[论文解读] 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 5

一句话总结

ASPIHRE 是首个使用现成塑料管材、基于磁共振成像（MRI）引导的非金属同心管机器人，用于脑室内出血（ICH）血肿清除。其尖端定位精度达 1.39 ± 0.54 mm，在 5 分钟内清除了 38.36 mL 血肿的 86%，仅残留 8.14 mL，展现出优异的灵活性与微创 ICH 治疗的临床潜力。

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.

研究动机与目标

• 解决当前微创 ICH 清除技术中死亡率高且灵活性有限的问题。
• 开发一种完全兼容 MRI 的机器人平台，采用非金属部件，实现术中实时影像引导手术。
• 提升深部血肿清除过程中工具的灵活性与术中可视化能力。
• 验证一种考虑同心管机器人中曲率变化与扭转形变的运动学模型。
• 在 MRI 引导的仿体模型中验证临床相关结果的有效血肿清除效果。

提出的方法

• 该机器人采用现成的塑料同心管，通过 MRI 安全的气动马达驱动，实现在磁共振孔道内的远程控制。
• 采用混合运动学模型，结合标定方法与管体力学，预测尖端位置，同时考虑曲率变化与扭转形变。
• 采用变增益 PID 控制算法，实现 0.317 ± 0.3 度的旋转精度，确保精确的管体操控。
• 通过台架实验与 MRI 实验对系统进行验证，评估尖端定位精度。
• 使用模拟 38.36 mL 血肿的仿体血肿模型，在实时 MRI 引导下评估清除效率。
• 在临床相关环境下测试系统在操作安全性、精度与血肿清除效率方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 非金属同心管机器人是否能在 MRI 引导下实现足够的灵活性与精度，用于脑室内出血清除？
• RQ2 在考虑塑料管材曲率变化与扭转形变的情况下，运动学模型对尖端位置的预测能力如何？
• RQ3 该机器人在 MRI 环境中的尖端位置精度可达多少？
• RQ4 该机器人是否能在临床相关时间范围内有效清除大体积血肿（>30 mL），并实现极低残留体积？
• RQ5 在实时 MRI 成像下，该系统在仿体模型中的血肿清除效率与安全性表现如何？

主要发现

• 在 MRI 引导实验中，机器人实现了 1.39 ± 0.54 mm 的尖端定位精度，展现出神经外科应用所需的高精度。
• 通过变增益 PID 控制算法，系统实现了 0.317 ± 0.3 度的旋转精度。
• 在仿体血肿清除测试中，仅用 5 分钟就清除了 38.36 mL 血肿的 86%，仅残留 8.14 mL，低于临床有利结局的 15 mL 阈值。
• 混合运动学模型有效捕捉了曲率变化与扭转形变，实现了精确的尖端追踪。
• 采用现成塑料管材实现了完全的 MRI 兼容性，同时未牺牲灵活性或控制性能。
• 系统在 MRI 环境中成功运行，未引起图像伪影或安全风险。