Automatische Chirurgie beim Transkatheter-Aortenklappenersatz mit Augmented Reality

Zusammenfassung

In diesem Artikel wird das Design und die Implementierung eines Moduls für die automatische Chirurgie vorgestellt, das auf Augmented Reality (AR)-basierter 3D-Rekonstruktion basiert. Das System ermöglicht die Fernchirurgie, indem es Chirurgen ermöglicht, rekonstruierte Merkmale zu inspizieren und chirurgische Handbewegungen zu replizieren, als ob sie die Operation in unmittelbarer Nähe durchführen würden.

Zusammenfassung

Augmented Reality (AR) ist in medizinischen Anwendungen sehr gefragt. Das Ziel der Arbeit ist es, die automatische Chirurgie mit AR für den Transkatheter-Aortenklappenersatz (TAVR) bereitzustellen. TAVR ist das alternative medizinische Verfahren für Operationen am offenen Herzen. TAVR ersetzt die verletzte Klappe mit Hilfe eines Katheters durch die neue. Im bestehenden Modell ist eine Fernführung gegeben, während die Operation nicht auf Basis von AR automatisiert wird. In diesem Artikel haben wir eine räumlich ausgerichtete Kamera eingesetzt, die mit einem Motor verbunden ist, um die Bilderfassung im chirurgischen Umfeld zu automatisieren. Die Kamera verfolgt das hochauflösende 2D-Bild des Herzens des Patienten zusammen mit dem Katheterprüfstand. Diese aufgenommenen Bilder werden über die mobile App an einen entfernten Chirurgen hochgeladen, der ein Kardiologieexperte ist. Dieses Bild wird für die 3D-Rekonstruktion aus der 2D-Bildverfolgung verwendet. Dies wird in einer HoloLens wie ein Emulator auf einem Laptop angezeigt. Der Chirurg kann die rekonstruierten 3D-Bilder mit zusätzlichen Transformationsfunktionen wie Rotation und Skalierung aus der Ferne inspizieren. Diese Transformationsfunktionen werden durch Handgesten aktiviert. Die Anweisungen des Chirurgen werden an die chirurgische Umgebung übertragen, um den Prozess in Echtzeitszenarien zu automatisieren. Der Katheterprüfstand im Operationsfeld wird durch die Handgestenführung des Remote-Chirurgen gesteuert. Das entwickelte Prototypmodell demonstriert die Wirksamkeit der chirurgischen Fernführung durch AR.

Einleitung

AR kann das 3D-Modell in einer realen Umgebung überlagern. Die technologische Entwicklung hin zu AR hat in vielen Bereichen einen Paradigmenwechsel vollzogen, nämlich in der Bildung¹, in der Medizin², in der Fertigung³ und in der Unterhaltung⁴. Die AR-Technologie erweist sich zusammen mit der äußerst zuverlässigen Kommunikation mit geringer Latenz als unvermeidlich im medizinischen Bereich. Von der Lernphase der menschlichen Anatomie bis hin zur chirurgischen Anleitung können die Lernphasen mit AR-gestützter Software ^5,6

Protokoll

1. Chirurgische Umgebung

1. Entwerfen Sie eine Operationsumgebung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Stellen Sie sicher, dass die Umgebung über eine Platte für den Objekttransport, einen Roboterarm und zwei seitlich hängende Arme verfügt, von denen einer einen Platzhalter für die Kamera und der andere einen einheitlichen weißen Hintergrund hat, zusammen mit dem Wägemodul für das Gleichgewicht.
2. Entwickeln Sie zwei Treiber, einen für den Snapshot der chirurgischen Live-Umgebung, wie in den Schritten 2.1 bis 2.10 beschrieben, und den anderen für die Steuerung des revolvierenden Mechanismus, der die 360°-Überwa....

Ergebnisse

Das Protokoll wurde mit dem Herzphantom-Modell getestet. Abbildung 2 zeigt den zu erwartenden Aufbau für die Live-Überwachung des Operationsfeldes mit Hilfe von räumlich verteilten Kameras. Die verteilten Kameras, wie in Abbildung 2 gezeigt, tragen dazu bei, die räumliche Auflösung des Feldes für eine effektive 3D-Rekonstruktion zu erhöhen. Die physische Platzierung dieser Kameras an verschiedenen räumlichen Orten ist jedoch mit Komplexität verbunden. D.......

Diskussion

In einer bestehenden Arbeit¹⁵ werden Röntgen- und CT-Scans untersucht, um den Katheter im Herzen zu lokalisieren. Der AR-TAVR-Ersatz schafft jedoch eine neue Möglichkeit im chirurgischen Eingriff von TAVR¹⁸ durch die Implementierung eines automatisierten Modells unter Verwendung der 3D-Rekonstruktion. Wie im Protokoll-Abschnitt erwähnt, besteht diese Arbeit aus fünf Phasen, die es zu entwerfen gilt. Die erste Stufe von DITF²², die in Abschnitt 6 .......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
android IDE	software	https://developer.android.com/studio	software can be downloaded from this link
Arduino Board	Ardunio Uno	Ardunio Uno	Microcontroller for processing
arduino software	software	https://www.arduino.cc/en/software.	software can be downloaded from this link
Human Heart phantom model	Biology Lab Equipment Manufacturer and Exporter	B071YBLX2V(8B-ZB2Q-H3MS-1)	light weight model with 3parts to the deep analysis of heart.
mobile holder	Humble universal monopoad holder	B07S9KNGVS	To carry the mobile in surgical field
pycharm IDE	software	https://www.jetbrains.com/pycharm/	software can be downloaded from this link
Robot arm	Printed-bots	B08R2JLKYM(P0-E2UT-JSOU)	arm can be controlled through control signal.it has 5 degree of freedom to access.
servo motor	Kollmorgen Co-Engineers Motors	MG-966R	high-torque servo motor,servo pulses ranging from 500 to 2500 microseconds (µs), with a frequency of 50Hz to 333Hz.
servomotor	Kollmorgen Co-Engineers Motors	SG-90R	1.8 kg-cm to 2.5 kg-cm load can be applied to SG-90R servo.
Stepper Motor	28BYJ-48	28BYJ-48	Steper motor, 5V DC, 100 Hz frequency, torque 1200 Gf.cm
Stepper Motor	Nema 23	Nema	Steper motor, 9V - 42 V DC, 100 Hz frequency