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Die empirische selektive Drahtsondierung und ihre visuelle Darstellung als Grundlage für autonom robotisch gesteuerte Gefäßsondierungen
Die empirische selektive Drahtsondierung und ihre visuelle Darstellung als Grundlage für autonom robotisch gesteuerte Gefäßsondierungen
Einführung: Gegenstand dieser Dissertationsarbeit ist die empirische Gefäßsondierung: die Kombination von 2 Bewegungsachsen– Pendelbewegung und Rotation- macht sie wiederholbar und objektivierbar. Sie kann -per Hand durchgeführt- als Alternative zur herkömmlichen Sondierungstechnik dienen, aber auch automatisiert durch eine technische Vorrichtung durchgeführt werden. Somit kann sie als Grundlage für das erste voll automatische robotische Systems für endovaskuläre Interventionen dienen. Material und Methode: Zunächst wurden 40 Durchleuchtungsserien aus Interventionen von PatientInnen nachbearbeitet, die während einer empirischen Drahtsondierung aufgezeichnet worden waren. Die Interventionen (Uterusmyomembolisationen, Interventionen im Bereich der Niere, der Leber und des Beins) wurden auf die in der Abteilung übliche Art und Weise durchgeführt und in keiner Weise beeinflusst. Zur Verwendung kamen u.a. die Software Syngo iFlow der Firma Siemens, durch die alle Bilder einer Durchleuchtungsserie in einem Bild zusammengefasst werden konnten. Es wurden Gefäßbaum-Modelle aus Acrylglas hergestellt und per Hand in empirischer Technik sondiert. Im nächsten Schritt wurde eine maschinelle Vorrichtung hergestellt, die in der Lage ist, die empirische Drahtsondierung durchzuführen. Während der Sondierungen der Modelle per Hand und durch die maschinelle Vorrichtung wurden Durchleuchtungsserien gewonnen und mit o.g. Software nachbearbeitet. Die Erhebung der Daten und Durchführung der Versuche erfolgte im Zeitraum von Februar 2013 bis Mai 2015. Ergebnisse: Bei der händischen empirischen Sondierung in vitro zeigte sich, dass mit der richtigen Frequenz bei Rotations- und Pendelbewegung alle Abzweigungen mit einem Abzweigungswinkel von > 90 Grad gut erreicht wurden. Bei der Nachbearbeitung der Durchleuchtungsserien von PatientInnen, bei denen die Drahtsondierung empirisch durchgeführt worden war, imponierten im Vergleich zur Sondierung der Gefäßbaummodelle insgesamt mehr Abzweigungen und einer größere zurückgelegte Strecke. Eine weitere Bewegungskomponente, nämlich das Vorschieben des Drahtes, sobald auf dem Weg die gewünschte Abzweigung erreicht war, kam zum Einsatz. Durch Nachbearbeitung mit o.g. Software entstand ein vergleichbares zweidimensionales Bild des Gefäßbaumabschnitts. Bei der Sondierung durch die selbst hergestellte maschinelle Vorrichtung gelangte das Drahtende in alle Abzweigungen mit Abzweigungswinkel >90 Grad, nachdem im Vorhinein die Frequenz der Rotation und der Pendelbewegung angepasst worden waren. Gegenüber der Sondierung per Hand imponierte eine größere Regelmäßigkeit der Bewegung, die Versuche waren wiederholbar. Die Grenzen der Anwendung stellt eine besonders komplexe Anatomie dar. Diskussion: Bei der empirische Gefäßsondierung per Hand spielen im Vergleich zur herkömmlichen zielgerichteten Drahtsondierung Erfahrung, räumliches Vorstellungsvermögen und Geschicklichkeit eine weniger wichtige Rolle. Die maschinelle empirische Drahtsondierung ist objektivierbar, denn die einzelnen Komponenten stehen fest. Sie kann als Grundlage für den Entwurf eines autonom gesteuerten robotischen Systems zur Gefäßsondierung dienen. Dafür müsste der Draht bei Erreichen der richtigen Abzweigung gestoppt und bis zur nächsten relevanten Abzweigung vorgeschoben werden. Die jeweiligen Abzweigungen müssten wie bei einem handelsüblichen Navigationssystem vorher festgelegt werden., Introduction: The subject of this dissertation is empirical vascular probing: By combining 2 axes of motion- pendulum motion and rotation- it is repeatable and objectifiable. Performed per hand it can serve as an alternative to the conventional probing technique. Automated it can be carried out by a technical device. Thus, it can serve as the basis for the first fully automated robotic system for endovascular interventions. Material and Methods: First, 40 fluoroscopy series from interventions of patients were post-processed, which were recorded during empirical wire probing. The interventions (uterine myoma embolizations, interventions in the kidney, liver and leg) were performed in the departments usual way and were not influenced in any way. The software used was e.g. Syngo iFlow from Siemens, through which all images of a fluoroscopic series could be combined into one image. Vascular tree models were made of acrylic glass and probed by hand using the empirical technique. In the next step, a mechanical device was manufactured, which is able to perform the empirical wire probing. During the probing of the models by hand and by the mechanical device, fluoroscopy series were obtained and post-processed with the above mentioned software. The data collection and execution of the experiments took place from February 2013 to May 2015. Results: Manual empirical probing in vitro showed that with the correct frequency in rotational and pendulum motion, all branches with a branch angle of > 90 degrees were reached. In the post-processing of the fluoroscopy series of patients in whom wire probing had been performed empirically, more bifurcations and a greater distance probed overall were apparent in comparison to the probing of the acrylic glass models. Another movement component, the advancing oft the probing wire as soon as the desired branch was reached, was apparent. Post-processing with the aforementioned software produced a comparable two-dimensional image of the vascular tree. During probing by the self-made mechanical device, the wire end reached all branches with branch angles >90 degrees, after the frequency of rotation and pendulum movement had been adjusted in advance. Compared to probing by hand, a greater regularity of the movement was impressive. The experiments were repeatable. Limitations of the application are a particularly complex anatomy. Discussion: In empirical vascular probing by hand experience and manual dexterity are much less imperative than in conventional targeted wire probing. Empirical wire probing by a mechanical device can be objectified as the individual components are definite. It can serve as a basis for designing an autonomously controlled robotic system for vascular probing. For this, the wire would have to be stopped when the correct vascular branch is reached and be moved to the next relevant branch. The respective branches would have to be determined in advance similar to commercial navigation system.
Syngo i Flow, empirische Drahtsondierung, automatische Gefäßsondierung, robotische Gefäßsondierung, vollautomatische robotische endovaskuläre Intervention
Segler, Veronika
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Segler, Veronika (2021): Die empirische selektive Drahtsondierung und ihre visuelle Darstellung als Grundlage für autonom robotisch gesteuerte Gefäßsondierungen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Einführung: Gegenstand dieser Dissertationsarbeit ist die empirische Gefäßsondierung: die Kombination von 2 Bewegungsachsen– Pendelbewegung und Rotation- macht sie wiederholbar und objektivierbar. Sie kann -per Hand durchgeführt- als Alternative zur herkömmlichen Sondierungstechnik dienen, aber auch automatisiert durch eine technische Vorrichtung durchgeführt werden. Somit kann sie als Grundlage für das erste voll automatische robotische Systems für endovaskuläre Interventionen dienen. Material und Methode: Zunächst wurden 40 Durchleuchtungsserien aus Interventionen von PatientInnen nachbearbeitet, die während einer empirischen Drahtsondierung aufgezeichnet worden waren. Die Interventionen (Uterusmyomembolisationen, Interventionen im Bereich der Niere, der Leber und des Beins) wurden auf die in der Abteilung übliche Art und Weise durchgeführt und in keiner Weise beeinflusst. Zur Verwendung kamen u.a. die Software Syngo iFlow der Firma Siemens, durch die alle Bilder einer Durchleuchtungsserie in einem Bild zusammengefasst werden konnten. Es wurden Gefäßbaum-Modelle aus Acrylglas hergestellt und per Hand in empirischer Technik sondiert. Im nächsten Schritt wurde eine maschinelle Vorrichtung hergestellt, die in der Lage ist, die empirische Drahtsondierung durchzuführen. Während der Sondierungen der Modelle per Hand und durch die maschinelle Vorrichtung wurden Durchleuchtungsserien gewonnen und mit o.g. Software nachbearbeitet. Die Erhebung der Daten und Durchführung der Versuche erfolgte im Zeitraum von Februar 2013 bis Mai 2015. Ergebnisse: Bei der händischen empirischen Sondierung in vitro zeigte sich, dass mit der richtigen Frequenz bei Rotations- und Pendelbewegung alle Abzweigungen mit einem Abzweigungswinkel von > 90 Grad gut erreicht wurden. Bei der Nachbearbeitung der Durchleuchtungsserien von PatientInnen, bei denen die Drahtsondierung empirisch durchgeführt worden war, imponierten im Vergleich zur Sondierung der Gefäßbaummodelle insgesamt mehr Abzweigungen und einer größere zurückgelegte Strecke. Eine weitere Bewegungskomponente, nämlich das Vorschieben des Drahtes, sobald auf dem Weg die gewünschte Abzweigung erreicht war, kam zum Einsatz. Durch Nachbearbeitung mit o.g. Software entstand ein vergleichbares zweidimensionales Bild des Gefäßbaumabschnitts. Bei der Sondierung durch die selbst hergestellte maschinelle Vorrichtung gelangte das Drahtende in alle Abzweigungen mit Abzweigungswinkel >90 Grad, nachdem im Vorhinein die Frequenz der Rotation und der Pendelbewegung angepasst worden waren. Gegenüber der Sondierung per Hand imponierte eine größere Regelmäßigkeit der Bewegung, die Versuche waren wiederholbar. Die Grenzen der Anwendung stellt eine besonders komplexe Anatomie dar. Diskussion: Bei der empirische Gefäßsondierung per Hand spielen im Vergleich zur herkömmlichen zielgerichteten Drahtsondierung Erfahrung, räumliches Vorstellungsvermögen und Geschicklichkeit eine weniger wichtige Rolle. Die maschinelle empirische Drahtsondierung ist objektivierbar, denn die einzelnen Komponenten stehen fest. Sie kann als Grundlage für den Entwurf eines autonom gesteuerten robotischen Systems zur Gefäßsondierung dienen. Dafür müsste der Draht bei Erreichen der richtigen Abzweigung gestoppt und bis zur nächsten relevanten Abzweigung vorgeschoben werden. Die jeweiligen Abzweigungen müssten wie bei einem handelsüblichen Navigationssystem vorher festgelegt werden.

Abstract

Introduction: The subject of this dissertation is empirical vascular probing: By combining 2 axes of motion- pendulum motion and rotation- it is repeatable and objectifiable. Performed per hand it can serve as an alternative to the conventional probing technique. Automated it can be carried out by a technical device. Thus, it can serve as the basis for the first fully automated robotic system for endovascular interventions. Material and Methods: First, 40 fluoroscopy series from interventions of patients were post-processed, which were recorded during empirical wire probing. The interventions (uterine myoma embolizations, interventions in the kidney, liver and leg) were performed in the departments usual way and were not influenced in any way. The software used was e.g. Syngo iFlow from Siemens, through which all images of a fluoroscopic series could be combined into one image. Vascular tree models were made of acrylic glass and probed by hand using the empirical technique. In the next step, a mechanical device was manufactured, which is able to perform the empirical wire probing. During the probing of the models by hand and by the mechanical device, fluoroscopy series were obtained and post-processed with the above mentioned software. The data collection and execution of the experiments took place from February 2013 to May 2015. Results: Manual empirical probing in vitro showed that with the correct frequency in rotational and pendulum motion, all branches with a branch angle of > 90 degrees were reached. In the post-processing of the fluoroscopy series of patients in whom wire probing had been performed empirically, more bifurcations and a greater distance probed overall were apparent in comparison to the probing of the acrylic glass models. Another movement component, the advancing oft the probing wire as soon as the desired branch was reached, was apparent. Post-processing with the aforementioned software produced a comparable two-dimensional image of the vascular tree. During probing by the self-made mechanical device, the wire end reached all branches with branch angles >90 degrees, after the frequency of rotation and pendulum movement had been adjusted in advance. Compared to probing by hand, a greater regularity of the movement was impressive. The experiments were repeatable. Limitations of the application are a particularly complex anatomy. Discussion: In empirical vascular probing by hand experience and manual dexterity are much less imperative than in conventional targeted wire probing. Empirical wire probing by a mechanical device can be objectified as the individual components are definite. It can serve as a basis for designing an autonomously controlled robotic system for vascular probing. For this, the wire would have to be stopped when the correct vascular branch is reached and be moved to the next relevant branch. The respective branches would have to be determined in advance similar to commercial navigation system.