Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/9671
Título: Manual control methods for steerable catheters in neuroendovascular procedures: experimental comparison of various handles
Autor: Silva, Neuza Liliana Fernandes
Orientador: Dankelman, Jenny
Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo e, 1978-
Palavras-chave: Procedimentos neuroendovasculares
Cateteres direccionáveis
Métodos de controlo
Teses de mestrado - 2013
Data de Defesa: 2013
Resumo: Desde a realização da primeira angiografia cerebral por Egas Moniz em 1927, o tratamento de várias patologias da cabeça e pescoço foi revolucionado com a introdução dos procedimentos endovasculares. A possibilidade da visualização dos vasos sanguíneos em tempo real em conjunto com o desenvolvimento de novos instrumentos médicos permitiu o estabelecimento de procedimentos menos invasivos em Neurologia, nomeadamente, no tratamento de aneurismas, arteriosclerose, acidentes vasculares cerebrais, entre outros. A introdução de um cateter no sistema vascular através de uma pequena incisão na pele possibilita o acesso a zonas de patologia na neurovasculatura e a realização do respectivo tratamento através do envio de outros dispositivos médicos ou líquidos terapêuticos pelo lúmen do cateter. Com estes procedimentos minimamente invasivos o paciente beneficia de tempos de recuperação mais rápidos e eficazes, bem como de menor desconforto. No entanto, para o médico intervencionista existem várias desvantagens. O intervencionista perde o acesso à visualização directa do local de tratamento, sendo agora guiado através de imagens de fluoroscopia, o que pode conduzir a descoordenação motora-visual. Além disso, os instrumentos de cateterização têm graus de liberdade e feedback limitados. Os cateteres convencionais actualmente utilizados em procedimentos neuroendovasculares oferecem um controlo limitado da ponta do instrumento quando dentro do paciente. A ponta dos cateteres convencionais tem uma curvatura fixa e inalterável quando conduzido dentro do sistema vascular, tornando difícil a selecção de ramos na rede vascular de diferentes curvaturas. Isto exige muitas vezes a remoção e troca de cateter, aumentado o tempo do procedimento bem como a fadiga do intervencionista. O controlo destes cateteres é muito dependente das capacidades operacionais do intervencionista, requerendo um nível operacional muito elevado. Neste sentido, torna-se relevante a introdução de novos métodos de controlo mais intuitivos e efectivos. Cateteres direccionáveis cuja ponta pode ser deflectida dentro do paciente através da manipulação externa do instrumento pelo intervencionista oferecem um controlo mais preciso, solucionando a necessidade de troca de cateteres durante um procedimento. Diferentes tecnologias têm sido investigadas na literatura para realizar a deflexão da ponta do cateter. No entanto, para a sua implementação na prática clínica é importante avaliar a interacção homem-instrumento com os novos métodos de controlo introduzidos com estas tecnologias. É neste contexto que se encontra a motivação para o presente projecto que consistiu na realização de uma experiência com o objectivo de avaliar diferentes métodos de controlo de cateteres direccionáveis, na tentativa de encontrar aquele que melhor contribuirá para a utilização destes instrumentos em procedimentos neuroendovasculares. Para isso, em primeiro foi realizada uma revisão de literatura sobre todos os cateteres, comercialmente disponíveis (usados já na prática ou não), em fase de protótipo e em fase de patente com possível aplicação a procedimentos neuroendovasculares. Desta pesquisa resultou a classificação das várias tecnologias encontradas que foram comparadas sobre aspectos relacionados com os requerimentos impostos em procedimentos neuroendovaculares: capacidade de miniaturização em tamanhos inferiores a um milímetro para tratamentos que envolvam vasos muito pequenos do cérebro; estabilidade da ponta que se revela importante na entrega de outros aparelhos ou terapêuticas, havendo a necessidade de manter a posição da ponta constante; controlo preciso da ponta para o seu correcto posicionamento de acordo com a anatomia de cada paciente; fácil de ser utilizado pelo intervencionista, através de um método de controlo intuitivo e efectivo; e simples de produzir, para poder ser descartável. Na comparação destes parâmetros um tipo de cateteres direccionáveis sobressaiu-se, podendo constituir o tipo de cateter direccionável mais próximo de ser usado clinicamente. Este tipo de cateteres direccionáveis possui a sua estrutura assente num mecanismo composto por cabos ou outros componentes externos ao lúmen do cateter que ao serem manipulados permitem deflexão da ponta do cateter. Dois métodos de controlo que permitem a manipulação do utilizador para este tipo de cateteres foram encontrados. A manipulação pode ocorrer através da rotação ou deslizamento de um botão na interface do cateter. Ao realizar o deslizamento ou rotação do botão a ponta do cateter é deflectida, sendo assim controlada pelo intervencionista. A deflexão pode ser unidireccional, bidireccional e multidireccional. Para cada método de controlo, diferentes tipos de design da interface podem ser considerados. Uma experiência foi concretizada no departamento de Engenharia Biomecânica da Faculdade de Engenharia de materiais, marítima e mecânica da Universidade Técnica de Delft, na secção de Cirurgia Minimamente Invasiva e Técnicas Intervencionais, para comparar os dois métodos de controlo descritos. Cada um dos métodos foi implementado em dois tipos alternativos de design para a interface com o utilizador. Deste modo, quatro interfaces foram consideradas e identificadas com as seguintes designações: Rotator I, Rotator II, Slider I e Slider II. As quatro interfaces foram utilizadas por dezasseis voluntários para a manipulação virtual da ponta de um cateter mostrado no ecrã de um computador. Um cenário simulador de um procedimento neuroendovascular foi montado: uma plataforma foi utilizada para simular o movimento do cateter dentro do paciente e um modelo visual foi construído para simular o sistema de imagem que monitoriza o procedimento. Na plataforma uma vara de metal utilizada como o corpo do cateter foi montada horizontalmente, conectada a um fio deslizante entre duas roldadas, podendo ser movida para trás e para a frente. Cada uma das interfaces de controlo podia ser conectada à vara. Dois sensores foram utilizados para a aquisição da manipulação do cateter. Um potenciómetro na interface mediu a manipulação do botão controlador e um encoder mediu a translação do cateter. O modelo visual foi construído usando linguagem de programação C# utilizando a aplicação Windows forms no Microsoft Visual Studio. Um modelo vascular foi construído com base em algumas referências geométricas das principais artérias que garantem o suprimento sanguíneo do cérebro. A representação de um vaso sanguíneo foi feita por meio de linhas delimitando um espaço que representava o interior do vaso. Quatro cenários diferentes foram construídos para definir quatro tarefas distintas. Cada cenário consistiu na representação da sequência de três artérias do cérebro, formando visualmente um “percurso vascular”. Apenas a ponta do cateter foi representada na imagem, representada por uma linha de cor distinta do modelo vascular. O movimento da ponta do cateter na imagem foi modelado através de uma relação matemática dependente dos valores medidos pelos sensores fazendo a correspondência dos movimentos feitos pelo utilizador, medidos através dos sensores. O movimento foi modelado de forma a obrigar a que cada participante tivesse de realizar a deflexão constante da ponta para utilizar várias vezes o método de controlo ao longo de cada tarefa. A interacção do corpo do cateter com os tecidos não foi considerada. A experiência consistiu em quatro sessões em cada qual o participante teve de completar dez tarefas com uma das interfaces. Na fase inicial de cada sessão duas tarefas foram realizadas apenas para praticar, seguidas de duas sequências iguais de quatro tarefas distintas. Cada tarefa consistiu na manipulação da ponta do cateter de um ponto inicial até ao fim do “percurso vascular” devidamente assinalado, tentando seguir o mais precisamente possível centro do percurso. O tempo para terminar a tarefa, a distância total percorrida, a distância média ao centro da linha e o número de erros efectuados foram medidos em cada tarefa. A comparação das interfaces em cada uma destas variáveis foi realizada na 1º sequência de tarefas contra a 2º sequências de tarefas para observar o efeito de aprendizagem. Assim para cada variável dependente foi considerada a soma das quatro tarefas correspondentes a cada sequência. No fim de cada sessão cada participante respondeu a um questionário que apresentava uma escala, criada pela NASA, que mede a carga de trabalho em termos de esforço mental, esforço físico, esforço temporal, performance, empenho e frustração. No fim da experiência cada participante respondeu a questões sobre a preferência pelas interfaces, a fadiga sentida durante a experiência, e a opinião sobre o estudo. As quatro interfaces foram comparadas estatisticamente por cada variável dependente. Para as variáveis contínuas aplicou-se o teste estatístico paramétrico ANOVA de um factor para medidas repetidas. Para as variáveis ordinais foi utilizado o teste de Friedman. Estes testes avaliam se existem diferenças estatisticamente significativas entre os quatro grupos. Na análise da primeira sequência foram encontradas diferenças significativas para variável distância média (F(3,45)= 3.949, p=0.014) entre as quatro interfaces. Os testes post hoc usando a correcção de Bonferroni mostraram que as diferenças ocorreram entre as interfaces Rotator I e Rotator II (p=0.018), revelando que no início da experiência a trajectória da ponta do cateter da interface Rotator I (1.4425±0.2999mm) foi significativamente mais próxima da trajectória ideal comparativamente à realizada com a interface Rotator II (1.6303±0.3985 mm). No entanto, estas diferenças não foram significativas depois da segunda sequência de tarefas, sugerindo que o desempenho com as interfaces se iguala depois de um efeito de aprendizagem. De facto, depois da segunda sequência, as diferenças entre as quatro interfaces só são significativas relativamente ao número de erros cometidos (2(3)=8.162, p=0.043). Estas diferenças ocorreram entre Slider II e Slider I (p=0.003), Slider II e Rotator I (p=0.021), Slider II e Rotator II (p=0.006). A interface Slider II apresentou o rank de Wilcoxon médio da análise post hoc mais baixo, revelando que a manipulação com esta interface foi a mais precisa no que respeita ao menor número de erros realizados. Contudo, os dados subjectivos revelam que a preferência dos participantes foi maioritariamente pelas interfaces baseadas na rotação do botão da interface. Esta preferência foi justificada pelo facto de terem sentido mais facilidade em manipular este tipo de interfaces e o método de controlo ser mais intuitivo. A análise dos resultados da avaliação da carga de trabalho mostra que diferenças significativas ocorreram na avaliação do esforço temporal com cada interface (2(3)=10.008, p= 0.019). As diferenças foram encontradas entre Slider I e Rotator II (p= 0.018) e entre Rotator I and Slider II (p=0.034), revelando pelos ranks médios de Wilcoxon que com as interfaces Rotator II e Rotator I o esforço temporal sentido foi menor quando comparadas com as interfaces Slider I e Slider II, respectivamente. Este resultado justifica a preferência subjectiva. Contudo, objectivamente, os dados do tempo médio para terminar cada sequência não comprovam que com estas interfaces as tarefas são executas mais rapidamente. Posto isto, é difícil afirmar conclusivamente qual o método de controlo mais efectivo. Os dados sugerem que o método de rotação é mais intuitivo segundo a preferência subjectiva dos participantes, mas é com o método de deslizamento da interface Slider II que menos erros são cometidos. Como as diferenças não foram significativas para as outras variáveis na segunda sequência de tarefas, não se podem retirar conclusões definitivas. Melhoramentos no design da experiência podem ser realizados futuramente, bem como no design das interfaces, segundo alguns dos comentários e sentimentos descritos pelos participantes. Além disso, a continuação deste design e a sua expansão para uma simulação realista de procedimentos neuroendovasculares pode ser mais contributivo na avaliação das interfaces que nesse contexto deverão ser testadas por novos doutores a realizar especialização nesta área de intervenção
During the last twenty years vascular disease management in Neurology is changing dramatically with the introduction of neuroendovascular procedures. Through a small incision in the body accessing the vascular system, catheters can be navigated to reach the pathology site and realize treatment under a real-time imaging system. Currently, this type of minimally invasive surgery relies on catheters that have a fixed and unchangeable distal tip, offering a poor control method and requiring a high level of operation of the interventionist. Therefore, the introduction of intuitive and effective control methods in the neuroendovascular approach remains a challenge. Steerable catheters have been developed as an improvement of tip control inside the body, allowing direct manipulation of the tip bending through different control methods configured in different handles design. However is not yet clear how they perform and how is human-interaction with their handles designs. To evaluate which control method is most intuitive and effective, a study was conducted to assess performance of novices in steering a tip in a virtual scenario using different handles design. First a literature review was made about the different commercial available, prototypes and patents designs of catheters. The catheters were classified and compared. Two control methods clearly defined in the literature for manual control of bi-directional deflection of the tip were chosen to be compared. One method consists in the knob rotation and the other in sliding a knob of a handgrip. Using four handles designs, two based on the rotation (Rotator I and Rotator II) and two based on the sliding (Slider I and Slider II), sixteen subjects performed virtual tasks over four sessions. At each session, two practice tasks were performed followed by two trials of four different tasks. Each task consisted of steering and moving a virtual tip on the screen. Each different task presented a different scenario, which consisted of a vessel path representation. The goal was to steer the tip via the center line of the path from a starting point to the end line. The performance was assessed by measuring task time, travel length of the tip, average distance to the center and the number of mistakes. Subjective evaluation was also measured using the NASA Task load index to assess the workload with each handle. One way ANOVA with repeated measures was used for the analysis of the four handles for each dependent continuous variable (task time, travel length, and average distance). For the ordinal dependent measures (number of errors, TLX-workload), the Friedman test was used. Statistically significant differences were observed in the second trial for the number of mistakes (p=0.043) between of the four handles. Specifically the differences occurred between Slider II and Rotator I (p=0.021), Slider II and Rotator II (p=0.006), Slider II and Slider I (p=0.003), showing that with Slider II fewer errors were made. However, Rotator I and Rotator II were strongly preferred by the participants, suggesting the rotating control method as more intuitive and easy to maneuver. As the best performing handles were not the preferred, further improvement of handles design is needed for more conclusive outcome.
Descrição: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013
URI: http://hdl.handle.net/10451/9671
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