МРТ-робот
Робот МРТ — это медицинский робот, способный работать в составе сканера магнитно-резонансной томографии (МРТ) с целью выполнения или оказания помощи в вмешательствах под визуальным контролем (IGI).
IGI обычно выполняются вручную врачами, использующими такие инструменты, как иглы, на основе медицинских изображений и используются в большинстве областей медицины, особенно в области интервенционной радиологии . Роботы IGI помогают манипулировать инструментом или обеспечивают навигацию по изображениям. Эти роботы могут улучшить производительность IGI, поскольку, в отличие от людей, роботы представляют собой цифровые устройства, которые могут напрямую взаимодействовать с цифровыми сканерами.
Совместимость с МРТ
[ редактировать ]Чтобы быть совместимым с МРТ, робот должен безопасно работать и выполнять свои функции в магнитном поле МРТ без ухудшения качества изображения. Таким образом, разработка роботов МРТ является очень сложной инженерной задачей, поскольку в МРТ-сканерах используются магнитные поля очень высокой плотности (сейчас распространено значение 3 Тесла ), а большинство компонентов, обычно используемых в робототехнике, не могут использоваться в непосредственной близости от магнита. .
Исследователи пытались разными способами преодолеть трудности, связанные с роботизированными компонентами МРТ; некоторые разместили элементы управления и другие магниточувствительные устройства за пределами экранированной комнаты МРТ. [1] Эти элементы управления будут подключены к роботу с помощью гидравлических или пневматических линий передачи. [2]
Помимо трудностей использования робототехники в сильных магнитных полях, обнаруженных при МРТ, небольшой зазор между МРТ и пациентом ограничивает физический размер используемых роботов, поскольку внутренний радиус МРТ обычно составляет 55 см. [1]
Помимо самого робота, должен быть способ отслеживать положение, ориентацию и силу, приложенную к инструменту. [3] Хотя потенциально это можно сделать с помощью непрерывной МРТ, некоторые виды использования роботов МРТ могут сделать непрерывную МРТ нежелательной из-за потенциальных помех между роботом МРТ и изменяющимися магнитными полями, используемыми при МРТ. Во многих случаях это отслеживание осуществляется с использованием какой-либо оптической системы, которая может включать оптоволокно. [2] [3] [4]
Тестирование
[ редактировать ]Прежде чем робот МРТ можно будет использовать в клинических условиях, необходимо провести различные тесты на разных этапах. Тестирование должно проводиться как на этапе проектирования, так и в ходе клинических испытаний. Проведенные тесты будут меняться в зависимости от использования робота МРТ. Некоторые роботы будут использоваться в режиме непрерывной визуализации, в то время как другие могут получать изображения только через определенные промежутки времени.
Некоторые из тестов, выполняемых при разработке робота МРТ, включают испытания материалов и соотношение сигнал/шум (SNR). При испытании материалов материалы, используемые для робота, проверяются в магнитных полях, чтобы убедиться в отсутствии помех между материалом и магнитным полем. Одной из форм помех может быть наведение тока в проводах робота. Этот ток может помешать роботу управляться. Кроме того, некоторые материалы могут вызывать артефакты или искажения на МР-изображениях. Некоторые металлы, которые, как было показано, не создают артефактов на МР-изображениях, включают титан и латунь. [2] [5]
После создания робота МРТ необходимо провести испытания во время визуализации. Одним из измерений, которое необходимо выполнить, является отношение сигнал/шум. SNR является очень важным измерением при визуализации. Если шум слишком высок по сравнению с сигналом, качество изображения пострадает. SNR будет измеряться как во время движения робота МРТ, так и в неподвижном состоянии. Может быть заметная разница в SNR между неподвижным и движущимся роботом.
Перед тестированием на людях роботы МРТ обычно тестируются с использованием фантома для визуализации , типичного испытуемого «объекта», используемого при визуализации. Эти тесты можно использовать для обеспечения точности размещения инструментов. [3]
Преимущества
[ редактировать ]Хотя разработка роботов МРТ может быть сложной задачей, роботы МРТ имеют много преимуществ. Одним из больших преимуществ использования МРТ в качестве метода визуализации является то, что пациент не подвергается воздействию радиации, как при компьютерной томографии (КТ) и рентгеновской визуализации . МРТ также имеет лучшее качество изображения, чем другие методы визуализации, и позволяет лучше различать раковые и здоровые клетки, чем ультразвуковое исследование . [2] [3]
Роботы, совместимые с МРТ, могут существенно изменить IGI. В настоящее время большинство IGI представляют собой многоэтапный процесс. Первоначально пациенту необходимо сделать снимок, чтобы определить лучшее место для начала процедуры. После этого сканирования пациента перемещают, чтобы сделать необходимые разрезы и подготовиться к операции. Затем пациента снова сканируют, чтобы убедиться в правильности выравнивания инструментов. Если инструменты не выровнены должным образом, их необходимо переместить, а затем выполнить еще одно сканирование. Этот процесс перемещения и сканирования продолжается до тех пор, пока не будет получено правильное расположение и выравнивание инструментов. Во время каждого сканирования изображения необходимо регистрировать заново. [6]
При использовании робота МРТ инструмент можно реализовать в режиме непрерывной визуализации. В результате можно было вносить изменения в траекторию движения инструмента в режиме реального времени. Внесение изменений в траекторию в реальном времени поможет исправить изгиб иглы. Изгиб иглы может произойти из-за движения и дыхания пациента и даже из-за движения иглы через ткань. [4] Если пациент не будет перемещаться, потенциальные источники изгиба иглы и необходимость регистрации изображения будут сведены к минимуму.
Недостатки
[ редактировать ]Одной из проблем с роботами МРТ является потенциальное использование линий передачи. Линии гидравлической передачи могут протекать и потенциально повредить чувствительное оборудование. У пневматических линий передачи могут возникнуть проблемы с поддержанием необходимого давления для обеспечения адекватного времени реагирования из-за длинных линий передачи. Помимо используемого метода передачи, потенциальные различия в размере и форме кабинетов МРТ могут ограничить универсальность роботов МРТ даже в нескольких кабинетах МРТ в одной больнице. Кроме того, длина линий передачи потребует много времени на установку и демонтаж роботов МРТ. [2]
Возможное использование
[ редактировать ]Роботы МРТ имеют множество потенциальных применений. К ним относятся брахитерапия , биопсия , нейробиологические исследования и удаление опухолей. Одним из типов удаления опухоли, для которого использование роботов МРТ принесет большую пользу, является удаление опухоли головного мозга . Опухоли головного мозга чрезвычайно трудно удалить. Существует также вероятность не полностью удалить опухоль. [5] Если использовать визуализацию в реальном времени, у всей опухоли головного мозга будет больше шансов на удаление.
В нейробиологии роботы МРТ могут помочь лучше понять, будет ли жертва инсульта реагировать на роботизированную реабилитацию и другие реабилитационные методики. Используя функциональную МРТ (фМРТ) или другие методы функциональной нейровизуализации , исследователи могут отслеживать и замечать изменения в функциональных связях внутри мозга. При использовании фМРТ робот МРТ будет использоваться для имитации повседневных задач, таких как движения плеч и локтей. [7]
Еще одна область, где роботы МРТ могут быть чрезвычайно полезны, — это биопсия простаты . В настоящее время большинство биопсий простаты выполняется с использованием трансректального ультразвукового исследования (ТРУЗИ). Однако примерно 20% людей с раком простаты, которым сделали биопсию с помощью ТРУЗИ, скажут, что у них нет рака. [3] Одна из проблем ТРУЗИ заключается в том, что она не способна различать здоровые и раковые клетки. Дифференциация типов клеток является одним из преимуществ МРТ. Таким образом, робот МРТ, используемый для биопсии простаты, поможет правильно диагностировать рак простаты.
Примеры
[ редактировать ]Исследовательская группа URobotics в Университете Джонса Хопкинса разработала неэлектрического, немагнитного и диэлектрического робота, известного как MrBot. Он работает с воздухом для двигателей и светом для датчиков. Это достижение стало возможным благодаря изобретению нового типа пневматического двигателя PneuStep, который обеспечивает простое, безотказное и точное контролируемое движение.
Лаборатория робототехники автоматизации и интервенционной медицины Вустерского политехнического института разрабатывает технологии для вмешательств под контролем МРТ. Эта работа включает в себя датчики, исполнительные механизмы, программное обеспечение и контроллеры. Группа также разработала различные типы полностью совместимых с МРТ роботов для чрескожных вмешательств на предстательной железе и еще одного робота для управления размещением электродов глубокой стимуляции мозга (DBS) под контролем МРТ-изображений в реальном времени для лечения болезни Паркинсона .
См. также
[ редактировать ]- Компьютерная хирургия
- Лучевая терапия под визуальным контролем
- Хирургия под визуальным контролем
- Роботизированная хирургия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гассерт, Роджер; Роланд Мозер; Этьен Бурде ; Ханнес Блейлер (апрель 2006 г.). «МРТ/фМРТ-совместимая роботизированная система с силовой обратной связью для взаимодействия с движениями человека». Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 11 (2): 216–224. дои : 10.1109/TMECH.2006.871897 . S2CID 32781296 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ян Б., Тан У.К., Макмиллан А., Гуллапалли Р., Десаи Дж.П. (декабрь 2011 г.). «Проектирование и управление роботом с пневматическим приводом и длинной линией передачи, совместимым с МРТ с 1 степенями свободы» . Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 16 (6): 1040–1048. дои : 10.1109/TMECH.2010.2071393 . ПМК 3205926 . ПМИД 22058649 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кригер А., Иордачита II, Гион П., Сингх А.К., Каушал А., Менар С., Пинто П.А., Кампхаузен К., Фихтингер Г., Уиткомб Л.Л. (ноябрь 2011 г.). «Роботизированная система, совместимая с МРТ, с гибридным отслеживанием для вмешательства на предстательной железе под контролем МРТ» . Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 58 (11): 3049–60. дои : 10.1109/TBME.2011.2134096 . ПМК 3299494 . ПМИД 22009867 .
- ^ Перейти обратно: а б Су, Хао; Зервас, Майкл; Коул, Грегори А.; Ферлонг, Косме; Фишер, Грегори С. (2011). «Робот для установки иглы под контролем МРТ в реальном времени со встроенным оптоволоконным датчиком силы». 2011 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации . стр. 1583–1588. дои : 10.1109/ICRA.2011.5979539 . ISBN 978-1-61284-386-5 . S2CID 1323578 .
- ^ Перейти обратно: а б Хо М., Макмиллан А., Симард Дж. М., Гуллапалли Р., Десаи Дж. П. (октябрь 2011 г.). «На пути к мезомасштабному нейрохирургическому роботу, совместимому со СМА и МРТ» . Транзакции IEEE в робототехнике . 2011 (99): 213–222. дои : 10.1109/TRO.2011.2165371 . ПМК 3260790 . ПМИД 22267960 .
- ^ Цекос Н.В. (2009). «Робототехника под контролем МРТ в Хьюстонском университете: развивающиеся методологии вмешательств и операций». 2009 Ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . Том. 2009. стр. 5637–5640. дои : 10.1109/IEMBS.2009.5333681 . ПМИД 19964404 . S2CID 25179051 .
- ^ Сержи Ф, Кребс Х.И., Гроасье Б., Рикман А., Гульельмелли Е., Вольпе Б.Т., Шехтер Дж.Д. (2011). «Прогнозирование эффективности роботизированной реабилитации у пациентов с хроническим инсультом с использованием роботизированного устройства, совместимого с МРТ». 2011 Ежегодная международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE . Том. 2011. С. 7470–7473. дои : 10.1109/IEMBS.2011.6091843 . ISBN 978-1-4577-1589-1 . ПМЦ 5583722 . ПМИД 22256066 .