが特異関節を抑制。 - Robust Texture Learning (RTL)で姿勢洗練とロバストな外観最適化を交互に行い、テクスチャ学習中の姿勢ノイズを軽減。

4. どうやって有効だと検証した?

- EndoVis17/18、SAR-RARP、および社内データセットから抽出したシーケンスで検証。 - 最先端ベースラインと比較して、photometric qualityとgeometric accuracyの向上を確認。 - 下流のキーポイント検出タスクで、制御可能な器具ガウシアンからの未見姿勢データ拡張が性能を改善することを実証。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。

6. 次に読むべき論文は?

- EndoVis17/18、SAR-RARP、および社内データセットに関連する研究。 - 3D Gaussian Splatting (3DGS) の手術応用に関する論文。 - Real2Simや手術器具のデジタルツインに関する研究。

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Shuojue Yang, Zijian Wu, Chengjiaao Liao, Qian Li, Daiyun Shen, Chang Han Low, Septimiu E. Salcudean, Yueming Jin

分類: cs.RO

原文アブストラクト

High-quality and controllable digital twins of surgical instruments are critical for Real2Sim in robot-assisted surgery, as they enable realistic simulation, synthetic data generation, and perception learning under novel poses. We present Instrument-Splatting++, a monocular 3D Gaussian Splatting (3DGS) framework that reconstructs surgical instruments as a fully controllable Gaussian asset with high fidelity. Our pipeline starts with part-wise geometry pretraining that injects CAD priors into Gaussian primitives and equips the representation with part-aware semantic rendering. Built on the pretrained model, we propose a semantics-aware pose estimation and tracking (SAPET) method to recover per-frame 6-DoF pose and joint angles from unposed endoscopic videos, where a gripper-tip network trained purely from synthetic semantics provides robust supervision and a loose regularization suppresses singular articulations. Finally, we introduce Robust Texture Learning (RTL), which alternates pose refinement and robust appearance optimization, mitigating pose noise during texture learning. The proposed framework can perform pose estimation and learn realistic texture from unposed videos. We validate our method on sequences extracted from EndoVis17/18, SAR-RARP, and an in-house dataset, showing superior photometric quality and improved geometric accuracy over state-of-the-art baselines. We further demonstrate a downstream keypoint detection task where unseen-pose data augmentation from our controllable instrument Gaussian improves performance.

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