Eine erste in der medizinischen Robotik: autonome navigation innerhalb des Körpers: Roboter-Katheter, mit einer neuartigen sensor-informiert durch KI und der Bildverarbeitung, macht seinen eigenen Weg, um eine undichte Herzklappe

Biotechnologen Kenntnisse am Boston Children ‚ s Hospital report die erste demonstration der Roboter in der Lage, eigenständig zu navigieren innerhalb des Körpers. In einem Tiermodell der Herzklappe reparieren, das team programmiert einen Roboter Katheter zu finden, seinen Weg entlang der Wände eine schlagen, mit Blut gefüllte Herz an einem undichten Ventil-ohne dass ein Arzt die Führung. Sie berichten über Ihre arbeiten heute in der Wissenschaft der Robotik.

Chirurgen verwendet haben Roboter betrieben von joysticks für mehr als ein Jahrzehnt, und die teams haben gezeigt, dass winzige Roboter, gesteuert werden kann durch den Körper durch äußere Kräfte wie Magnetismus. Jedoch, leitender Ermittler Pierre Dupont, PhD, Leiter der Pädiatrischen Herz-Bioingenieurwesen an der Boston Kinder, sagt, dass seines Wissens ist dies der erste Bericht über das äquivalent eines self-driving car Navigation zu einem gewünschten Ziel innerhalb des Körpers.

Dupont sieht autonome Roboter unterstützen Chirurgen in komplexen Operationen, die Verringerung von Müdigkeit und befreien Chirurgen konzentrieren sich auf die meisten schwierigen Manöver, Verbesserung der Lernergebnisse.

„Der richtige Weg, um darüber nachzudenken, ist durch die Analogie von einem Kampfjet und ein Kämpfer-Flugzeug“, sagt er. „Der Kämpfer-Flugzeug übernimmt die routine-Aufgaben wie das Flugzeug, so kann der pilot den Fokus auf die übergeordneten Aufgaben der mission.“

Touch-guided vision, informiert, gesteuert von einer KI

Das team der Roboter-Katheter navigiert mit einem optischen touch-sensor entwickelt, in Dupont ‚ s lab, informiert von eine Karte der kardialen Anatomie und der Prä-scans. Der touch-sensor nutzt künstliche Intelligenz (AI) und algorithmen für die Bildverarbeitung zu ermöglichen, wird der Katheter um herauszufinden, wo es ist, im Herzen und wo es gehen muss.

Für die demo, das team durchgeführt, ein technisch hoch anspruchsvolles Verfahren, bekannt als paravalvular aortic-Leck-Verschluss, der Reparaturen Ersatz-Herzklappen, die begonnen haben, undicht an den Rändern. (Das team konstruiert seine eigene Ventile für die Experimente.) Sobald die Roboter-Katheter erreicht die Leckstelle, ein erfahrener Herzchirurg übernahm die Kontrolle und eingefügt, ein Stecker in der Nähe des Lecks.

In wiederholten Studien, die Roboter-Katheter erfolgreich navigiert zu Herz-Ventil-Lecks in etwa die gleiche Zeit wie der Chirurg (entweder mit einem Handwerkzeug oder einem joystick-controlled robot).

Biologisch inspirierte navigation

Durch eine Navigations-Technik namens „Wand folgenden,“ die Roboter-Katheter optischen touch-sensor abgetastet seiner Umgebung in regelmäßigen Abständen, in der Art von Insekten-Antennen oder die schnurrbarthaare des Nagers Probe Ihrer Umgebung zu erstellen mental maps von unbekannten, dunklen Umgebungen. Der sensor erzählte den Katheter, ob es rührend war Blut, der Herz Wand oder ein Ventil (durch Bilder von einer Spitze montierten Kamera) und wie schwer es war, drücken Sie (, um es zu halten zu beschädigen, das schlagende Herz).

Daten aus der präoperativen Bildgebung und machine-learning-algorithmen half den Katheter interpretieren von visuellen Funktionen. Auf diese Weise werden die Roboter-Katheter erweitert sich von der Basis des Herzens, entlang der Wand der linken herzkammer, und um das undichte Ventil, bis es erreicht den Ort des Lecks.

„Die algorithmen, die helfen, den Katheter herauszufinden, welche Art von Gewebe es ist berühren, wo es in die Herzen, und, wie es sich entscheiden sollte, seine nächste Bewegung zu bekommen, wo wir hin wollen,“ Dupont erklärt.

Obwohl die autonomen Roboter ein bisschen länger gedauert als der Chirurg erreichen Sie die undichte Ventil, dessen Wand-folgenden-Technik bedeutete, dass es dauerte den längsten Pfad.

„Die navigation zu der Zeit war statistisch äquivalent für alle, die wir denken, ist ziemlich beeindruckend gegeben, dass Sie in die mit Blut gefüllte schlagenden Herzen, und versuchen zu erreichen, eine millimeter-Skala den Gegner auf ein bestimmtes Ventil“, sagt Dupont.

Er fügt hinzu, dass der Roboter die Fähigkeit zu visualisieren, und das Gefühl seiner Umwelt kann die Notwendigkeit beseitigen, für die fluoroskopische Bildgebung, die in der Regel in diesem Betrieb und macht den Patienten gegenüber ionisierender Strahlung.

Eine vision der Zukunft?

Dupont sagt, dass das Projekt war die größte Herausforderung seiner Karriere. Während der Kardiochirurgischen Kollegen, die durchgeführt die Operationen auf Schweine -, war in der Lage zu entspannen, während die Roboter gefunden, das Ventil leckt, das Projekt war anstrengend für Dupont engineering fellows, die hatte manchmal umprogrammieren der Roboter mid-Vorgang, wie Sie perfektionierte die Technik.

„Ich erinnere mich an Zeiten, wenn die Ingenieure in unserem team ging aus dem ODER völlig erschöpft, aber wir haben es geschafft, um es auszuziehen“, sagt Dupont. „Jetzt haben wir gezeigt, autonome navigation, viel mehr möglich ist.“

Einige Herz-interventionalists, die Kenntnis von Dupont arbeiten vorstellen, den Einsatz von Robotern für mehr als navigation, Durchführung von regelmäßigen Herz-mapping-Aufgaben, zum Beispiel. Einige stellen sich das Technologie bietet Beratung bei besonders schwierigen oder ungewöhnlichen Fällen oder die Unterstützung bei Operationen in teilen der Welt, dass das fehlen von sehr erfahrenen Chirurgen.

Als die Food and Drug Administration zu entwickeln beginnt, einen Rechtsrahmen für die AI-fähigen Geräten, Dupont sieht die Möglichkeit der autonomen op-Roboter auf der ganzen Welt bündeln Ihre Daten kontinuierlich zu verbessern die Leistung über der Zeit-ähnlich wie self-driving vehicles in das Feld senden Ihre Daten zurück zu Tesla zu verfeinern Ihre algorithmen.

„Dies würde nicht nur die Wettbewerbsbedingungen, es anheben würde“, sagt Dupont. „Jeder Arzt in der Welt sein würde, Betrieb mit Qualifikation und Erfahrung entspricht, um die besten in Ihrem Bereich. Dies war schon immer das Versprechen von medizinischen Robotern. Autonomie kann das sein, was wird uns dort.“

Die Studie wurde finanziert von der National Institutes of Health (R01HL124020), mit teilweiser Unterstützung aus dem ANR/SGF mit investissement d ‚ avenir-Programm. Dupont und seine Mitautoren sind Erfinder in US-patent gehalten von Boston Children ‚ s Hospital, umfasst die optische Bildgebung.