Evaluating the Navigation Capabilities of a Modified COAST Guidewire Robot in an Anatomical Phantom Model

📄 arXiv: 2512.13477v1 📥 PDF

作者: Timothy A. Brumfiel, Revanth Konda, Drew Elliott, Jaydev P. Desai

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-12-15

备注: Presented at the 14th Conference on New Technologies for Computer and Robot Assisted Surgery (CRAS 2025)

💡 一句话要点

评估改进型COAST导丝机器人在解剖模型中的导航能力

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知 (Perception & SLAM)

关键词: 导丝机器人 血管介入 医疗机器人 导航控制 解剖模型

📋 核心要点

  1. 手动导丝导航在血管介入治疗中存在局限性，促使研究人员探索机器人辅助导丝技术。
  2. 该研究采用了一种改进的COAST导丝机器人，通过简化设计（两管结构）来实现更灵活的导航。
  3. 实验在解剖模型中进行，验证了改进型COAST导丝机器人在复杂血管环境中的导航能力。

📝 摘要（中文）

为了解决血管内介入治疗中手动导丝导航的问题，医疗机器人领域对开发机器人可控导丝产生了浓厚兴趣。这种导丝能够主动控制导丝尖端，从而增强机动性和导航能力。同轴对准可控（COAST）导丝机器人能够产生多种运动，包括不同弯曲长度的弯曲运动、跟随者运动和前馈运动。在过去的研究中，我们探索了COAST导丝机器人的不同设计，并开发了COAST导丝机器人的建模、控制和传感策略。在本研究中，通过在具有脉动流的解剖模型中进行导航实验，评估了改进型COAST导丝机器人的性能。改进型COAST导丝机器人是COAST导丝机器人的简化版本，由两个管而不是三个管组成。通过这项研究，我们证明了改进型COAST导丝机器人在复杂模型血管系统中导航的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：血管内介入治疗中，手动导丝导航面临操作复杂、精度难以保证等问题，尤其是在复杂血管结构中。现有方法依赖医生的经验和技巧，容易出现偏差，且长时间操作会增加医生的疲劳感。因此，需要一种能够提高导航精度和效率的自动化导丝系统。

核心思路：该论文的核心思路是利用机器人技术实现导丝的精确控制和导航。通过设计一种可控导丝机器人，医生可以通过控制系统远程操控导丝，从而避免手动操作的局限性。简化COAST导丝机器人的设计，使用双管结构，旨在降低复杂性，提高可靠性，并可能提升运动灵活性。

技术框架：该研究主要包括以下几个阶段：1) 改进型COAST导丝机器人的设计与制造，采用双管结构简化原始设计。2) 在解剖模型中进行导航实验，该模型模拟了人体血管的复杂结构。3) 评估导丝机器人在模型血管中的导航性能，包括导航成功率、导航时间等指标。实验中使用了具有脉动流的解剖模型，更贴近真实生理环境。

关键创新：该研究的关键创新在于对COAST导丝机器人进行了简化设计，采用双管结构，在保证导航能力的前提下，降低了系统的复杂性。此外，该研究在具有脉动流的解剖模型中进行了实验，更真实地模拟了血管内环境，为评估导丝机器人的性能提供了更可靠的依据。

关键设计：改进型COAST导丝机器人采用双管同轴结构，通过控制两个管的相对运动来实现导丝的弯曲和转向。具体的控制策略和运动规划算法在论文中没有详细描述，但可以推测，需要精确控制两个管的推进和旋转，以实现期望的导丝运动轨迹。此外，解剖模型的具体参数（如血管直径、弯曲程度等）以及脉动流的参数（如频率、幅度等）也是影响实验结果的关键因素。

📊 实验亮点

该研究通过在具有脉动流的解剖模型中进行导航实验，验证了改进型COAST导丝机器人在复杂血管环境中的有效性。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但实验结果表明，该机器人能够成功导航复杂的模型血管系统，证明了其在血管介入治疗中的潜在应用价值。与传统手动导丝相比，该机器人有望提高导航精度和效率。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于微创血管介入手术，提高手术精度和效率，降低医生操作难度和疲劳程度。未来，结合图像引导和人工智能技术，有望实现更智能化的导丝导航，为患者提供更安全、更有效的治疗方案。该技术还可扩展到其他微创手术领域，如神经介入、泌尿介入等。

📄 摘要（原文）

To address the issues that arise due to the manual navigation of guidewires in endovascular interventions, research in medical robotics has taken a strong interest in developing robotically steerable guidewires, which offer the possibility of enhanced maneuverability and navigation, as the tip of the guidewire can be actively steered. The COaxially Aligned STeerable (COAST) guidewire robot has the ability to generate a wide variety of motions including bending motion with different bending lengths, follow-the-leader motion, and feedforward motion. In our past studies, we have explored different designs of the COAST guidewire robot and developed modeling, control, and sensing strategies for the COAST guidewire robot. In this study, the performance of a modified COAST guidewire robot is evaluated by conducting navigation experiments in an anatomical phantom model with pulsatile flow. The modified COAST guidewire robot is a simplified version of the COAST guidewire robot and consists of two tubes as opposed to three tubes. Through this study, we demonstrate the effectiveness of the modified COAST guidewire robot in navigating the tortuous phantom vasculature.