Deformation prediction and autonomous path planning for robot-assisted endovascular interventions

Endovascular interventions, as emerging medical therapies, utilize blood vessels as conduits to access anatomically challenging regions deep within the body. Within endovascular interventions, one of the prominent challenges involves maneuvering the instrument tip by coordinating insertion, retraction, and torque actions at the proximal end of the instrument. This intricate task is hindered by the presence of a complex mapping between input actions and resulting motion, rendering precise control and accurate targeting of the desired area difficult. Thanks to the introduction of robotic assistance and the steerability of robotic catheters, the complexity of endovascular interventions has been mitigated. The integration of steerable catheters and navigation guidance has the potential to reduce the level of expertise required for endovascular interventions. By leveraging autonomous navigation, path-related complications, such as perforation, embolization, and dissection, arising from excessive interaction forces between interventional tools and the vessels, can be effectively addressed and potentially reduced. Within the context of robotic catheters navigating through narrow, delicate, and deformable vessels, path planning presents significant challenges, particularly under complex operating conditions, stringent safety constraints, and the inherent limitations on catheter steering capability. Furthermore, the intricate interplay between the steerable catheter and vessel walls, coupled with the deformable nature of the vessels, intensifies the complexity of achieving reliable and real-time path planning, rendering it a hard problem to solve. This dissertation aims to develop a safe, accurate, and efficient path planner for steerable robotic catheters. Firstly, this dissertation provides a systematic literature analysis of path planning techniques, collating the findings from the most significant research contributions in the field employing the PRISMA method. In the first part of this dissertation, a novel path planning approach named BFS-GA is proposed, which effectively adheres to the robot curvature constraint while keeping the catheter's path as close to the vasculature's centerline as possible. This path planner is capable of swiftly calculating obstacle-free trajectories that conform to the patient's vasculature, while incorporating the inherent limitations of the catheter such as maximum curvature. A major challenge during autonomous navigation in endovascular interventions is the complexity of operating in a deformable but constrained workspace with an instrument. To address this, two methods are proposed in the second part of this dissertation to provide a realistic and dynamic environment for path planning. Specifically, a realistic, auto-adaptive, and visually plausible simulator is developed. This simulator has the capability to accurately predict the interplay between catheters and vessel walls. Additionally, it accounts for the deformable nature of the vessels induced by the cyclic heartbeat motion. In addition, a novel deformable model-to-image registration framework is designed to reconstruct comprehensive intra-operative vessel structures from medical imaging data, while accurately accounting for deformations. Given the dynamic vascular environments generated as above, a robust path planner named C-GAIL for steerable catheters is proposed in the third part of this dissertation. This path planner ensures higher precision and robustness by accounting for both the deformable properties of vessels and the catheter's steering capabilities. The \textit{in-vitro} experiments demonstrate that the path generated by the proposed C-GAIL path planner aligns better with the actual steering capability of robotic catheters. Thereafter, the dissertation presents an in-depth exploration of path planning assistance utilizing various interactive modalities based on augmented reality. Three interactive control modalities for steering robotic catheters are introduced, and their impact on human-in-the-loop robot-assisted cardiac catheterization is investigated. The path guidance is facilitated by the previously discussed C-GAIL path planning method. A user study is conducted, which demonstrates the feasibility of harnessing the capabilities of a gaming joystick for catheter teleoperation and the practicality of utilizing a head-mounted display to receive 3D visual feedback.

Gli interventi endovascolari, come terapie mediche emergenti, utilizzano i vasi sanguigni come condotti per accedere a regioni anatomicamente complesse all'interno del corpo. In tali interventi, una delle principali sfide è la manovra della punta dello strumento coordinando le azioni di inserimento, ritrazione e torsione all'estremità prossimale dello strumento. Questa complessa operazione è resa più difficile dalla presenza di una correlazione complessa tra le azioni di input e il movimento risultante, rendendo difficile il controllo preciso e il puntamento accurato dell'area desiderata. Grazie all'introduzione dell'assistenza robotica e alla manovrabilità dei cateteri robotici, la complessità degli interventi endovascolari è stata mitigata. L'integrazione di cateteri manovrabili e orientamenti di navigazione ha il potenziale per ridurre il livello di competenza richiesta per gli interventi endovascolari. Sfruttando la navigazione autonoma, le complicanze legate al percorso, come la perforazione, l'embolizzazione e la dissezione, derivanti dalle forze di interazione eccessive tra gli strumenti interventistici e i vasi sanguigni, possono essere affrontate in modo efficace e potenzialmente ridotte. Nel contesto dei cateteri robotici che si muovono attraverso vasi sanguigni stretti, delicati e deformabili, la pianificazione del percorso presenta significative sfide, in particolare in condizioni operative complesse, stringenti vincoli di sicurezza e le limitazioni intrinseche della capacità di manovra del catetere. Inoltre, l'interazione complessa tra il catetere manovrabile e le pareti dei vasi sanguigni, unita alla natura deformabile dei vasi stessi, intensifica la complessità nel raggiungere una pianificazione del percorso affidabile e in tempo reale, rendendo il problema difficile da risolvere. Questa dissertazione si propone di sviluppare un pianificatore di percorso sicuro, accurato ed efficiente per cateteri robotici manovrabili. Innanzitutto, la tesi fornisce un'analisi sistematica della letteratura sulle tecniche di pianificazione del percorso, raccogliendo i risultati delle più significative ricerche nel campo utilizzando il metodo PRISMA. Nella prima parte di questa tesi, viene proposto un nuovo approccio alla pianificazione del percorso chiamato BFS-GA, che rispetta efficacemente il vincolo di curvatura del robot, mantenendo il percorso del catetere il più vicino possibile alla linea centrale del sistema vascolare. Questo pianificatore del percorso è in grado di calcolare rapidamente percorsi privi di ostacoli che si adattano alla vascolarizzazione del paziente, considerando le limitazioni intrinseche del catetere, quali la massima curvatura. Una delle principali sfide durante la navigazione autonoma negli interventi endovascolari è la complessità di operare in uno spazio di lavoro deformabile ma vincolato con uno strumento. Per affrontare ciò, nella seconda parte di questa dissertazione sono proposti due metodi per creare un ambiente realistico e dinamico utile alla pianificazione del percorso. Specificamente, viene sviluppato un simulatore realistico, auto-adattivo e visivamente plausibile. Questo simulatore ha la capacità di prevedere accuratamente l'interazione tra cateteri e pareti dei vasi. Inoltre, tiene conto della natura deformabile dei vasi causata dal movimento ciclico del battito cardiaco. In aggiunta, viene progettato un nuovo framework di registrazione deformabile da modello a immagine per ricostruire strutture vascolari intra-operatorie complete dai dati di imaging medico, considerando accuratamente le deformazioni. Dato l'ambiente vascolare dinamico descritto in precedenza, nella terza parte di questa dissertazione viene proposto un robusto pianificatore di percorso chiamato C-GAIL per cateteri sterzabili. Questo pianificatore di percorso assicura una maggiore precisione e robustezza tenendo conto sia delle proprietà deformabili dei vasi sanguigni che delle capacità di manovra del catetere. Gli esperimenti in-vitro dimostrano che il percorso generato dal pianificatore C-GAIL si allinea meglio con la reale capacità di manovra dei cateteri robotici. Successivamente, la dissertazione presenta un'esplorazione approfondita dell'assistenza alla pianificazione del percorso utilizzando varie modalità interattive basate sulla realtà aumentata. Vengono introdotte tre modalità di controllo interattivo per manovrare cateteri robotici, e viene indagato il loro impatto sulla cateterizzazione cardiaca assistita da robot con interazione umana. La guida del percorso è facilitata dal metodo di pianificazione C-GAIL precedentemente discusso. Viene condotto uno studio utente che dimostra la fattibilità di sfruttare le capacità di un joystick da gioco per la teleoperazione del catetere e la praticità di utilizzare un display montato sulla testa per ricevere un feedback visivo tridimensionale.