[論文レビュー] A Surgical Platform for Intracerebral Hemorrhage Robotic Evacuation (ASPIHRE): A Non-metallic MR-guided Concentric Tube Robot

Anthony L. Gunderman, Saikat Sengupta+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2022

Intracerebral and Subarachnoid Hemorrhage Research被引用数 5

ひとこと要約

ASPIHREは、市販のプラスチックチューブを用いて、非金属でMRガイド付きの同心管ロボットを初めて開発し、脳内出血（ICH）の吸引に応用した。1.39 ± 0.54 mmのチップ精度を達成し、5分間で38.36 mLの血腫の86％を吸引し、残存量は8.14 mLにとどまり、最小侵襲的ICH治療における高い機動性と臨床的潜在能力を示した。

ABSTRACT

Intracerebral hemorrhage (ICH) is the deadliest stroke sub-type, with a one-month mortality rate as high as 52%. Due to the potential cortical disruption caused by craniotomy, conservative management (watchful waiting) has historically been a common method of treatment. Minimally invasive evacuation has recently become an accepted method of treatment for patients with deep-seated hematoma 30-50 mL in volume, but proper visualization and tool dexterity remain constrained in conventional endoscopic approaches, particularly with larger hematoma volumes (> 50 mL). In this article we describe the development of ASPIHRE (A Surgical Platform for Intracerebral Hemorrhage Robotic Evacuation), the first-ever concentric tube robot that uses off-the-shelf plastic tubes for MR-guided ICH evacuation, improving tool dexterity and procedural visualization. The robot kinematics model is developed based on a calibration-based method and tube mechanics modeling, allowing the models to consider both variable curvature and torsional deflection. The MR-safe pneumatic motors are controlled using a variable gain PID algorithm producing a rotational accuracy of 0.317 +/- 0.3 degrees. The hardware and theoretical models are validated in a series of systematic bench-top and MRI experiments resulting in positional accuracy of the tube tip of 1.39 +\- 0.54 mm. Following validation of targeting accuracy, the evacuation efficacy of the robot was tested in an MR-guided phantom clot evacuation experiment. The robot was able to evacuate an initially 38.36 mL clot in 5 minutes, leaving a residual hematoma of 8.14 mL, well below the 15 mL guideline suggesting good post-ICH evacuation clinical outcomes.

研究の動機と目的

• 現在の最小侵襲的ICH吸引技術における高い死亡率と限られた機動性を改善すること。
• 非金属部品を用いた完全なMR適合性を持つロボットプラットフォームの開発により、リアルタイム画像ガイドド手術を実現すること。
• 深部に位置する血腫吸引におけるツールの機動性と手術の可視化を向上させること。
• 可変曲率とねじり変位を考慮したキネマティックモデルの妥当性を検証すること。
• 臨床的に関連性のある結果を得られるMRガイド付きフィンガープリンティングモデルにおいて、効果的な血腫吸引を実証すること。

提案手法

• ロボットは、MR環境で安全に使用可能な気動式モーターで駆動される市販のプラスチック同心管を用い、MRIボア内での遠隔操作を実現した。
• キャリブレーション手法とチューブ力学を組み合わせたハイブリッドキネマティックモデルにより、曲率とねじり変位の両方を考慮したチップ位置の予測が可能となった。
• 可変ゲインPID制御アルゴリズムにより、回転精度が0.317 ± 0.3度を達成され、チューブの精密操作が可能となった。
• ベンチトップおよびMRI実験を用いたシステムの妥当性評価により、チップ位置決め精度が評価された。
• 38.36 mLの血腫を模擬したフィンガープリンティング血腫モデルを用いて、リアルタイムMRガイド下での吸引効果を評価した。
• 臨床的関連性のある環境下で、手術の安全性、精度、血腫除去効率について評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非金属で同心管構造のロボットは、MRガイド下で脳内出血吸引に十分な機動性と精度を発揮できるか？
• RQ2 プラスチックチューブにおけるねじり変位と可変曲率を考慮した場合、キネマティックモデルがチップ位置をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 MRI環境下でロボットチップの位置決め精度はどの程度達成できるか？
• RQ4 大規模な血腫（30 mL以上）を臨床的に関連性のある時間内に、最小限の残存量で効果的に吸引できるか？
• RQ5 リアルタイムMR画像下でのフィンガープリンティングモデルにおいて、システムの血腫除去効率と安全性はいかがであったか？

主な発見

• MRIガイド付き実験において、ロボットは1.39 ± 0.54 mmのチップ位置決め精度を達成し、神経外科学研究への高い精度を示した。
• 可変ゲインPID制御アルゴリズムを用いることで、回転精度が0.317 ± 0.3度を達成した。
• フィンガープリンティング血腫吸引試験では、38.36 mLの血腫の86％がわずか5分間で吸引され、残存量は8.14 mLにとどまり、良好な臨床的結果を示す15 mL未満の基準を下回った。
• ハイブリッドキネマティックモデルは、可変曲率とねじり変位の両方を効果的に捉え、正確なチップ追跡を可能にした。
• 市販のプラスチックチューブの使用により、完全なMR適合性が達成され、機動性や制御性に悪影響を及げなかった。
• システムはMRI環境内での正常な稼働が確認され、画像アーチファクトや安全上のリスクを引き起こさなかった。