微创心脏手术:进行经心尖的主动脉瓣置换术

文摘

微创心脏手术创伤较小,因此导致更快的恢复。设备工程技术的协助下,成像,和机器人技术,结合手术技术,微创心脏手术将改善临床结果和扩大可以治疗的患者群。我们使用进行经心尖的主动脉瓣植入作为一个例子来证明可以实现微创心脏手术和外科技术的集成和工程技术。可行性研究和长期的评估结果证明核磁共振指导下进行经心尖的主动脉瓣植入是可行和实用的。我们正在调查核磁共振兼容机器人手术系统进一步协助外科医生准确交付通过进行经心尖的主动脉瓣膜假体的方法。体外实验结果表明,机器人系统也可以用于体内模型。

1。介绍

传统的心脏手术需要胸骨切开术,心脏骤停心肺旁路,仍然提供和不流血的心脏和血管手术。必要时,这些干预措施是侵入性和创伤。心脏手术的发病率患者(是个不小的负担1- - - - - -3]。

为了减少相关的风险与心脏手术,微创方法研究了(4- - - - - -7]。通过胸部小切口心脏外科医生操作,消除需要胸骨切开术,停止心脏,或需要使用心肺机。减少创伤组织和肌肉与小切口通常导致更少的痛苦。避免绕过机器减少了神经系统并发症和中风的风险。一般来说,微创心脏手术,相比传统的程序,提供很多好处包括减少手术后的并发症的机会并导致更短的住院时间和更快的恢复正常活动。

主动脉瓣置换术是一个心脏手术与微创技术可以执行。在过去的十年中,经导管主动脉瓣置换术(TAVR)研究了治疗的患者手术风险高。瓣膜是通过导管施行(8- - - - - -13)或进行经心尖14- - - - - -18)和内植入病变的主动脉瓣。在目前的临床实践,施行是第一选择,而进行经心尖的方法只有为贫困病人血管选择访问(19]。然而,进行经心尖的主动脉瓣的方法可能更适用于更广泛的患者由于缺乏生理解剖的局限性。广泛性、访问避免可能的并发症逆行访问,这是由于无法穿过一条狭窄的瓣膜。大鞘直径进行经心尖的访问中使用导致更少需要阀门的影响,这可能是翻译成更好的义肢长寿(20.,21]。早、中期、临床和超声心动图结果表明这两种方法具有可比性(22),尽管更高风险的队列处理进行经心尖的方法(23]。

通常,成像用于TAVR主要是高分辨率荧光镜检查和辅助二维M-mode多角度。透视的问题指导包括设备栓塞、冠状动脉阻塞,低或高位置,失调,具有里程碑意义的损失(膨胀阀后钙模式使用透视确定传单/环改变),perivalvular泄漏,需要快速心室,辐射,静脉注射对比毒性。这些都是成像相关的和可以改进更好的成像;因此我们的欲望是追求磁共振成像指导。

磁共振成像提供了优秀的可视化尤其是干脆烧掉结构能够提供高分辨率的图片没有额外的辐射或对比反应的风险。血管以及软组织可视化可以很容易地同时进行。MRI也能够评估心室和瓣膜功能和心肌灌注。新一代开放,宽,短生先生做核磁共振扫描仪和实时序列不仅心血管诊断而且微创心脏手术成为可能。

在物理空间的核磁共振成像扫描仪,即使有更广泛和更短的孔,可以是一个具有挑战性的环境中进行瓣膜置换。在手术中,外科医生必须操作的不同组件交付设备和其他工具通过交付设备时同时可视化客房MRI显示。为了正确提供义肢,外科医生和团队之间的协调工作是至关重要的在嘈杂的核磁共振环境竞争与呼吸和心脏运动在跳动的心脏手术。使用机器人援助可能会缓解这一层次的需要协调和提供介入的灵巧操作工具在核磁共振成像扫描仪。

我们组都集中在磁共振成像(MRI)进行经心尖的主动脉瓣置换术(引导24- - - - - -27]。在这篇文章中,我们报告我们的工作在这跳动的心脏手术:手术技术、医学成像、医疗设备、过程的可行性,和长期的结果。我们也报告与机器人帮助我们的工作过程。

2。材料和方法

2.1。先生成像系统

Magnetom Espree(西门子医疗解决方案,德国慕尼黑)用于干预。这1.5 - t磁铁设计,短(120厘米)宽(70厘米)孔,使胸部上方的30厘米的间隙,使手术病人在仰卧位访问病人在磁铁可行。除了提供标准序列,先生充分互动,rtMRI系统连接到扫描器提供一个实时交互式图像序列。这个系统包括一个交互式用户界面,手术室大屏幕显示、选通脉冲序列,和图像重建软件。可以获得快速连续多个斜切片,可以同时显示在一个3 d渲染提供最佳的三维解剖信息。图像对比度、图像平面取向,采集速度,3 d渲染,和设备跟踪期间可以根据需要随时调整扫描(28]。

2.2。支架和设备

新self-expanding支架设计容纳传统stentless主动脉bioprostheses(多伦多SPV,圣裘德医疗、明尼阿波利斯、锰、或自由式,美敦力公司,明尼阿波利斯,MN) (29日)(图1)。支架是由生物相容性的镍钛合金制成(镍钛诺),假定一个“预排程序的最终配置在释放从交付系统和体温。支架有九个棒,三是与阀门的连合,和雪佛龙重复模式的长度气缸爆发结束。支架的固定长度的卷曲和扩大bioprosthetic阀状态防止压力特别是在缝合区域。雪佛龙几何还在收缩防止支架迁移(高血压),因为self-anchoring雪佛龙峰值的属性。支架的结构也使得它很容易可伸缩的输送设备。因此调整位置的阀门位置。

我们也植入balloon-expandable bioprostheses。一个stentless bioprosthesis(多伦多SPV或自由式)是安装在商用铂铱支架(安德拉铂,num数据,纽约)(图1)。支架后的假体被压压缩在一个balloon-tipped导管(num, 25 - 30毫米OD, 50毫米长)。膨胀的气球扩张支架后的假体的形状。

小奥氏体不锈钢片段(0.5毫米)的一侧焊接balloon-expandable和self-expanding支架。这顺被动标记是可见的一个黑暗的核磁共振信号,用于指示的方向支架后的假体(图2(一个))。

交付的设备开发和交付支架后的假体(图1)。连续输送设备由一个塑料杆,外面的护套保护支架后的假体之前部署。交付设备的直径是9.5毫米,符合10毫米套管针。内杆有一个中央通道为准绳,气球导管、支架和/或检索设备。一个小橡胶垫是用来防止血液泄漏中央通道。塑料杆可以鞘内来回移动。积极引导线是嵌在槽的鞘。这种积极的引导线显示为明亮的信号在MRI和还用于表明支架假肢的方向(图2 (b))。有一个处理内部杆和鞘,分别为外科医生和操纵交付设备。

2.3。瓣膜置换手术

我们选择尤卡坦猪(45-57公斤)作为临床前研究的动物模型。原因选择原则是人类的心脏解剖结构的相似性和适合长期研究相比有点有限增长,因为国内压力超过6个月的跟踪。

大型动物插管和麻醉后,医生把套管针的顶端。具体使用标准手术器械通过钛6厘米subxiphoid切口,心包是开了,心被曝光的顶点。两个同轴钱袋被放置在顶端,通过10毫米套管针插入到左心室。典型的时间来完成这部分的程序是15到20分钟。标准序列进行先生获得心的方向,评价心室和瓣膜功能,定位本地阀门环和冠状动脉的起源。预扫描还允许设置扫描飞机用于实时心肌灌注成像在阀植入术和跟踪和主动脉流成像。三个成像平面规定在植入实时成像。两个飞机定位提供左心室的烈度衰减视图,显示右冠状动脉和左主冠状动脉起源,分别。提供的其他平面的轴向视图主动脉瓣。冠状动脉口和主动脉环位置数字标记。 These digital marks remained visible at all times in the 3D rendering and were used for anatomic reference.

根据术前图像,选择一个适当大小的假肢。义肢压缩,然后放在外鞘末端的交付设备。假肢是与积极引导线的鞘交付设备。

外科医生查看实时成像投影屏幕上同时操纵部署设备内的动物在磁铁(图3)。假肢通过套管针阀和交付系统先进。在植入过程中,轴向片是根据需要转移到可视化的设备和指导正确的方向连合的帮助下被动和主动标记。烈度衰减视图交互修改为显示的路径交付设备,同时保持冠状动脉起源的观点。活跃的线和被动标记被用来识别假体的位置和方向。外科医生是在直接接触扫描仪操作符通过耳机和麦克风(Magnacoustics,大西洋海滩,纽约)请求成像平面的变化。

过程期间,动物监测心电图,血氧饱和度,end-tidal二氧化碳,系统性和左心室血压,动脉血气分析。

程序使用self-expanding假肢,加载交付设备是率先进入升主动脉。收缩后释放支架的外鞘的chevron-like镍钛诺缸一起bioprosthetic阀预排程序的直径扩大。收回,重新定位支架前的假肢是可能完全先进的外鞘(图4)。

在程序使用balloon-expandable假肢,首先部分膨胀的气球用生理盐水混合100:1的对比剂先生Gd-DTPA(新泽西蒙特维尔玛格尼访问,Berlex Inc .,);位置是重申了理想和气球然后完全展开部署的假肢。

阀门的位置后,套管针被和财政上的缝合线的顶端封闭。在置入图像获得确认假体的位置和瓣膜和心脏功能。封闭的cine-MRI被用来评估二尖瓣功能和心肌功能。相衬cine-MRI用于识别流经新的阀以及检测内部或paravalvular返流。静脉注射期间进行的一个初步的灌注扫描先生Gd-DTPA对比代理确认心肌血流量。

2.4。长期的评估

动物们被允许生存长期跟踪。在术后1 - 3个月,后续超音波检查发现MRI扫描和被收购而在术后6个月MRI扫描和确认2 d和3 d多角度。回顾性的电影,先生先生相差电影,和初步的灌注扫描先生在Gd-DTPA静脉注射对比剂在这些时间点重复确认假体的位置和瓣膜和心脏功能。6个月后动物牺牲,病理分析。

2.5。机器人辅助系统

根据结果与外科医生和人力助理手工方式,我们开发了核磁共振兼容机器人外科助理系统能更精确地提供主动脉瓣膜假体(29日- - - - - -32]。机器人系统由核磁共振兼容的机械手臂,阀门发送模块,用户界面为外科医生计划过程和操作机器人。的CAD图9自由度(自由度)之间的有限空间机器人系统运营MRI和如图病人在仰卧位4。

核磁共振兼容Innomotion手臂(Innomedic、黑、德国)是用来保持机器人模块和移动阀交付设备在其预定轨道。机械臂运动有一个远程中心结构及其配置符合标准的封闭的磁共振扫描仪。机器人模块被设计用于操作交付设备位置和部署假肢(26]。机器人模块由两个线性关节:翻译关节和插入关节,以及旋转接头。线性关节和旋转接头的操作是独立的。两个线性关节可以单独或同时控制。翻译联合提供交付设备沿其轴的线性位移。旋转接头允许交付设备绕着它的轴改变义肢的方向相对于冠状动脉口之前部署。插入联合行动只有内杆的交付设备。插入联合行动的唯一运动只有内杆的交付设备,驱动balloon-expandable假肢的保护鞘到所需的位置。同时收回翻译关节和推进插入关节在同一速度交付设备的内部杆保持在其位置和取消保护鞘公开假肢。这个同步运动将让卷曲self-expanding假肢扩大和词缀到所需的位置。

保持图像质量,防止局部加热的接近病人,原型模块是由绝缘的塑料材料,先生兼容的气动执行机构(Airpel诺沃克,CT)和magnetotranslucent光纤光学编码器(Innomedic,黑尔,德国)。控制电脑,被先生的房间外沟通的电子设备控制气动阀门和读取编码器信号通过视神经网络。

不同interfaces-cooperative调整,手术计划,实现交互式GUI调整以适应不同阶段的需求过程(图4)[32]。后医生套管针进入主题的心的地方,然后Innomotion机械手臂被安装在MRI表和调整,其终端执行器接近套管针端口。机器人模块附带一个基准杆安装在Innomotion手臂。医生使用合作的接口(33)调整Innomotion臂将基准杆插入套管针。一旦基准杆到位,用户输入传感器分离和机器人进入孔。在术前阶段,医生的病人接受另一个MRI扫描计划交付设备的轨迹。与此同时,另一个序列先生是用于系统登记。Innomotion臂移动到预定轨道,在图像的指导下。然后替换为基准杆输送设备。因此,直接访问创建主动脉环。在术中阶段,医生使用rtMRI的视觉反馈和交互地调整和部署假肢使用机器人通过GUI模块。

3所示。结果与讨论

3.1。核磁共振指导

稳态自由旋进(SSFP)序列使用扫描参数:TR = 436.4毫秒,TE = 1.67毫秒,回波间隔= 3.2毫秒,带宽= 1000 Hz /像素,翻转角度=切片厚度= 4.5毫米,FOV = 340×283毫米,矩阵= 192×129。活跃的电线是一个极好的指标阀在MRI定位。支架上的被动标记也有助于确定阀门定位。这些标记通过MRI有些难以想象当支架完全卷曲,但越来越明显的支架被部署。最后数字标记放置在图像识别地标并提供外科引用(例如,淡蓝色的点在图2(a))。

Postplacement封闭的电影MRI显示良好的心肌功能阀植入术后的长期和极震区的观点对动物在阀门的适当位置(图5)。相差电影图像先生确认好收缩流阀传单开放和没有证据的动荡,舒张压回流的流,或paravalvular泄漏(图5(一个))。初步的灌注研究表明充足后心肌血流量阀放置在所有的动物成功部署。灌注结果证实了充足的血液流动在组织层面,表明适当的阀门定位对冠状动脉口(图5 (b))。

3.2。瓣膜置换

一系列短期可行性实验42动物被MRI牺牲后阀位置和评估。急性研究后,34岁的动物进入了长期的研究,11被植入balloon-expandable假肢,23植入self-expanding假肢。

总手术时间是37岁和31分钟使用balloon-expandable假肢和self-expanding假肢,分别。他们没有显著差异(P= 0.12)。从引入假肢到套管针部署支架完全展开(部署时):秒(均值±std. dev)和秒(均值±std. dev),分别。此部署时间显著短self-expanding假肢(P= 0.027)。程序使用balloon-expandable假肢需要稍微长一点的时间,因为时间用于分期ballooninflation和定向阀门困难知道一旦气球充气是完全没有保证金,以便调整。

3.3。长期的结果

假体被成功部署在所有的长期研究。21这些幸存下来的6个月,牺牲/协议。尸检病理分析,牺牲在6个月后,证实植入假体出现在主动脉根。假连合整合与血管内膜增长连续土著传单连合。代表片和尸检证实self-expanding假肢后6个月移植数据所示6(一)和6 (b)。

的平均支柱骨折铂铱balloon-expandable支架(平均±std. dev),而平均骨折self-expanding支架(平均±std. dev。) (P= 0.046)。没有特定模式的支柱骨折。骨折是由于支架材料疲劳和扩张、收缩,扭转主动脉和支架之间。

3.4。机器人援助

整个机器人系统的兼容性先生是评估使用16厘米的圆柱形幽灵先生在1.5 t西门子Espree扫描仪。这种成像协议类似于我们用于心脏干预。成像系列拍摄(1)只幽灵和(2)机器人系统放置在磁铁和运行在成像。的存在和运动内部的机器人系统扫描器发现没有图像中明显的干扰。观察到的信噪比损失8.2%为整个机器人系统放置在扫描仪和运动。

我们测试了机器人系统在专门设计的幽灵self-expanding假肢部署(图7(一))。幻影是设计用来模仿的尺寸瓣膜置换情况进行检测机器人系统的可行性。它由一根塑料管25毫米直径,担任主动脉。管的直径是典型的成人主动脉根的大小。这是安装在一个200×100×100毫米的水箱。球形接头安装在一个灵活、弹性膜位于坦克作为顶点的边。12-15-mm套管针被插入到球形关节。距离球形接头的塑料管是50毫米,这是典型的心脏顶点距离主动脉环在临床场景来衡量。套管针插入点有合规由于越来越多的安排。

self-expanding假肢需要两个耦合的气动接头之间的协调运动,从而使它更有挑战性的场景。我们旨在部署self-expanding假肢,这样管的近端边缘的边缘rtMRI指导下使用机器人系统。图7 (b)显示了进步的方向调整和假的位置调整,以及假肢的部署方面的进步。在假肢部署,我们测量管的边缘之间的距离和假肢的边缘。绝对系统级错误在七个试验的平均值为1.14±0.33毫米。

4所示。讨论

尽管minithoracotomy的要求,进行经心尖的主动脉瓣植入是一个相对简单,安全,简单的技术。短期和直接访问路线让优秀的假肢和主动脉根之间的对齐。可视化的协助下主动和被动标记的核磁共振成像设备,植入的方向和定位阀更精确且可预测的。

实时MRI与适当的参数值提供了优秀的可视化指导术中心脏主动脉瓣置换术。它提供了更好的图像质量和一个完整的视图的整个体积的利益超过其他竞争的成像方法,如透视/血管造影术,一些解剖结构是不可见的,和超声心动图的视野很小,可以经常被钙化是瓣膜的来源问题。mri引导下的手术还允许直接功能评估前,中,后立即阀植入术,不是仅靠传统的成像技术获得。然而,拥有一个强大的磁场MRI扫描仪要求所有设备必须使用核磁共振安全兼容。

在TAVR self-expanding和balloon-expandable假肢都使用。在我们的经验中,self-expanding支架是容易和部署位置从而导致在进行经心尖的主动脉瓣置换术并发症少。内在的径向力self-expanding支架允许甚至假肢的扩张。因此,植入的方向阀是可以预见的。self-expanding支架可以检索和重新定位之前完全展开;艾滋病的精确位置和减少风险和栓塞。self-expanding支架,其特定的几何设计,处理扭力更好,而balloon-expandable支架材料没有弹性,相对软骨折导致更频繁的支柱。

机器人援助可以减少对医生的认知负荷,提高准确性和重复性进行经心尖的瓣膜置换在核磁共振指导。高磁场和磁共振扫描器的密闭空间存在许多技术上的挑战。机械电子组件包括致动器、传感器和控制器必须能够准确,工作稳定,先生和健壮的方法在一个环境。材料用于机器人系统应该低磁脆弱的感情(类似与空气、水、或人体组织),低电传导性,足够的机械强度,良好的生产性能。

机器人系统已经测试一个稳定的幻影。这个幽灵不是理想跳动的心脏的复制品;但通过适当的解剖维度主动脉环和顶点之间,它提供了一个合理的情况下验证协调工作的不同组件集成系统在临床前实验。

控制策略和核磁共振兼容的机器人系统的人机界面对医疗干预措施需要被研究。在机器人的工程医疗应用程序中,详细的分析了整个系统的功能,也就是说,机器人,接口和应用程序,作为单一实体,可以说是比个人更重要的子系统的性能(机器人,外科医生、接口和应用程序,分别)。因此,有多个接口的组合等;图像引导界面,控制台界面,引导或动手接口基于特定应用程序从整个系统可能产生更高的性能。

5。结论

微创心脏手术病人的减少创伤,加速恢复。它允许一群病人被认为是在非常高的风险接受标准的外科心脏手术心脏功能可能实现更好的福利没有常规操作的发病率和死亡率。

然而,微创心脏外科手术可以在技术上要求和约束比开放的过程。限制愿景、仪器操作的复杂性和难度与手眼协调能力障碍频繁微创程序的实现。我们使用进行经心尖的主动脉瓣植入为例;了微创心脏手术可以用外科技术的集成,实现医学图像的技术,医疗设备和机器人。植入的可行性进行经心尖的主动脉瓣下的实时交互式MRI引导被成功的证明。长期生存实验进一步证实这种微创手术技术是安全的,健壮的,准备翻译临床试验。

MRI提供实时查看允许程序的指导干脆烧掉心脏不需要心肺旁路和心脏骤停。无创性磁共振成像技术可以实时提供解剖细节和允许使用微创心脏功能评估方法可能为患者提供更少的病态和结构性心脏病更持久的解决方案。的能力来衡量心脏功能在线也是一个优势在磁共振扫描器进行微创手术。尽管它卓越的图像质量,核磁共振中心并没有得到广泛执行。核磁共振成像设备是昂贵的购买、维护和操作。一个核磁共振成像扫描仪可以花费超过150万美元。此外,MRI介入工具有严格的要求。干预期间使用的装置,如导管,通常不是设计为可见或兼容的先生,因为他们通常包含铁磁材料或长时间电导体。

机器人技术,增加了仪器操作的灵活性和准确性在一定的空间内。医学成像系统和机器人的婚姻使微创干预措施的效益可观。核磁共振兼容机器人系统开发助理协助进行经心尖的主动脉瓣置换术。不同的接口实现了适合TAVR过程不同阶段的需求。实验结果表明,该机器人系统可以协助顺利交付假肢与高精度实时MRI指导下。的存在和运动机器人系统在核磁共振成像扫描仪被发现没有明显的干扰图像。使用交互式界面的性能控制机器人系统在跳动的心脏正在进一步评估在动物研究中。

的协助下在医学成像等工程技术改善,手术导航,心脏手术和机器人设备,更可以执行微创的方式。我们相信微创心脏技术发展是一个漫长的进化过程;它需要协作的医生和工程师协同工作来填补技术空白。

承认

作者通过校内研究项目,支持国家心脏,肺和血液研究所,国家卫生研究院,发病率。

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