呼吸運動補償を用いた生体内での心臓カテーテルの自動ステアリング

Automatically steering cardiac catheters in vivo with respiratory motion compensation.

• Paul M Loschak
• Alperen Degirmenci
• Cory M Tschabrunn
• Elad Anter
• Robert D Howe

抄録

超音波（ＵＳ）イメージングカテーテルを自動的にナビゲートするためのロボットシステムは、臨床医が手動でカテーテルのステアリングを行う必要性を減らしながら、診断および治療のためのリアルタイムの心臓内イメージングを提供することができる。このようなシステムを臨床的に導入するには、周期的な生理的運動（呼吸など）を含む外乱の存在にもかかわらず、正確なナビゲーションが必要である。本研究では、呼吸運動を補正して心臓カテーテルをナビゲートする初めてのシステムである本システムを用いた自動ターゲットトラッキングのin vivo試験の結果を報告する。本研究では、米国カテーテルに対する呼吸障害の影響をモデル化し、予測フィルタリングを用いた4自由度操舵運動学に適用した。これにより、呼吸運動の乱れにもかかわらず、米国カテーテルを正確に操舵し、米国イメージャーをターゲットに向けることが可能となった。また、生体内での動物の呼吸運動補正の結果、1.05mmと1.33°の平均絶対誤差でターゲットのアブレーションカテーテルを画像化するための自動USカテーテルステアリングが実証された。運動補償機能を備えたロボットによるUSカテーテルステアリングは、臨床医の労力とX線被ばくを軽減しながら、心臓カテーテル検査の技術を向上させることができる。

A robotic system for automatically navigating ultrasound (US) imaging catheters can provide real-time intra-cardiac imaging for diagnosis and treatment while reducing the need for clinicians to perform manual catheter steering. Clinical deployment of such a system requires accurate navigation despite the presence of disturbances including cyclical physiological motions (e.g., respiration). In this work, we report results from in vivo trials of automatic target tracking using our system, which is the first to navigate cardiac catheters with respiratory motion compensation. The effects of respiratory disturbances on the US catheter are modeled and then applied to four-degree-of-freedom steering kinematics with predictive filtering. This enables the system to accurately steer the US catheter and aim the US imager at a target despite respiratory motion disturbance. In vivo animal respiratory motion compensation results demonstrate automatic US catheter steering to image a target ablation catheter with 1.05 mm and 1.33° mean absolute error. Robotic US catheter steering with motion compensation can improve cardiac catheterization techniques while reducing clinician effort and X-ray exposure.