Schatting van de katheter- en bloedvatvorm voor begeleiding van robotische katheters in endovasculaire chirurgie

Endovasculaire procedures zijn complexe, minimaal invasieve, chirurgische ingrepen, waarbij katheters door het bloedvatenstelsel van de patiënt gestuurd worden. De complexiteit van deze procedures vloeit voort uit de beperkte toegang tot het vatenstelsel: niet alleen moeten chirurgen terugvallen op externe beeldvorming, maar ook moeten ze een specifieke vaardigheden ontwikkelen om de katheters accuraat te sturen wanneer deze zich diep in de patiënt bevinden. Bij de huidige endovasculaire procedures maken chirurgen gebruik van röntgenopnames. Echter, dit stelt zowel de patiënten als de chirurgen bloot aan ioniserende straling en biedt enkel een beperkte 2D-visualisatie, waarop het moeilijk is de katheters en bloedvaten te lokaliseren. Verder zijn conventionele katheters moeilijk manoeuvreerbaar, omwille van hun intrinsieke flexibiliteit en de typische manuele bediening van buiten de patiënt. Vooruitgang in de robotica heeft gezorgd voor de ontwikkeling van robotische katheters, waarmee de complexiteit van endovasculaire chirurgie gereduceerd kan worden. In dergelijke katheters zijn extra actuatoren en sensoren geïntegreerd om meer controle te hebben over het uiteinde van de katheter en/of om het situatiebewustzijn van de chirurg en katheter te vergroten, zonder afhankelijk te zijn van röntgenstraling. Toch is veilige en robuuste katheternavigatie nog uitdagend, aangezien sensordata bewerkt moeten worden alvorens het relevante informatie wordt die de chirurg of katheter kan gebruiken voor navigatiebeslissingen. Deze uitdaging is bijzonder groot voor chirurgie in een vervormbare en kwetsbare omgevingen, zoals het menselijke bloedvatenvatenstelsel. De complexiteit van endovasculaire chirurgie kan dan ook leiden tot ongewenste bijwerkingen veroorzaakt door acuut contact tussen het katheteruiteinde en de vaatwand. Voorbeelden hiervan zijn perforatie van het bloedvat en embolisatie van verkalkte plaque met mogelijk kritische, neurologische gevolgen.

We stellen als werkhypothese voor dat het verhogen van het situatiebewustzijn van de chirurg en de katheter door i) robuuste reconstructie en lokalisatie van de kathetervorm in het bloedvat en ii) gelijktijdige schatting van de bloedvatgeometrie helpt om contact te voorkomen tussen het katheteruiteinde en de vaatwand. Dit proefschift heeft daarom als doel om probabilistische methoden te onderzoeken, ontwikkelen en evalueren voor het schatten van de vorm van de katheter en het bloedvat, zowel in silico als in vitro.

Een virtuele realiteitomgeving (VR-omgeving) werd ontwikkeld om robotische endovasculaire procedures te simuleren. VR biedt een configureerbare omgeving, waarin nieuwe apparaten, protocollen en algoritmes consistent en herhaaldelijk gevalideerd kunnen worden met betrouwbare grondwaarheden en zonder de veiligheid van de patiënt in het gedrang te brengen. De ontwikkelde VR-omgeving genereert aan een interactieve snelheid realistische kathetervormen en synthetische sensordata. Dit wordt gebruikt voor preliminaire, in silico testen en voor validatie van de verschillende benaderingen die in dit proefschrift onderzocht zijn.

Robuuste 3D-reconstructie van de kathetervorm werd bereikt dankzij een gespecialiseerd, probabilistisch model dat röntgenbeelden combineert met elektromagnetische (EM) metingen. De achterliggende gedachte is hier om röntgenbeelden enkel te gebruiken op risicovolle plaatsen om het effect van de typische verstoringen in de EM metingen te beperken. In silico en in vitro experimenten hebben aangetoond dat integratie van fluoroscopische informatie de kwaliteit van de reconstructie effectief verbeterd.

Tot slot werd een cilindermodel voorgesteld als een lokale benadering van het bloedvat, nabij de kathetertip. De parameters van de cilinder worden intraoperatief geschat met behulp van een recursieve Bayesiaanse filter, zodat EM metingen en intravasculair ultrageluid (IVUS) gecombineerd kunnen worden. Deze schattingsmethode maakt enkel gebruik van niet-ioniserende metingen en hangt ook niet af van statische, preoperatieve data. In silico en in vitro experimenten toonden aan dat het cilindermodel accuraat geschat kan worden, met uitzondering van de oriëntatie, waarvoor het actief aftasten van de omgeving in zekere mate nodig kan zijn. 

Samenvattend focust dit proefschift op het genereren van intraoperatieve terugkoppeling voor chirurgen en robotische katheters om hun bewustzijn van het chirurgisch werkveld te vergroten en om acuut contact te voorkomen tussen het katheteruiteinde en de vaatwand. Dergelijke intraoperatieve terugkoppeling kan de blootstelling aan röntgenstraling beperken, het risico op ongewenste bijwerkingen tijdens operaties reduceren en uiteindelijk leiden tot betere chirurgie resultaten.