Comparing to open surgery, Minimally Invasive Surgery (MIS) has less operative trauma, faster recovery time, and reduced pain. Percutaneous Coronary Intervention (PCI) is one of the MIS procedures, which is commonly used for treating Coronary Artery Disease (CAD). During a PCI procedure, catheters are steered to recanalize the coronary arteries and open up the occlusion. However, the positioning precision of the catheter tip is negatively affected by hysteresis. Improper motion and potential puncture of the vessels can be fatal. To avoid unnecessary tissue damage due to the imprecise positioning, the governing hysteresis needs to be understood and compensated for. This work investigates the feasibility to model and compensate for the hysteresis of catheters with a Long Short-Term Memory (LSTM) network. To access the value of the LSTM approach, a Deadband Rate-Dependent Prandtl-Ishlinskii (DRDPI) model and a Support Vector Regression (SVR) model were established. Hysteresis data is collected from a bench-top Pneumatic Artificial Muscle (PAM)actuated catheter. Afterwards, the DRDPI, the SVR, and the LSTM models are validated on this experimental setup. The LSTM was tested using four groups of test data sets containing diverse patterns. The results demonstrated that the LSTM is able to predict the tip bending angle with sub-degree precision. The LSTM outperformed the SVR model and the DRDPI model by 60.1% and36.0%, in arbitrarily varying signals, respectively. Furthermore, a Control Long Short-Term Memory (c-LSTM) model and an Inverse Dead-band Rate-Dependent Prandtl-Ishlinskii (IDRDPI) model were proposed and validated. To compensate the hysteresis, four different types of trajectories were tested on these proposed models. The results demonstrated that the c-LSTM model outperformed the IDRDPI model by at least 75% and is able to predict the catheter distal response merely based on proximal input without including sensory feedback. The proposed c-LSTM makes it possible to steer catheters with high precision in free space, which enables a few clinical applications e.g. steering catheters with high accuracy during endovascular interventions. While demonstrated upon hysteretic PAMs, the proposed method is believed to be fairly general and also applicable toother drive methods such as cable-based or SMA-actuation which are also known to exhibit non-negligible friction and are commonly used to drive robotic catheter.     «

Comparing to open surgery, Minimally Invasive Surgery (MIS) has less operative trauma, faster recovery time, and reduced pain. Percutaneous Coronary Intervention (PCI) is one of the MIS procedures, which is commonly used for treating Coronary Artery Disease (CAD). During a PCI procedure, catheters are steered to recanalize the coronary arteries and open up the occlusion. However, the positioning precision of the catheter tip is negatively affected by hysteresis. Improper motion and potential pun...     »

Im Vergleich zur offenen Chirurgie weist die minimal-invasive Chirurgie (MIS) ein geringeres operatives Trauma, eine schnellere Erholungszeit und weniger Schmerzen auf. Die perkutane Koronarintervention (PCI) ist eines der MIS-Verfahren, das häufig zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit (KHK) eingesetzt wird. Während eines PCI-Eingriffs werden Katheter gesteuert, um die Koronararterien zu rekanalisieren und den Verschluß zu öffnen. Die Positionierungsgenauigkeit der Katheterspitze wird jedoch durch die Hysterese negativ beeinflusst. Eine unsachgemäße Bewegung und eine mögliche Punktion der Gefäße kann fatal sein. Um unnötige Gewebeschäden durch die ungenaue Positionierung zu vermeiden, muss die herrschende Hysterese verstanden und kompensiert werden. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit, die Hysterese von Kathetern mit einem Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerk zu modellieren und zu kompensieren. Um den Wert des LSTM-Ansatzes zu erschließen, wurden ein Deadband Rate-Dependent Prandtl-Ishlinskii (DRDPI) Modell und ein Support Vector Regression (SVR) Modell erstellt. Hysteresedaten werden von einem Tischkatheter mit pneumatischer künstlicher Muskulatur (PAM) gesammelt. Anschließend werden das DRDPI-, das SVR- und das LSTM-Modell an diesem Versuchsaufbau validiert. Das LSTM wurde mit vier Gruppen von Testdatensätzen getestet, die verschiedene Muster enthielten. Die Ergebnisse zeigen, dass das LSTM in der Lage ist, den Biegewinkel der Spitze mit einer Genauigkeit von unter einem Grad vorherzusagen. Das LSTM übertraf das SVR-Modell und das DRDPI-Modell bei willkürlich variierenden Signalen um 60,1 % bzw. 36,0 %. Außerdem wurden ein c-LSTM-Modell (Control Long Short-Term Memory) und ein IDRDPI-Modell (Inverse Dead-band Rate-Dependent Prandtl-Ishlinskii) vorgeschlagen und validiert. Um die Hysterese zu kompensieren, wurden vier verschiedene Arten von Trajektorien mit diesen vorgeschlagenen Modellen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass das c-LSTM-Modell das IDRDPI-Modell um mindestens 75 % übertraf und in der Lage ist, die distale Reaktion des Katheters nur auf der Grundlage des proximalen Inputs vorherzusagen, ohne sensorisches Feedback einzubeziehen. Das vorgeschlagene c-LSTM ermöglicht es, Katheter mit hoher Präzision im freien Raum zu steuern, was einige klinische Anwendungen ermöglicht, z.B. die Steuerung von Kathetern mit hoher Genauigkeit während endovaskulärer Interventionen. Obwohl die vorgeschlagene Methode an hysteretischen PAMs demonstriert wurde, wird angenommen, dass sie ziemlich allgemein ist und auch auf andere Antriebsmethoden wie kabelbasierte oder SMA-Antriebe anwendbar ist, von denen ebenfalls bekannt ist, dass sie eine nicht vernachlässigbare Reibung aufweisen und üblicherweise zum Antrieb von Roboterkathetern verwendet werden.     «

Im Vergleich zur offenen Chirurgie weist die minimal-invasive Chirurgie (MIS) ein geringeres operatives Trauma, eine schnellere Erholungszeit und weniger Schmerzen auf. Die perkutane Koronarintervention (PCI) ist eines der MIS-Verfahren, das häufig zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit (KHK) eingesetzt wird. Während eines PCI-Eingriffs werden Katheter gesteuert, um die Koronararterien zu rekanalisieren und den Verschluß zu öffnen. Die Positionierungsgenauigkeit der Katheterspitze wird jedoc...     »