Design and development of a C-Arm prototype for in vitro transcatheter procedures under simulated fluoroscopic guidance

Transcatheter cardiac procedures (TCP) have emerged as a less invasive alternative to open-heart surgery. However, their dependance on fluoroscopic imaging for intraoperative navigation requires extensive training, which is difficult to provide with traditional methods that use cadavers and animal models due to radiation exposure and ethical concerns. Moreover, existing simulators fail to fully replicate procedural complexity, as they depend on key factors such as haptic feedback, anatomical accuracy, imaging simulation, and cost accessibility, limiting skill acquisition. This study aims to address these challenges by developing a novel C-Arm prototype for in vitro TCP under simulated fluoroscopic guidance. Specifically, Transcatheter Aortic Valve Implantation is considered as clinical use case. A 3D-printed C-Arm prototype was designed to replicate clinical fluoroscopy system movements. A C-Arm Actuation and Control Unit enabled precise positioning within an Anatomical Workspace (AW), integrating a patient specific aortic phantom. A Fluoroscopic Imaging Simulation Framework, based on DeepDRR, generated high-fidelity X-Ray images, while a real-time tracking system monitored the surgical instrument navigation within the AW. Finally, a cross-correlation algorithm allowed the superimposition of interventional tool onto the generated X-Ray images for different C-Arm angular combinations. The C-Arm prototype achieved high positional accuracy, with minimal deviation across repeated measurements. The superimposition of actual catheter’s position onto simulated X-Ray images achieved a correlation coefficient above 0.9 for most angle combinations. Moreover, the cardiac surgeon’s evaluation highlighted the system’s usability, procedural realism, and potential as an effective training tool. In conclusion, the simulator developed in this study represents an innovative and adaptable solution for training in TCP. Its key strength lies in its modularity, allowing adaptation to different anatomies and other TCP through the generation of patient-specific anatomical models and customized X-Ray datasets in the radiation-free environment.

Le procedure cardiache transcatetere (PCT) sono un’alternativa meno invasiva alla chirurgia a cuore aperto. Tuttavia, la loro dipendenza dall’imaging fluoroscopico per la navigazione intraoperatoria richiede un training avanzato, difficile da garantire con i metodi tradizionali che utilizzano cadaveri e modelli animali a causa di radiazioni e problemi etici. Inoltre, i simulatori attuali non riproducono fedelmente la procedura, poiché dipendono da fattori chiave come il feedback aptico, l’accuratezza anatomica, la simulazione dell’imaging e l’economicità, limitando l’acquisizione delle competenze. Questo studio sviluppa un prototipo di C-Arm per le PCT in vitro sotto guida fluoroscopica simulata, considerando l’impianto transcatetere della valvola aortica come caso clinico. È stato progettato un prototipo di C-Arm stampato in 3D per replicare i movimenti del C-Arm clinico. Un’unità di attuazione e controllo del C-Arm ha consentito un posizionamento preciso all’interno di uno spazio anatomico (SA), integrando un modello aortico specifico per il paziente. Un ambiente di simulazione di immagini fluoroscopiche, basato su DeepDRR, ha generato immagini a raggi X ad alta fedeltà, mentre un sistema di tracciamento in tempo reale ha monitorato la navigazione di uno strumento chirurgico nello SA. Infine, un algoritmo di cross-correlazione ha sovrapposto lo strumento chirurgico alle immagini a raggi X per diverse angolazioni. Il prototipo di C-Arm ha mostrato un’elevata precisione di posizionamento, con minime deviazioni nelle misure ripetute. La sovrapposizione della posizione effettiva del catetere alle immagini simulate ha ottenuto un coefficiente di correlazione superiore a 0.9 in molte angolazioni. Inoltre, la valutazione del cardiochirurgo ha confermato l’usabilità, il realismo procedurale e l’efficacia del sistema come strumento di training. In conclusione, il simulatore risulta una soluzione innovativa e adattabile per il training in PCT. La sua forza risiede nella modularità, che ne consente l’adattamento a diverse anatomie e altre PCT, con la la generazione di modelli anatomici specifici e dataset radiografici personalizzati in un ambiente privo di radiazioni.