Adjusting Tissue Puncture Omnidirectionally In Situ with Pneumatic Rotatable Biopsy Mechanism and Hierarchical Airflow Management in Tortuous Luminal Pathways

要約

内腔カテーテルを用いたin situ組織生検は、低侵襲で合併症が少ないという特徴を持つ、疾患診断のための効率的なアプローチである。しかし、内腔カテーテルは、摩擦によるヒステリシスや狭いスペースのために、曲がりくねった管腔臓器内で組織を採取するために、内視鏡を遠位側に曲げたり近位側にねじったりして生検方向を調整するのに苦労している。ここでは、正確なin situ全方向生検のために、カテーテルをひねることなくサンプリング方向を調整できる空気圧駆動ロボットカテーテルを提案する。ロボットカテーテルの遠位端は、曲がりくねった管腔内臓器にカテーテルを展開するための空気圧式屈曲アクチュエータと、空気圧式回転生検機構（PRBM）で構成されている。階層的な気流制御により、PRBMは低気流下で生検方向を調整し、高気流下で生検針を展開することができ、in situでの組織の迅速な全方向サンプリングを可能にする。本稿では、生検針の反復的な展開評価、穿刺力測定、ファントム試験による検証を含む、提案するロボットカテーテルの設計、モデリング、特性評価について述べる。PRBMプロトタイプは、0.3MPaの陽圧で作動させた場合、360度に均等に分布する6つのサンプリング方向を有する。この空気圧駆動ロボットカテーテルは新しい生検戦略を提供し、最小限の侵襲で曲がりくねった管腔臓器のin situ多方向生検を容易にする可能性がある。

要約(オリジナル)

In situ tissue biopsy with an endoluminal catheter is an efficient approach for disease diagnosis, featuring low invasiveness and few complications. However, the endoluminal catheter struggles to adjust the biopsy direction by distal endoscope bending or proximal twisting for tissue sampling within the tortuous luminal organs, due to friction-induced hysteresis and narrow spaces. Here, we propose a pneumatically-driven robotic catheter enabling the adjustment of the sampling direction without twisting the catheter for an accurate in situ omnidirectional biopsy. The distal end of the robotic catheter consists of a pneumatic bending actuator for the catheter’s deployment in torturous luminal organs and a pneumatic rotatable biopsy mechanism (PRBM). By hierarchical airflow control, the PRBM can adjust the biopsy direction under low airflow and deploy the biopsy needle with higher airflow, allowing for rapid omnidirectional sampling of tissue in situ. This paper describes the design, modeling, and characterization of the proposed robotic catheter, including repeated deployment assessments of the biopsy needle, puncture force measurement, and validation via phantom tests. The PRBM prototype has six sampling directions evenly distributed across 360 degrees when actuated by a positive pressure of 0.3 MPa. The pneumatically-driven robotic catheter provides a novel biopsy strategy, potentially facilitating in situ multidirectional biopsies in tortuous luminal organs with minimum invasiveness.

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