Урология №6 / 2016
Управление движением иглы для брахитерапии с использованием внутритканевой ультразвуковой 3D-визуализации в режиме реального времени
ФГАНУ «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники
и технической кибернетики», Санкт-Петербург
Цель исследования: в модельном эксперименте изучить возможности разработанного программного обеспечения ультразвуковой 3D-визуализации опухолей в фантоме тканей малого таза для управления движением игл для брахитерапии с использованием 6-координатного робота-манипулятора.
Материалы и методы: для эксперимента были использованы шестикоординатный робот-манипулятор с устройством для перемещения игл, фантом с моделью опухоли в своем составе и ультразвуковой сканер с биплановым датчиком. С помощью разработанного программного обеспечения роботом-манипулятором в автоматическом режиме осуществлялось введение иглы в фантом с моделью опухоли. На всех этапах введения проводилось отслеживание положения иглы в фантоме по данным, получаемым с ультразвукового датчика.
Результаты: было разработано и апробировано программное обеспечение внутритканевой ультразвуковой визуализации для управления движением игл для брахитерапии УЗИ-сканером, сопряженным с макетом роботизированной системы, обеспечивающей 3D-моделирование опухоли в составе использованного фантома тканей малого таза. При этом в ходе проведения операции программа корректирует имеющуюся модель по результатам текущего УЗИ с учетом возникших смещений и отеков предстательной железы.
Заключение: в ходе модельного эксперимента доказана работоспособность предложенного метода построения 3D-изображений опухолей в фантоме тканей малого таза и отслеживания движения игл в фантоме в режиме реального времени с помощью УЗ-сканера, сопряженного с макетом роботизированной системы для брахитерапии. Дальнейшая доработка программного обеспечения, обеспечивающего обработку УЗ-снимков и, соответственно, автоматическую коррекцию траектории введения иглы для брахитерапии, позволит завершить доклинические исследования робота-манипулятора с выходом на клинические исследования.
Введение. Брахитерапия представляет собой метод введения специальных микроисточников с радиоактивным изотопом непосредственно в опухоль с помощью игл. Она сочетает преимущества метода радиотерапии без необходимости воздействия на соседние участки тела, при этом обладая минимальной инвазивностью. Это позволяет достигать необходимой величины уровня облучения опухоли без воздействия на прилежащие здоровые ткани [1]. Основным способом выполнения операции брахитерапии на сегодняшний день является введение радиоактивных имплантатов с помощью иглы посредством специального шаблона, управляемого оператором, контролирующим процесс с помощью ультразвука. Важнейшим фактором, определяющим эффективность процедуры, является правильная локализация радиоисточников внутри тела человека, позволяющая достигать требуемой дозы облучения в тканях опухоли [1, 2]. Радикально увеличить точность выполнения процедуры брахитерапии возможно путем автоматизации и роботизации процессов управления инструментом [3, 4]. Роботизация – путь к уменьшению длительности процедуры, повышению точности доставки дозы облучения в опухолевую ткань, что является гарантией клинической эффективности, т.е. отсутствия рецидива заболевания в отдаленном периоде [5, 6].
Цель исследования: в модельном эксперименте изучить возможности разработанного программного обеспечения ультразвуковой 3D-визуализации опухолей в фантоме тканей малого таза для отслеживания и управления движением игл для брахитерапии с использованием 6-координатного робота-манипулятора.
Материалы и методы. Эксперименты проводили с использованием 6-координатного робота-манипулятора UR5 («Universal Robots», Дания) с устройством перемещения игл с двумя степенями подвижности – вращательной и поступательной (рис. 1). В качестве фантома тканей малого таза использовали пищевой желатин с коэффициентом затухания 0,5 дБ/см/МГц и скоростью распространения звука 1540 м/с. В фантом помещали модель опухоли, которая представляла собой желатиновый цилиндр диметром 4 см, длиной 5 см с включениями алюминиевой крошки для повышения УЗ-контрастности. Был использован УЗ-сканер АнгиодинСоно/П (БИОСС, Москва).
Была проведена оценка погрешности позиционирования иглы для брахитерапии при введении в фантом мягких тканей с помощью разработанной оригинальной роботизированной системы, сопряженной с УЗ-сканером. Исходными данными для исследования являлся дозиметрический план расположения микроисточников с заданными трехмерными координатами расположения микроисточников в фантоме предстательной железы. По данным координатам для робота составлялась программа по введению иглы в фантом. После каждого введения иглы проводили измерения координат местоположения ее кончика и ра...
