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

Resumo Técnico: Dispositivo Robótico Portátil Háptico para Navegação Automatizada de Guia

Definição do Problema
A terapia endovascular oferece vantagens significativas em relação à cirurgia aberta, incluindo acesso minimamente invasivo e recuperação mais rápida. No entanto, os procedimentos atuais guiados por fluoroscopia dependem fortemente da destreza manual e da experiência de operadores altamente qualificados. Essa dependência cria barreiras em cenários críticos de tempo ou com recursos limitados (ex.: pré-hospitalar de trauma, clínicas rurais ou incidentes com múltiplas vítimas) onde especialistas treinados podem estar indisponíveis. Além disso, os sistemas de navegação robótica existentes (ex.: Corindus, Sensei) são tipicamente grandes, conectados a infraestruturas de imagem de nível hospitalar e carecem de autonomia real ou feedback tátil. Essas limitações impedem sua implantação em ambientes austeros e deixam os operadores vulneráveis à exposição à radiação e lesões vasculares devido à ausência de detecção de força em tempo real. Existe uma lacuna crítica para um sistema inteligente e portátil capaz de navegação autônoma de fios-guia com consciência háptica.

Metodologia
Os autores desenvolveram um dispositivo robótico leve (400 g), portátil, projetado para replicar as manobras manuais de um intervencionista: avanço linear e rotação axial de um fio-guia.

• Design Mecânico: O dispositivo apresenta um formato compacto (160 × 75 × 90 mm) construído em resina impressa em 3D e plástico ABS. Utiliza um servo Dynamixel 2XC430 de dois eixos para o avanço linear primário e rotação, suportado por três servos miniatura KST X06 para preensão e movimentos de torção finos do tipo "dedo". Um mecanismo de cremalheira e pinhão facilita a ação de torção, enquanto coberturas de ponta de dedo de silicone evitam o deslizamento.
• Arquitetura de Controle: O sistema é controlado por um Raspberry Pi 4 executando software baseado em Python. Emprega uma estratégia de controle de duas camadas:
  1. Máquina de Estados Finitos (FSM): Mimica o comportamento do clínico ao monitorar a corrente do motor como um substituto para a força de contato. Quando a corrente excede um limiar ($F_{touch}$), indicando resistência, a FSM aciona uma rotina de retração e rotação (seja uma rotação axial de 90° ou uma torção semelhante à humana) para navegar em torno de obstruções.
  2. Controle de Impedância: Para lidar com a rigidez variável das lesões, o sistema implementa um modelo de massa-mola-amortecedor. Ao detectar o contato, o robô realiza uma sondagem de 1 mm para medir a mudança na corrente do motor ($\Delta I$) e o deslocamento ($\Delta x$). Com base nessas métricas, a obstrução é classificada como Macia, Média ou Rígida. O controlador então ajusta dinamicamente os ganhos de massa virtual, amortecimento e rigidez para modular a velocidade de empuxo e a força aplicada, garantindo comportamento complacente em tecidos moles e controle mais firme em lesões calcificadas.
• Configuração Experimental: A validação foi conduzida usando uma configuração de bancada modular com tubos de silicone flexíveis (diâmetro interno de 15 mm) simulando a aorta. Insertos customizados impressos em 3D criaram estenoses de severidade de 20%, 40%, 60% e 80%. Os experimentos utilizaram materiais de obstrução rígidos e flexíveis (Resina Flexível Formlabs 80A). Dois limiares de sensibilidade de detecção (7ção mA e 94 mA) foram testados em um total de 160 ensaios.

Principais Resultados

• Desempenho de Navegação: O robô navegou com sucesso por todos os níveis de estenose simulados. À medida que a severidade da estenose aumentava de 20% para 80%, o número de retrações necessárias aumentava de forma previsível, validando a estratégia de detecção baseada em força. Uma maior sensibilidade de detecção (75 mA) resultou em retrações mais frequentes em todos os níveis de estenose em comparação com a linha de base (94 mA).
• Classificação de Rigidez: O sistema demonstrou alta precisão na classificação da rigidez da lesão. Em um conjunto separado de 60 ensaios usando propriedades distintas de materiais, o robô alcançou F-scores de 0,95 para rígido, 0,83 para macio e 0,77 para médio em obstruções. Lesões rígidas foram identificadas com a maior precisão devido ao aumento abrupto da corrente e deslocamento mínimo.
• Interação de Materiais: A análise estatística (ANOVA de três vias) confirmou que as contagens de retração foram significativamente influenciadas pela severidade da estenose, sensibilidade de detecção e rigidez do material. O sistema mostrou uma sensibilidade mais forte aos limiares de detecção em obstruções rígidas comparadas às flexíveis.

Significância e Alegações
O artigo afirma que este protótipo representa um passo significativo em direção à terapia endovascular acessível e independente de operador. Suas principais contribuições incluem:

1. Portabilidade e Autonomia: Diferente dos sistemas atuais vinculados ao ambiente hospitalar, este dispositivo é alimentado por bateria, sem cabos e pequeno o suficiente para implantação em ambulâncias, hospitais de campanha ou zonas de desastre.
2. Háptica de Baixo Custo: Alcança feedback tátil em tempo real e navegação adaptativa usando apenas a detecção da corrente interna do motor, eliminando a necessidade de sensores de força externos caros ou infraestrutura de imagem complexa.
3. Segurança e Adaptabilidade: A estratégia de controle de impedância permite que o robô se adapte a diferentes tipos de tecido, potencialmente reduzindo o risco de perfuração vascular e hemorragia.
4. Potencial Clínico: Os autores sugerem que o sistema pode facilitar procedimentos vitais como REBOA (Oclusão Endovascular Balonada Resuscitativa da Aorta) e TEVAR em ambientes pré-hospitalares, ou servir como uma ferramenta de pré-posicionamento para trombectomia no cuidado de AVC agudo, preenchendo a lacuna até que o cuidado definitivo esteja disponível.

Os autores mantêm um tom modesto quanto às limitações, reconhecendo que os testes atuais foram restritos a modelos de tubo de lúmen único estático, sem fluxo sanguíneo ou ramificações anatômicas complexas. Eles observam que trabalhos futuros devem validar o sistema em modelos de fluxo anatomicamente precisos e em ambientes in vivo antes da tradução clínica.