Новая роботизированная система, которая может работать внутри отверстия сканера МРТ, в настоящее время проходит испытания в рамках партнерской программы биомедицинских исследований в Бригаме и женской больнице в Бостоне с целью определения того, работает ли робот, в сочетании с изображениями МРТ в реальном времени. , может сделать биопсию рака простаты более быстрой, точной, менее затратной и менее неудобной для пациента. Новая система также может обеспечить более точную терапию рака простаты.
Разработан группой инженеров-робототехников из Вустерского политехнического института (WPI) в сотрудничестве с коллегами из Университета Джона Хопкинса, Бригама и женской больницы (BWH) и Acoustic MedSystems Inc., роботизированная система используется в BWH Advanced Multimodality Image-Guided Operating Suite (AMIGO).
"Рак простаты – это последняя форма рака, которая все еще диагностируется с помощью слепой биопсии иглы, поэтому мы работаем над тем, чтобы изменить это с помощью технологии визуализации," сказала Клэр М. Темпани, доктор медицинских наук, профессор радиологии Гарвардской медицинской школы, заведующий кафедрой радиологии в больнице Бригама и женской больницы, а также главный исследователь исследовательской программы. "Конечная цель нашей группы – разработать эффективные технологии, которые расширяют возможности врачей по лечению своих пациентов."
В "первый человек" Тестирование роботизированной системы также является кульминацией более чем шести лет исследований и разработок Грегори Фишера, доцента кафедры машиностроения и робототехники WPI и директора Лаборатории робототехнических исследований WPI Automation and Interventional Medicine (AIM). Фишер вместе с Юлианом Иордачитой и его коллегами из Лаборатории компьютерных зондирований и робототехники (LCSR) Университета Джонса Хопкинса стал пионером в разработке компактных и высокоточных хирургических роботов, специально предназначенных для работы в окружающей среде внутри канала ствола. сканер МРТ, а также электронные системы управления и программное обеспечение, необходимые для работы роботов с безопасностью, надежностью и простотой использования, требуемыми технологиями, разработанными для операционной.
"Робот дает врачу гораздо больше возможностей выбора места установки иглы для биопсии," Фишер сказал. "Эта технология должна обеспечивать большую точность, а шансы поразить цель с первой попытки должны быть выше. Ожидаемый результат – меньшее количество игл с более высокой чувствительностью, более быстрая процедура, меньшая потребность в повторных биопсиях, более низкая общая стоимость и меньший дискомфорт для пациента."
В настоящее время в США большинство биопсий простаты выполняется в сочетании с ультразвуковой визуализацией. Хотя ультразвуковое сканирование может локализовать простату, метод визуализации не может определить, где может быть потенциальный рак. Таким образом, биопсия проводится случайным образом с повторным введением иглы для удаления образцов из раковой ткани. Эти процедуры имеют низкую чувствительность и могут привести к ошибочным результатам. Фактически, около 35 процентов серьезных опухолей могут быть пропущены во время первичной биопсии, которая проводится исключительно с помощью ультразвука. Из-за большого количества ошибок пациентам часто приходится возвращаться для повторных биопсий, поскольку их симптомы сохраняются, а опухоли продолжают расти.
МРТ, с другой стороны, может производить подробные анатомические и тканевые изображения простаты и обнаруживать потенциально раковые поражения. По этой причине на национальном уровне существует значительный интерес к разработке методов использования изображений в реальном времени только с помощью МРТ или в сочетании с ультразвуком, чтобы направлять введение игл для биопсии простаты. В конце концов, если роботизированная технология окажется эффективной, ее можно будет легко адаптировать для оказания терапии непосредственно опухолям простаты. Темпаны отметил.
В биопсиях, которые теперь проводятся в рамках программы Brigham and Women’s без нового робота, врачи используют пластиковую сетку, чтобы помочь расположить иглу биопсии. Сначала они используют мультимодальное сканирование МРТ для создания плана, показывающего, где должна быть введена игла, затем, когда пациент находится в сканере МРТ, врач направляет иглу через наиболее подходящие направляющие отверстия в сетке. Периодически выполняются дополнительные сканирования, чтобы проверить ход иглы и при необходимости внести коррективы.
Вместо того, чтобы ограничивать позиционирование иглы вариантами, предлагаемыми сеткой, МРТ-совместимый робот WPI / JHU манипулирует направляющей иглы внутри отверстия сканера, чтобы помочь врачу установить иглу в наиболее оптимальное положение, как показано изображения в реальном времени, созданные с помощью МРТ.
Чтобы разработать роботов, которые могут работать внутри сканера МРТ, Фишеру и его команде пришлось преодолеть несколько серьезных технических проблем. Самое главное, поскольку сканер включает в себя мощный магнит, робот, включая все его датчики и исполнительные механизмы, должен быть изготовлен из цветных металлов. Робот, использованный в исследовании рака простаты, состоит в основном из пластиковых деталей и использует керамические пьезоэлектрические двигатели. Кроме того, разработанная WPI система управления с низким уровнем шума и хорошо экранированная проводка помогают предотвратить излучение электрических сигналов, которые могут испортить изображения МРТ. Робот также должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться в тесноте отверстия МРТ и при этом оставлять место для рук пациента и врача. "Вдобавок ко всему нам нужно было разработать протоколы связи и программные интерфейсы для управления роботом и связать их с системами визуализации и планирования более высокого уровня," Фишер сказал. "Это привело к масштабному проекту интеграции систем."
По словам Фишера, создание системы, которую можно использовать в клинической практике, добавило еще одного уровня сложности. Начнем с того, что робот должен легко стерилизовать, настраивать и помещать в сканер для нетехнической хирургической бригады. "Он должен быть простым в использовании и надежным," он сказал. "Чтобы добраться до этой точки, потребовалось много итераций аппаратного и программного обеспечения."
Кроме того, система включает строгое соблюдение рабочих процессов, чтобы гарантировать, что процедуры выполняются в правильном порядке и одинаково каждый раз при использовании системы. Система также имеет надежное обнаружение ошибок, чтобы предупредить персонал, если кабель отключится или возникнут другие непредвиденные проблемы. "Мы хотели быть уверены, что ошибка приведет к безопасной остановке робота," Фишер сказал, "но мы также хотели, чтобы система могла восстанавливаться и продолжать, если это возможно, без необходимости начинать процедуру заново. Мы потратили много времени на снижение рисков, выясняя все способы, которыми система может выйти из строя, и что мы будем делать в каждом отдельном случае."
Испытание роботизированной системы является важным компонентом более крупной программы клинических исследований в Бригаме и женской больнице, финансируемой за счет партнерства по биоинженерным исследованиям от Национальных институтов здоровья через Национальный институт рака.* Осуществляемая с 2006 года, программа получила более 7 миллионов долларов в виде поддержки NIH для разработки одобренной FDA платформы с визуальным контролем для использования с МРТ или ультразвуком, которая может помочь в базовой визуализации, диагностической биопсии и лечении рака простаты.
В лаборатории AIM Фишера (прицел.wpi.edu), также ведется работа над роботизированной системой следующего поколения, которая, помимо позиционирования направляющей иглы, также будет автоматически приводить в действие введение и помогать направлять иглу к интересующей цели. "Мы надеемся, что сможем протестировать эту систему на пациентах через год или около того," Фишер говорит. "Мы также надеемся на сотрудничество с Brigham and Women’s Hospital и другими партнерами, чтобы протестировать использование нашей системы не только для диагностики рака простаты, но и для предоставления терапии, будь то брахитерапия или абляционная терапия."
Модульная роботизированная система WPI, совместимая с МРТ, может быть легко адаптирована для других хирургических приложений. Например, Фишер является главным исследователем премии в размере 3 миллионов долларов США от Национального института рака, в рамках которой он и его команда, в которую входят коллеги из Медицинского колледжа Олбани, Медицинской школы Университета Массачусетса и компании Acoustic MedSystems, разрабатывают роботизированную систему, которая под руководством МРТ в реальном времени вводит зонд через отверстие размером с монету в череп, чтобы разрушить опухоли головного мозга с помощью интерстициального высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука.