Robot MRI

Robot MRI to robot medyczny zdolny do działania w skanerze rezonansu magnetycznego (MRI) w celu wykonywania lub wspomagania interwencji sterowanych obrazem (IGI).

IGI są powszechnie wykonywane ręcznie przez lekarzy obsługujących instrumenty, takie jak igły, w oparciu o obrazy medyczne i są stosowane w większości dziedzin medycyny, szczególnie w specjalistycznej dziedzinie radiologii interwencyjnej . Roboty IGI pomagają w manipulowaniu instrumentem lub zapewniają wskazówki dotyczące nawigacji po obrazie. Roboty te mogą poprawić wydajność IGI, ponieważ w przeciwieństwie do ludzi, roboty są urządzeniami cyfrowymi, które mogą bezpośrednio komunikować się z cyfrowymi przetwornikami obrazu.

Kompatybilność z MRI

Aby być kompatybilnym z MRI, robot musi bezpiecznie działać i wykonywać swoje funkcje w polu magnetycznym MRI bez pogorszenia jakości obrazu. Tak więc rozwój robotów MRI jest bardzo trudnym zadaniem inżynierskim, ponieważ skanery MRI wykorzystują pola magnetyczne o bardzo dużej gęstości (obecnie powszechne są 3 tesle ), a większość komponentów powszechnie stosowanych w robotyce nie może być używana w bliskiej odległości od magnesu .

Naukowcy na różne sposoby próbowali przezwyciężyć trudności związane z komponentami robotów w MRI; niektórzy umieścili elementy sterujące i inne urządzenia wrażliwe na pole magnetyczne poza ekranowanym pomieszczeniem MRI. Te elementy sterujące będą połączone z robotem za pomocą hydraulicznych lub pneumatycznych linii transmisyjnych.

Oprócz trudności związanych z użyciem robotyki w dużych polach magnetycznych występujących w MRI, niewielka szczelina między MRI a pacjentem ogranicza fizyczny rozmiar robotów używanych, ponieważ wewnętrzny promień MRI wynosi zwykle 55 cm.

Poza samym robotem musi istnieć sposób śledzenia pozycji, orientacji i siły przykładanej do instrumentu. Chociaż potencjalnie można to zrobić za pomocą ciągłego MRI, niektóre zastosowania robotów MRI mogą sprawić, że ciągły MRI będzie niepożądany ze względu na potencjalne zakłócenia między robotem MRI a zmieniającymi się polami magnetycznymi używanymi w MRI. Wiele razy to śledzenie odbywa się za pomocą pewnego rodzaju systemu optycznego, który może obejmować światłowody.

Testowanie

Zanim robot MRI będzie mógł być używany w warunkach klinicznych, należy przeprowadzić różne testy na różnych etapach. Testy muszą być przeprowadzane zarówno na etapie inżynierii, jak i podczas badań klinicznych. Przeprowadzane testy będą się zmieniać w zależności od użycia robota MRI. Niektóre roboty będą używane w trybie ciągłego obrazowania, podczas gdy inne mogą być obrazowane tylko w odstępach czasu.

Niektóre testy przeprowadzane podczas konstruowania robota MRI obejmowałyby testy materiałowe i stosunek sygnału do szumu (SNR). W teście materiałowym materiały użyte do budowy robota są testowane w polach magnetycznych, aby upewnić się, że nie występują zakłócenia między materiałem a polem magnetycznym. Jedną z form interferencji byłoby indukowanie prądu w przewodach robota. Prąd ten może uniemożliwić sterowanie robotem. Ponadto niektóre materiały mogą powodować artefakty lub zniekształcenia obrazów MR. Niektóre metale, w przypadku których wykazano, że nie tworzą artefaktów na obrazach MR, obejmują tytan i mosiądz.

Po zbudowaniu robota do rezonansu magnetycznego testy należy wykonać podczas obrazowania. Jednym z pomiarów do wykonania jest SNR. SNR jest bardzo ważnym pomiarem w obrazowaniu. Jeśli szum jest zbyt wysoki w porównaniu z sygnałem, ucierpi na tym jakość obrazu. SNR będzie mierzony zarówno podczas ruchu robota MRI, jak i podczas postoju. Może być zauważalna różnica w stosunku SNR między robotem stojącym i poruszającym się.

Przed testowaniem na ludziach roboty MRI są zazwyczaj testowane przy użyciu fantomu obrazującego , typowego „obiektu” testowego stosowanego w obrazowaniu. Testy te można wykorzystać do zapewnienia dokładności umieszczenia instrumentu.

Zalety

Chociaż inżynieria robotów MRI może być trudna, roboty MRI mają wiele zalet. Dużą zaletą stosowania MRI jako metody obrazowania jest to, że pacjent nie jest narażony na promieniowanie, tak jak w przypadku tomografii komputerowej (TK) i obrazowania rentgenowskiego . MRI ma również lepszą jakość obrazu niż inne metody obrazowania i jest w stanie lepiej odróżnić komórki nowotworowe od zdrowych niż obrazowanie ultrasonograficzne .

Roboty kompatybilne z MRI mogą znacznie zmienić IGI. Obecnie większość IGI to proces wieloetapowy. Początkowo pacjent musi zostać zobrazowany, aby wybrać najlepszą lokalizację do rozpoczęcia procedury. Po tym badaniu pacjent jest przesuwany w celu wykonania niezbędnych nacięć i przygotowania do ich operacji. Pacjent jest następnie ponownie skanowany, aby zapewnić prawidłowe ustawienie instrumentów. Jeśli instrumenty nie są odpowiednio wyrównane, instrument należy przesunąć, a następnie wykonać kolejne skanowanie. Ten proces przesuwania i skanowania trwa do momentu uzyskania właściwej lokalizacji i ustawienia instrumentów. Podczas każdego skanowania obrazy muszą być rejestrowane .

Podczas korzystania z robota MRI instrument można wdrożyć w ramach ciągłego obrazowania. W rezultacie można było wprowadzać zmiany w ścieżce instrumentu w czasie rzeczywistym. Dokonywanie zmian w ścieżce w czasie rzeczywistym byłoby pomocne w korygowaniu wygięcia igły. Zginanie igły może wystąpić w wyniku ruchu i oddychania pacjenta, a nawet podczas przemieszczania się igły przez tkankę. Nieprzesuwanie pacjenta pozwoliłoby zminimalizować potencjalne źródła wygięcia igły i potrzebę rejestracji obrazu.

Niedogodności

Jednym z problemów związanych z robotami MRI jest potencjalne wykorzystanie linii transmisyjnych. Hydrauliczne przewody transmisyjne mogą przeciekać i potencjalnie uszkodzić wrażliwy sprzęt. Pneumatyczne linie przesyłowe mogą mieć problemy z utrzymaniem ciśnienia niezbędnego do zapewnienia odpowiednich czasów reakcji ze względu na długie linie przesyłowe. Oprócz zastosowanej metody transmisji, potencjalne różnice w wielkości i kształcie sal MRI mogą ograniczać uniwersalność robotów MRI, nawet w wielu salach MRI w jednym szpitalu. Ponadto długość linii transmisyjnych powodowałaby, że konfiguracja i demontaż robotów MRI byłyby czasochłonne.

Potencjalne zastosowania

Roboty MRI mają wiele potencjalnych zastosowań. Obejmują one brachyterapię , biopsję , badania neurologiczne i usuwanie guza. Jednym z rodzajów usuwania guzów, który przyniósłby ogromne korzyści z robotów MRI, jest guzów mózgu . Guzy mózgu są niezwykle trudne do usunięcia. Istnieje również możliwość niecałkowitego usunięcia guza. Dzięki obrazowaniu w czasie rzeczywistym cały guz mózgu miałby większe szanse na usunięcie.

W neuronauce roboty MRI mogą być wykorzystywane do lepszego zrozumienia, czy ofiara udaru będzie reagować na rehabilitację wspomaganą robotem i inne metody rehabilitacji . Korzystając z funkcjonalnego MRI (fMRI) lub innych form funkcjonalnych metod neuroobrazowania , naukowcy mogą monitorować i zauważać zmiany w funkcjonalnej łączności w mózgu. Podczas korzystania z fMRI robot MRI byłby używany do naśladowania codziennych czynności, takich jak ruchy ramion i łokci.

Innym obszarem, w którym roboty MRI mogą być niezwykle pomocne, są biopsje prostaty . Obecnie większość biopsji gruczołu krokowego wykonuje się za pomocą ultrasonografii przezodbytniczej (TRUS). Jednak około 20% osób z rakiem prostaty, u których wykonano biopsję za pomocą TRUS, zostanie poinformowanych, że nie mają raka. Jednym z problemów związanych z TRUS jest to, że nie jest w stanie odróżnić komórek zdrowych od rakowych. Rozróżnianie typów komórek jest jedną z zalet MRI. Tak więc robot MRI używany do biopsji prostaty pomógłby we właściwym rozpoznaniu raka prostaty.

Przykłady

Grupa badawcza URobotics z Johns Hopkins University opracowała bezelektrycznego, niemagnetycznego i dielektrycznego robota znanego jako MrBot. Działa z powietrzem dla silników i światłem dla swoich czujników. Osiągnięcie to było możliwe dzięki wynalezieniu nowego typu silnika pneumatycznego, PneuStep, który umożliwia prosty, niezawodny i precyzyjny ruch.

Automation and Interventional Medicine Robotics Lab w Worcester Polytechnic Institute opracowuje technologie umożliwiające interwencje wspomagane MRI. Prace te obejmują czujniki, siłowniki, oprogramowanie i sterowniki. Grupa opracowała również różne typy robotów w pełni kompatybilnych z MRI do przezskórnych interwencji prostaty oraz kolejny do kierowania głębokiej stymulacji mózgu (DBS) pod kontrolą obrazu MR w czasie rzeczywistym w leczeniu choroby Parkinsona .

Zobacz też