Modeling of a tendon-driven steerable catheter for Structural Intervention Cardiology

Structural Intervention Cardiology (SIC) is a mini-invasive intervention with a catheter based approach for cardiac surgery. SIC procedures are becoming increasingly popular as they are associated with reduced trauma, shorter hospitalization time, and comparable effectiveness with respect to open chest surgery. However, there are still some significant drawbacks to SIC, such as patient and operators exposure to x-rays, procedures are not ergonomic and technically demanding, as the operator must maneuver the proximal end of the catheter to define the motion of the distal end. The Artery European project aims to introduce a procedure for Mitral Valve repair that is easier to learn and perform thanks to an autonomous steerable and controllable robotic catheter system. This thesis aim is to develop a kinematic model for the commercially-available MitraClip (MC) catheter in order to translate the surgeon input into a set of actions to be performed by the catheter. As a result, the catheter will be able to reach the desired position autonomously. To achieve this result, we propose an analytical model of the catheter, to map the task space with the actuation space, considering all the constraints. In the first phase of the work, the MitraClip catheter was studied in its details to fully understand the design, actuation strategy and physical and geometrical properties. Subsequently, both the Forward (FK) and the Inverse Kinematic (IK) model were implemented using the Cosserat Rod Theory. The model was first developed and tested in simulation, comparing the results obtained by the IK with the results obtained in FK case. The results obtained in simulation are very promising as the average error in tip positioning is 1.85 ± 1.35 10^−2 mm. The method is then tested on the real catheter to verify its accuracy in following a desired trajectory in an open-loop control condition. The average error along X, Y and Z directions between the desired trajectory and the one obtained in open-loop are 3.52±1.59 mm, 0.45±1.77 mm and 3.44±1.7 mm, respectively. The results indicate that the proposed approach is able to position the tip of the catheter within an acceptable range for an open-loop control.

La cardiologia interventistica strutturata (SIC) è un intervento mini-invasivo con un approccio basato sull’utilizzo di un catetere per la chirurgia cardiaca. Le procedure SIC stanno diventando sempre più popolari in quanto associate a traumi ridotti, tempi di ricovero più brevi e con una efficacia paragonabile a quella della chirurgia toracica a cuore aperto. Tuttavia, a queste procedure sono associate una serie di significativi inconvenienti, come l’esposizione ai raggi X e il fatto che siano procedure non ergonomiche e tecnicamente esigenti, in quanto l’operatore deve manovrare l’estremità prossimale del catetere per definire il movimento dell’estremità distale. Il progetto europeo Artery mira a introdurre una procedura per la riparazione della valvola mitrale che sia più facile da imparare e da eseguire grazie ad un catetere robotizzato orientabile e controllabile in modo autonomo. Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un modello cinematico per il sistema disponibile in commercio MitraClip (MC) in modo da tradurre l’input del chirurgo in un insieme di azioni che devono essere eseguite dal catetere. In questo modo, il catetere sarà in grado di raggiungere autonomamente la posizione desiderata. Per raggiungere questo risultato proponiamo un modello analitico del catetere, in grado di mappare lo spazio di attività con lo spazio di attuazione, considerando tutti i suoi vincoli. Nella prima fase del lavoro, il catetere MitraClip è stato studiato nei suoi dettagli per comprenderne la progettazione, la strategia di attuazione e le proprietà fisiche e geometriche. Successivamente, sia il modello diretto (FK) che il modello Inverso (IK) sono stati implementati utilizzando la teoria di Cosserat Rod. Il modello è stato sviluppato e testato in primo luogo in simulazione compararando i risultati ottenuti dall’IK con quelli ottenuti nel caso FK. I risultati ottenuti in simulazione sono molto promettenti siccome l’errore medio nel posizionamento della clip è 1,85±1,35 10^−2 mm. Il metodo è stato poi testato sul catetere reale per verificarne l’accuratezza seguendo una traiettoria desiderata in una condizione di controllo ad anello aperto. L’errore medio lungo le tre direzioni X, Y e Z tra la traiettoria desiderata e quella ottenuta sono 3,52±1,59 mm, 0,45±1,77 mm e 3,44±1,7 rispettivamente. I risultati indicano che l’approccio proposto è in grado di posizionare la punta del catetere entro un livello accettabile per un controllo ad anello aperto.