Haptic Portable Robotic Device for Automated Guidewire or Catheter Navigation in Endovascular Procedures

Sintesi Tecnica: Dispositivo Robotico Portatile Aptico per la Navigazione Automatica di Guidewire

Definizione del Problema
La terapia endovascolare offre vantaggi significativi rispetto alla chirurgia a cielo aperto, tra cui l'accesso minimamente invasivo e un recupero più rapido. Tuttavia, le attuali procedure guidate dalla fluoroscopia dipendono fortemente dalla destrezza manuale e dall'esperienza di operatori altamente qualificati. Questa dipendenza crea barriere in contesti critici per il tempo o con risorse limitate (ad esempio, trauma preospedaliero, cliniche rurali o incidenti con vittime multiple), dove specialisti addestrati potrebbero non essere disponibili. Inoltre, i sistemi di navigazione robotica esistenti (ad esempio, Corindus, Sensei) sono tipicamente grandi, vincolati a infrastrutture di imaging ospedaliere e privi di vera autonomia o feedback tattile. Tali limitazioni ne impediscono l'impiego in ambienti austeri e lasciano gli operatori vulnerabili all'esposizione alle radiazioni e alle lesioni vascolari a causa dell'assenza di rilevamento della forza in tempo reale. Esiste una lacuna critica per un sistema intelligente e portatile capace di navigazione autonoma di guidewire con consapevolezza aptica.

Metodologia
Gli autori hanno sviluppato un dispositivo robotico leggero (400 g), portatile, progettato per replicare le manovre manuali di un interventista: avanzamento lineare e rotazione assiale di un guidewire.

• Design Meccanico: Il dispositivo presenta un fattore di forma compatto (160 × 75 × 90 mm) costruito in resina stampata in 3D e plastica ABS. Utilizza un servomotore a due assi Dynamixel 2XC430 per l'avanzamento lineare primario e la rotazione, supportato da tre servomotori in miniatura KST X06 per la presa e movimenti di torsione fini "tipo dita". Un meccanismo a cremagliera facilita l'azione di torsione, mentre copertine in silicone sulle punte delle dita prevengono lo scivolamento.
• Architettura di Controllo: Il sistema è controllato da un Raspberry Pi 4 che esegue un software basato su Python. Impiega una strategia di controllo a due livelli:
  1. Macchina a Stati Finiti (FSM): Imita il comportamento del clinico monitorando la corrente del motore come proxy della forza di contatto. Quando la corrente supera una soglia ($F_{touch}$), indicando resistenza, la FSM innesca una routine di ritrazione e rotazione (rotazione assiale di 90° o una torsione simile a quella umana) per navigare attorno agli ostacoli.
  2. Controllo di Impedenza: Per gestire la rigidità variabile delle lesioni, il sistema implementa un modello massa-molla-smorzatore. Al rilevamento del contatto, il robot esegue una sonda di 1 mm per misurare la variazione della corrente del motore ($\Delta I$) e dello spostamento ($\Delta x$). In base a queste metriche, l'ostruzione viene classificata come Morbida, Media o Rigida. Il controllore adegua quindi dinamicamente i guadagni di massa virtuale, smorzamento e rigidità per modulare la velocità di spinta e la forza applicata, garantendo un comportamento conforme nei tessuti molli e un controllo più fermo nelle lesioni calcificate.
• Configurazione Sperimentale: La validazione è stata condotta utilizzando una configurazione da banco modulare con un tubo di silicone flessibile (diametro interno 15 mm) che simula l'aorta. Inserti personalizzati stampati in 3D hanno creato stenosi di severità 20%, 40%, 60% e 80%. Gli esperimenti hanno utilizzato sia materiali di ostruzione rigidi che flessibili (Formlabs Flexible Resin 80A). Sono state testate due soglie di sensibilità di rilevamento (75 mA e 94 mA) attraverso un totale di 160 prove.

Risultati Chiave

• Prestazioni di Navigazione: Il robot ha navigato con successo tutti i livelli di stenosi simulati. All'aumentare della severità della stenosi dal 20% all'80%, il numero di ritrazioni richieste è aumentato in modo prevedibile, validando la strategia di rilevamento basata sulla forza. Una maggiore sensibilità di rilevamento (75 mA) ha comportato ritrazioni più frequenti in tutti i livelli di stenosi rispetto al valore base (94 mA).
• Classificazione della Rigidità: Il sistema ha dimostrato un'elevata precisione nella classificazione della rigidità della lesione. In un set separato di 60 prove utilizzando proprietà dei materiali distinte, il robot ha raggiunto F-score di 0,95 per rigido, 0,83 per morbido e 0,77 per medio. Le lesioni rigide sono state identificate con la massima precisione grazie all'incremento netto della corrente e allo spostamento minimo.
• Interazione con i Materiali: L'analisi statistica (ANOVA a tre vie) ha confermato che i conteggi delle ritrazioni erano significativamente influenzati dalla severità della stenosi, dalla sensibilità di rilevamento e dalla rigidità del materiale. Il sistema ha mostrato una maggiore sensibilità alle soglie di rilevamento negli ostacoli rigidi rispetto a quelli flessibili.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori sostengono che questo prototipo rappresenti un passo significativo verso una terapia endovascolare accessibile e indipendente dall'operatore. I loro contributi primari includono:

1. Portabilità e Autonomia: A differenza dei sistemi ospedalieri esistenti, questo dispositivo è alimentato a batteria, non vincolato e abbastanza piccolo da essere impiegato in ambulanze, ospedali da campo o zone di disastro.
2. Aptica a Basso Costo: Raggiunge un feedback tattile in tempo reale e una navigazione adattiva utilizzando solo il rilevamento della corrente interna del motore, eliminando la necessità di costosi sensori di forza esterni o complesse infrastrutture di imaging.
3. Sicurezza e Adattabilità: La strategia di controllo dell'impedenza consente al robot di adattare il proprio comportamento a diversi tipi di tessuto, riducendo potenzialmente il rischio di perforazione vascolare ed emorragia.
4. Potenziale Clinico: Gli autori suggeriscono che il sistema potrebbe facilitare procedure salvavita come la REBOA (Occlusione del Volume dell'Aorta con Palloncino Endovascolare Resuscitativo) e la TEVAR in contesti preospedalieri, o servire come strumento di pre-posizionamento per la trombectomia nell'assistenza acuta per l'ictus, colmando il divario fino all'assistenza definitiva.

Gli autori mantengono un tono modesto riguardo ai limiti, riconoscendo che gli attuali test sono stati limitati a modelli di tubi a lume singolo statici senza flusso sanguigno o complesse ramificazioni anatomiche. Notano che il lavoro futuro dovrà validare il sistema in modelli di flusso anatomicamente accurati e in contesti in vivo prima della traslazione clinica.