Towards autonomous transseptal puncture for heart minimally invasive surgery

Minimally invasive cardiac surgery is a modern surgical approach that involves accessing the heart through a small incision on the patient's skin, ensuring less trauma for the patient and a shorter hospital stay. Its popularity has grown steadily over the last few decades, along with its technical improvements, giving rise to transcatheter surgical intervention. Transcatheter cardiac intervention is a widely used approach to treat structural heart disease by accessing the heart through a catheter inserted into the femoral vein. When accessing the left heart, this type of intervention requires crossing the interatrial septum through a procedure known as transseptal puncture. In recent years, the importance of transseptal puncture has increased in line with the proliferation of transcatheter cardiac interventions. Precise transseptal puncture is critical in procedures such as mitral valve edge-to-edge repair (MitraClip implantation), a surgical procedure aimed at treating mitral valve regurgitation using a transcatheter implanted clip that grips the valve leaflets. The transseptal puncture procedure involves perforating the fossa ovalis, an oval depression in the interatrial septum. The technical complexity of transseptal puncture is high and a thorough knowledge of the anatomy of the interatrial septum, of the steps of the procedure, of the equipment available and of the correct image guidance procedure are required to perform transseptal puncture correctly. Another aspect that makes this procedure so delicate is the use of fluoroscopic guidance. To reduce the impacts on the health of both the patient and the surgeon the permanence under fluoroscopy instrumentation should be minimized. A robotic approach can be designed to increase the safety of the procedure. Robotic applications in cardiac surgery are becoming more widespread and research is showing promising results in this area. It is essential to find a way to reduce the potential damage to surrounding cardiac tissues in the event of unforeseen heart movements or unmodeled anatomical shapes. The strategy chosen in this thesis is to implement an impedance controller that controls the movement of the needle. The reason for this choice is that the compliant behaviour obtained thanks to the impedance controller keeps the contact forces lower compared to the motion controller in case of unforeseen heart tissue contact. This thesis will present a comparison between punctures performed with an impedance and with a motion controller by means of a newly developed performance index able to evaluate the safety of the puncture parameters. To test the effects of the puncture parameters in an accurate way a simulator of the fossa ovalis will be designed and validated.

La cardiochirurgia mininvasiva è un approccio chirurgico moderno che consiste nel raggiungere il cuore attraverso una piccola incisione sulla pelle del paziente, garantendo un ridotto trauma per il paziente e una minore degenza ospedaliera. La sua diffusione è cresciuta costantemente negli ultimi decenni insieme ai suoi miglioramenti tecnici, dando vita ad un approccio chirurgico transcatetere. L'intervento cardiaco transcatetere è un approccio ampiamente utilizzato per il trattamento di patologie cardiache strutturali, raggiungendo il cuore con un catetere inserito mediante un accesso femorale. Per accedere al cuore sinistro questo tipo di intervento richiede il passaggio attraverso il setto interatriale grazie alla cosiddetta " puntura transettale". Negli ultimi anni l'importanza della puntura transettale è cresciuta di pari passo con la diffusione degli interventi cardiaci transcatetere Una puntura transettale precisa è fondamentale in procedure come la riparazione della valvola mitrale edge-to-edge (impianto di MitraClip), una procedura chirurgica volta a trattare il rigurgito della valvola mitrale grazie a una clip impiantata per via transcatetere che afferra i foglietti valvolari. La procedura di puntura transettale consiste nella perforazione della fossa ovalis, una depressione di forma ovale nel setto interatriale. La complessità tecnica della puntura transettale è elevata e per eseguirla correttamente è necessaria una profonda conoscenza dell'anatomia del setto interatriale, delle fasi della procedura, delle apparecchiature disponibili assieme alle conoscenze necessarie per svolgere una corretta guida per immagini. Un altro aspetto che rende questa procedura così delicata è il possibile uso della guida fluoroscopica. Per ridurre l'impatto sulla salute del paziente e del chirurgo, la permanenza della strumentazione sotto fluoroscopia deve essere ridotta al minimo. Per aumentare la sicurezza della procedura è possibile progettare un approccio robotico. Le applicazioni robotiche in cardiochirurgia si stanno diffondendo e la ricerca mostra risultati promettenti in questo campo. È fondamentale trovare un modo per ridurre i possibili danni ai tessuti cardiaci circostanti in caso di movimenti imprevisti del cuore o di forme anatomiche non modellate. La strategia scelta in questa tesi è quella di implementare un controllore di impedenza che guida il movimento dell'ago. La ragione di questa scelta è che il comportamento conforme ottenuto grazie al controllore di impedenza mantiene le forze di contatto più basse rispetto al controllore di movimento in caso di contatto imprevisto con il tessuto cardiaco. Questa tesi presenterà un confronto tra le punture eseguite con un'impedenza e con un controllore di movimento per mezzo di un indice di performance di nuova concezione in grado di valutare la sicurezza della puntura. Parametri. Per verificare gli effetti dei parametri di puntura in modo accurato, verrà progettato e convalidato un simulatore della fossa ovalis.