[논문 리뷰] A Surgical Platform for Intracerebral Hemorrhage Robotic Evacuation (ASPIHRE): A Non-metallic MR-guided Concentric Tube Robot

Anthony L. Gunderman, Saikat Sengupta외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 20.

Intracerebral and Subarachnoid Hemorrhage Research인용 수 5

한 줄 요약

ASPIHRE는 상용 플라스틱 튜브를 사용하여 자기共振 영상(MR) 유도의 비금속 농축 튜브 로봇을 최초로 개발한 것으로, 뇌내출혈(ICH) 제거에 적용된다. 이는 1.39 ± 0.54 mm의 정밀도를 달성하며, 5분 내에 38.36 mL의 혈종의 86%를 제거하고 잔류 혈종이 8.14 mL 남는다. 이는 최소 침습적 ICH 치료에 있어 높은 유연성과 임상적 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재의 최소 침습적 ICH 제거 기술에서 높은 사망률과 제한된 유연성 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 영상 유도 수술을 위한 완전한 MR 호환성 로봇 플랫폼을 비금속 성분을 사용해 개발하기 위해.
• 심부 혈종 제거 시 도구의 유연성과 수술 시각화를 향상시키기 위해.
• 농축 튜브 로봇에서 변형된 곡률과 비틀림 도래를 고려한 운동역학 모델을 검증하기 위해.
• 임상적으로 유의미한 결과를 얻는 데 있어, 실시간 MR 유도 하에서의 유사 환자 모델에서의 효과적인 혈종 제거를 입증하기 위해.

제안 방법

• 로봇는 MRI 내부에서 원격 제어가 가능한 MR 안전 펌프 모터로 작동하는 상용 플라스틱 농축 튜브를 사용한다.
• 캘리브레이션 기반 방법과 튜브 기계학을 융합한 하이브리드 운동역학 모델이 곡률과 비틀림 도래를 모두 고려하여 끝단 위치를 예측한다.
• 변동 이득 PID 제어 알고리즘을 통해 정밀한 튜브 조작을 위한 0.317 ± 0.3도의 회전 정밀도를 확보한다.
• 벤치탑 및 MRI 실험을 통한 시스템 검증을 통해 끝단 위치 정밀도를 평가하였다.
• 38.36 mL의 혈종을 시뮬레이션한 페르포트 혈종 모델을 사용하여 실시간 MR 유도 하에서의 제거 효능을 평가하였다.
• 임상적으로 관련성이 있는 환경에서 시스템의 절차적 안전성, 정밀도 및 혈종 제거 효율성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비금속적이고 농축 튜브로 구성된 로봇이 MR 유도 하에서 뇌내출혈 제거에 충분한 유연성과 정밀도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 플라스틱 튜브에서 비틀림 도래와 변형 곡률을 고려할 때 운동역학 모델이 끝단 위치를 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ3 MRI 환경 내에서 로봇 끝단의 위치 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ4 큰 혈종(30 mL 이상)을 임상적으로 관련성이 있는 시간 내에 효과적으로 제거하고 잔류 부피를 최소화할 수 있는가?
• RQ5 실시간 MR 영상 하에서 페르포트 모델에서의 혈종 제거 효율성과 안전성 측면에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• MRI 유도 실험에서 로봇는 1.39 ± 0.54 mm의 끝단 위치 정밀도를 달성하여 신경외과 적용에 있어 높은 정밀도를 입증하였다.
• 변동 이득 PID 제어 알고리즘을 사용하여 0.317 ± 0.3도의 회전 정밀도를 확보하였다.
• 페르포트 혈종 제거 테스트에서 38.36 mL 혈종의 86%가 단 5분 내에 제거되었고, 잔류 혈종은 8.14 mL로 줄었으며, 이는 유리한 임상 결과를 위한 15 mL 이하의 기준을 충족하였다.
• 하이브리드 운동역학 모델은 변형 곡률과 비틀림 도래를 효과적으로 반영하여 정확한 끝단 추적을 가능하게 하였다.
• 상용 플라스틱 튜브의 사용으로 인해 유연성과 제어성에 손상 없이 완전한 MR 호환성이 확보되었다.
• 시스템은 MRI 환경 내에서 이미지 아티팩트나 안전 위험 없이 정상적으로 작동하였다.