Telekardiologie

Ferngesteuerte Koronarintervention

16. März 2022, 14:06 Uhr | MathWorks
Herz und EKG-Linie vor blauem Hintergrund (Symbolbild)
Herz und EKG-Linie vor blauem Hintergrund (Symbolbild)
© AdobeStock/TeacherX555

Corindus ermöglicht erste telerobotische PCI am Menschen

Für Patienten, die einen akuten Herzinfarkt oder Schlaganfall erleiden, ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie möglichst schnell zu einem Arzt gebracht werden, der den notwendigen Eingriff vornehmen kann. Leider arbeiten nicht in allen Krankenhäusern Ärzte, die für die Durchführung von perkutanen Koronarinterventionen (PCI) oder neurovaskulären Interventionen (NVI) ausgebildet sind. PCI bezeichnet einen medizinischen Eingriff zur Erweiterung von verengten oder vollständig verschlossenen Herzkranzgefäßen (Koronararterien), bei NVI bezieht sich der Eingriffe auf Hirn- oder Halsgefäße.

Corindus hat  eine Roboterplattform entwickelt und bereitgestellt, mit der Ärzte PCI- und potenziell auch NVI-Eingriffe an Patienten durchführen können, die viele Kilometer entfernt sind. Die Plattform ist eine Weiterentwicklung des CorPath GRX-Systems, das von dem Unternehmen entwickelt wurde, um die Strahlenbelastung des Arztes zu reduzieren. Auf diese Weise ist es dem Arzt möglich, von einem abgeschirmten Arbeitsplatz im Katheterlabor aus zu operieren, während er den Patienten mit Roboterpräzision behandelt.

Model-Based Design mit Matlab und Simulink

Corindus verwendete Model-Based Design mit Matlab und Simulink, um CorPath GRX zu entwickeln und die Unterstützung für die Echtzeitübertragung von Video- und Regelungsdaten hinzuzufügen. »Mit der CorPath-Plattform können Ärzte jetzt an zwei Orten gleichzeitig sein, das war bisher undenkbar«, sagt Per Bergman, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei Corindus. Mit Model-Based Design konnten er und sein Team das Design der Plattform mithilfe von Simulationen verifizieren, Entwicklungsiterationen reduzieren und ziemlich schnell ein Proof-of-Principle-System für die weltweit erste telerobotische PCI entwickeln.

Für das ursprüngliche CorPath GRX-System entschied sich das Corindus-Team, die Entwicklung durch Validierung des Roboter-Steuerungsdesigns mithilfe von Simulationen zu beschleunigen, bevor es sich auf eine Hardware festlegt. Außerdem wollten sie das Design durch Echtzeitsimulation und -tests verifizieren und auf einem eingebetteten Mikrocontroller implementieren.

Um den CorPath GRX um Remote-Funktionen zu erweitern, musste das Team Fluoroskopie- und Hämodynamik-Videodaten vom Standort des Patienten in Echtzeit an den Arzt senden und dann Joystick- und andere Steuerungsdaten zurücksenden. Zur Gewährleistung der Patientensicherheit mussten die Daten mit hoher Zuverlässigkeit und geringer Latenzzeit übertragen werden.

Reglerdesigns durch Closed-Loop-Simulationen

Corindus hat Model-Based Design mit MATLAB und Simulink eingesetzt, um die Regelungssoftware der CorPath GRX-Plattform und die Echtzeit-Kommunikationsfähigkeit für telerobotische Eingriffe zu entwickeln. Die Ingenieure modellierten das System der ersten Generation in Simulink. Für den CorPath GRX der zweiten Generation modellierten und simulierten die Ingenieure neue Elemente des Designs, darunter bürstenlose Motoren, Dreh- und Prismagelenke für das Führungskatheter-Subsystem sowie die entsprechenden Regler.

Nach der Verifizierung des Reglerdesigns durch Closed-Loop-Simulationen erstellte das Team einen Prototyp für In-vivo-Tests und Rapid Control Prototyping. Dafür haben sie Simulink Coder und Simulink Real-Time verwendet, um aus dem Modell eine Echtzeitanwendung zu erstellen und diese auf einem Speedgoat-Echtzeit-PC auszuführen, der mit dem eigentlichen Robotergerät verbunden war.

Für die Serienversion generierten sie mithilfe von Embedded Coder C Code für den Piccolo-Mikrocontroller von TI. Neben der Verifizierung dieses Codes durch Tests auf dem Zielgerät führte das Team eine Analyse der Codeabdeckung mit Simulink Coverage sowie eine statische Codeanalyse mit Polyspace Bug Finder durch. Die Ergebnisse dieser Analysen haben sie in ihre Anträge auf FDA-Zulassung aufgenommen.

Um die Plattform mit Telerobotik-Funktionen auszustatten, wurde eine Kommunikationsverbindung aufgebaut, die Videodaten und Reglerbefehle zwischen den entfernten und lokalen Standorten über zwei Speedgoat-Zielcomputer mit Simulink Real-Time sendet. Auf dem lokalen (patientenseitigen) Speedgoat-System erfassten sie HD-Hämodynamik- und Fluoroskopie-Videodaten über eine USB-Schnittstelle mit der Image Acquisition Toolbox und verwendeten eine CAN-Schnittstelle, um Befehle an den GRX-Roboter zu senden.

Das entfernte (arztseitige) Speedgoat-System empfängt die Videodaten und zeigt sie dem Arzt an. Das Team hat mit der Computer Vision Toolbox Bilder in der Anzeige skaliert und Text eingefügt, der die aktuelle Netzverzögerung und die Bildrate pro Sekunde der Anzeige angibt. Für die entfernte Seite entwickelten sie außerdem eine Touchscreen-Steuerungsanwendung und stellten diese als eigenständige ausführbare Anwendung mithilfe des Matlab Compiler bereit. Die Uhrensynchronisation zwischen den Speedgoat-Zielcomputern erfolgte mit IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP)-Blöcken aus Simulink Real-Time.

5 Eingriffe in 2 Tagen

Zum Testen der Telerobotik führte der interventionelle Kardiologe Dr. Ryan Madder Eingriffe an einem 10 Meilen entfernten endovaskulären Trainingssimulator durch. Während dieser Tests bewertete das Team die Auswirkungen von Netzwerklatenzen auf die Benutzerfreundlichkeit, indem es Netzwerkverzögerungen im Bereich von Millisekunden bis hin zu vollen Sekunden in das System eingab. Auf diese Simulator-basierten Tests folgten In-vivo-Tierversuche.

Die ersten ferngesteuerten PCIs am Menschen wurden von Dr. Tejas Patel durchgeführt, der im Apex Heart Institute in Ahmedabad, Indien, innerhalb von zwei Tagen fünf erfolgreiche Eingriffe an Patienten in 32 km Entfernung durchgeführt hat.
Die Corindus-Ingenieure streben nun die FDA-Zulassung für den Einsatz von CorPath für neurovaskuläre Eingriffe an. Darüber hinaus nutzen sie Model-Based Design, um das bei den ersten fünf Eingriffen verwendete Proof-of-Principle-System zu einem Produktionssystem für den großflächigen Einsatz in der Klinik zu machen.

Die Ergebnisse im Überblick

  • Weltweit erste am Menschen durchgeführte telerobotische PCI: »Mit Model-Based Design konnten wir sichergehen, dass die ersten PCIs, die remote auf der CorPath-Plattform durchgeführt wurden, sowohl sicher als auch erfolgreich sein würden«, sagt Nicholas Kottenstette, F&E-Fellow bei Corindus. »Wir konnten das gesamte System simulieren und sicherstellen, dass unsere Algorithmen die Anforderungen erfüllen, bevor sie für unser Echtzeitziel bereitgestellt wurden. Wenn unser System in der Simulation funktioniert, funktioniert es auch im Einsatz.«
  • Doppelt so schnelle Entwicklung: »Model-Based Design ermöglichte es unserem kleinen Produktentwicklungsteam, in nur vier Monaten telerobotische Fähigkeiten zu entwickeln und zu demonstrieren, was letztendlich die Kosten und die Entwicklungszeit reduzierte«, so Bergman. „Mit einem traditionellen manuellen Codierungsansatz hätte man mindestens doppelt so lange gebraucht.
  • Entwicklungsaufwand um 80 % reduziert: »Mit Simulink, Simulink Real-Time und der Speedgoat-Hardware konnten wir mit nur drei Vollzeit-Ingenieuren innerhalb weniger Wochen Echtzeit-Regelungsalgorithmen entwickeln und bereitstellen«, so Kottenstette. Ohne Model-Based Design hätte es fünf Mal so viele Ressourcen gebraucht, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

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