Stabilizing telerobotic endobronchial imaging and interventions in breathing lungs with a helical brace.

چکیده اصلی

Physiological motion in dynamic luminal organs, such as respiration-induced lung displacement, compromises the stability of tool-tissue interaction during telerobotic endoluminal imaging and interventions. However, existing devices for stabilizing the distal end of a catheter or endoscope face critical limitations: Rigid shape-locking mechanisms risk pressure-induced trauma, electrical hazard, and thermal injury, whereas balloon-based designs obstruct luminal patency. Moreover, they lack sufficient adjustable-diameter range for anatomies such as the bronchial tree. In this work, we present a reconfigurable helical brace that overcomes these challenges. Constructed of rotationally stacking tubular modules of asymmetric stiffness, the helical brace achieved up to almost 10 times diameter tunability (3.0 to 29.3 millimeters), enabling adaptive anchoring across diverse bronchial diameters. The established brace in a dynamic bronchus phantom reduced respiration-induced catheter displacement by about 96.0% while preserving more than 97.4% luminal flow conductance. Ex vivo and in vivo bronchial studies confirmed safety under prolonged radial loading, with no notable surface trauma or deep tissue injury observed. We demonstrate a helically braced telerobotic manipulator that can operate with submillimeter control accuracy in dynamic environments, enabling targeted transbronchial needle interventions in live porcine models, including drug delivery, bronchus puncture, and fluid aspiration. In addition, in vivo studies on porcine lungs showed that the brace-aided telerobotic catheter enhances the stability of optical coherence tomography imaging, effectively achieving respiratory motion-free conditions. This patency-preserving brace enhances stabilization without compromising physiological function and safety, ensuring accurate telerobotic operations in dynamic luminal environments.

ترجمه فارسی چکیده

حرکت‌های فیزیولوژیک در اندام‌های لوله‌ای پویا، مانند جابجایی ناشی از تنفس، پایداری تعامل ابزار-بافت را در حین تصویربرداری و مداخلات تله‌ربوتی اندولومینال کاهش می‌دهند. دستگاه‌های موجود برای ثابت‌سازی انتهای دور کاتتر یا اسکوپ با محدودیت‌های جدی روبرو هستند: مکانیسم‌های قفل‌شکل سفت خطر آسیب ناشی از فشار، خطر الکتریکی و آسیب حرارتی را به همراه دارند، در حالی که طراحی‌های مبتنی بر بالون مسیر را در لumen مسدود می‌کنند. علاوه بر این، آنها محدوده قابل تنظیم قطر کافی برای آناتومی‌هایی مانند درخت ریه را ندارند. در این کار، ما یک براکت مارپیچی قابل بازسازی را معرفی می‌کنیم که با چالش‌های فوق غلبه می‌کند. ساخته شده از ماژول‌های لوله‌ای با چرخش که با سختی نامتقارن لایه‌گذاری شده‌اند، براکت مارپیچی تا ۱۰ برابر قابلیت تنظیم قطر (۳.۰ تا ۲۹.۳ میلی‌متر) را به دست آورد، که امکان گیراندازی تطبیقی در قطرهای مختلف درخت ریه را فراهم کرد. براکت نصب شده در یک فانتوم درون‌ریوی پویا، جابجایی کاتتر ناشی از تنفس را حدود ۹۶.۰٪ کاهش داد در حالی که بیش از ۹۷.۴٪ هدایت جریان لumen را حفظ کرد. مطالعات درون‌ریوی و درون‌زنده درخت ریه، ایمنی تحت بارگذاری شعاعی طولانی‌مدت را تأیید کرد، بدون مشاهده آسیب سطحی قابل توجه یا آسیب بافت عمیق. ما یک ربات‌ساز تله‌ربوتی مارپیچی را نشان می‌دهیم که می‌تواند با دقت کنترلی زیر میلی‌متر در محیط‌های پویا عمل کند، شامل مداخلات سوزنی ترنس‌برونکی در مدل‌های خوکی زنده، از جمله تزریق دارو، سوراخ کردن ریه و مایع‌گیری. علاوه بر این، مطالعات درون‌زنده در ریه‌های خوکی نشان داد که براکت‌یار کاتتر تله‌ربوتی پایداری تصویربرداری طیف‌سنجی همبستگی نوری را افزایش می‌دهد و به طور مؤثر شرایط بدون حرکت تنفسی را محقق می‌کند. این براکت حفظ‌کننده پارگی، ثبات را بدون به خطر انداختن عملکرد فیزیولوژیک و ایمنی، عملیات تله‌ربوتی دقیق را در محیط‌های لومنال پویا تضمین می‌کند.

متن کامل اصلی