CC BY
32
ОБЗОРЫ
«Вестник хирургии» • 2016
© Коллектив авторов, 2016 УДК 616.65-006.6-08:615.849(048.8)
А. В. Лопота, К. Ю. Сенчик, Н. А. Грязнов, В. В. Харламов, Г. С. Киреева
РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ БРАХИТЕРАПИИ ПРИ РАКЕ ПРЕДСТАТЕЛЬНОЙ ЖЕЛЕЗЫ
Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (дир. — канд. экон. наук А. В. Лопота), Санкт-Петербург
Ключевые слова: брахитерапия, рак предстательной железы, роботизированная система
Рак предстательной железы (ПЖ) является четвертой по частоте причиной смерти мужчин [21]. На начальных стадиях развития заболевания основными методами лечения злокачественных опухолей ПЖ являются внешнее направленное радиоактивное облучение, хирургический метод и брахитерапия [22]. Брахитерапия представляет собой метод введения специальных микроисточников с радиоактивным изотопом непосредственно в опухоль с помощью игл [30].
Существует стандартная процедура введения радиоактивных микроисточников в ткань предстательной железы [1]. На специальное пошаговое устройство монтируется координатная решетка-трафарет, через отверстия которой будет производиться введение игл (рис. 1).
В случае, если производилось предоперационное планирование, проверяется соответствие всех срезов изображениям, использованным при планировании. Затем в 2 свободных по плану отверстия решетки для имплантации микроисточников вводят 2 фиксирующих иглы, предназначенные для уменьшения смещения железы из-за воздействия имплантационных игл. Имплантацию игл производят вручную (рис. 2). Контроль глубины введения иглы с источниками можно выполнять либо с помощью ультразвука в сагиттальной плоскости сканирования, либо с использованием рентгеноскопии.
После того как игла проведена через соответствующее отверстие координатной решетки, и кончик иглы оказывается в плоскости сканирования, на экране появляется яркая точка («флэш») из-за того,
что кончик имплантационной иглы имеет эхогенную метку. Она должна совпасть с соответствующей координатой расположения источника в соответствии с планом имплантации или быть удаленной от нее не более чем на 1-2 мм.
В целом, можно отметить, что существующая процедура выполнения брахитерапии обладает следующими недостатками:
1) низкая точность позиционирования микроисточников в поперечном направлении по шаблону;
2) низкая точность определения глубины введения иглы по опорной линейке, частично компенсируемая наличием УЗИ-сканера;
3) отсутствие учета влияния деформации, поворота и смещения тканей опухоли и ПЖ при введении иглы;
4) необходимость нахождения врача вблизи источников излучения на протяжении всей процедуры;
Рис. 1. Пример решетки для введения микроисточников
Рис. 2. Схема процедуры введения микроисточников в предстательную железу
Сведения об авторах:
Лопота Александр Витальевич (e-mail: [email protected]), Сенчик Констанин Юрьевич (e-mail: [email protected]),
Грязнов Николай Анатольевич (e-mail: [email protected]), Харламов Вячеслав Валентинович (e-mail: [email protected]),
Киреева Галина Сергеевна (e-mail: [email protected]), Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт
робототехники и технической кибернетики, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21
5) отсутствие возможности обхода естественных препятствий в теле пациента (строение костей таза, наличие критически важных близкорасположенных тканей);
6) влияние вариации методик, уровня подготовки и опыта оператора, человеческого фактора на эффективность процедуры.
Наиболее перспективным направлением развития брахитерапии с целью кардинального повышения эффективности и результативности является роботизация процедуры, заключающаяся в применении робототехнических систем на всех этапах процедуры [3, 11, 27]. Главная идея данного подхода — замена оператора-человека на робота, который самостоятельно будет выполнять все необходимые действия, составляющие процедуру.
Исторически первое применение роботизации для выполнения процедуры брахитерапии можно отнести к началу 1980-х годов, когда появились первые системы введения микроисточников, оснащенные сервоприводами [8]. В 2001 г. D. Elliott и соавт. [5] предложили систему, имеющую автоматическую 3-координатную подвижку и картридж с микроисточниками. В 2002 г. G. Fichtinger и соавт. [7] сообщили о создании роботизированной системы, имеющей 7 степеней свободы и оснащенной компьютерным томографом (КТ). В 2004 г. Z. Wei и соавт. [23] предложили использовать для проведения процедуры брахитерапии коммерческий промышленный робот [29]. Аналогичное предложение также было высказано по результатам еще одного исследования.
Дальнейшее развитие роботизированные системы получили в 2005 г., когда была добавлена возможность наклона иглы под произвольным углом вместе с автоматическим расположением микроисточников [13]. В 2006 г. H. Bas-san и соавт. [2] предложили модифицированную систему, обладающую возможностью вращать иглу при введении и работающую под контролем ультразвукового сканера. Также в системе имелись датчики усилия и момента, с помощью которых создавалась цепь обратной связи. В 2010 г. была предложена система, позволяющая в автоматическом режиме вводить в ПЖ до 16 игл одновременно [18].
Целая серия работ посвящены применению различных типов систем визуализации процедуры брахитерапии, таких как ультразвуковое исследование (УЗИ), магнитно-резонансная томография (МРТ), КТ, флюороскопия. Это связано с тем, что именно визуализация во время брахитера-пии во многом определяет качество выполнения процедуры. Пример экспериментальной роботизированной установки для брахитерапии с использованием УЗИ-визуализации описан в работе G. Fichtinger и соавт. [6]. Данная установка состоит из робота, перемещающего иглу с микроисточником в пространстве, управляемого по данным ультразвукового датчика. При отработке на специальном манекене установка подтвердила возможность и техническую реализуемость метода брахитерапии, но требовала значительной переработки управляющего робота и системы контроля положения иглы. Главным недостатком системы было то, что после установки каждой капсулы требовалось полностью удалить пустую иглу из тела пациента и заменить ее на новую с капсулой. Важными выводами, сделанными в работе, являются обоснование необходимости проработки моделей деформации различных частей тела для более точного позиционирования источников в теле пациента ввиду деформации и движения тканей в процессе введения импланта, а также необходимости контроля за усилием введения иглы с целью
минимизации дополнительных травм внутренних органов пациента.
Роботизация процедуры брахитерапии позволяет решить следующие задачи [31]:
1) уменьшение погрешности позиционирования микроисточников в опухоли;
2) воспроизводимость результатов проведения процедуры;
3) уменьшение вероятности повреждения критически важных органов и тканей;
4) более эффективное распределение излучения в опухоли;
5) уменьшение влияния человеческого фактора на результат операции;
6) уменьшение вредного воздействия облучения на медицинский персонал;
7) простота освоения и применения техники.
Основные функциональные требования, предъявляемые
к роботизированным системам для брахитерапии [31]:
1) быстрое и легкое разъединение в случае экстренной ситуации;
2) возможность возвращения к обычному ручному методу брахитерапии в любое время;
3) улучшение методов иммобилизации ПЖ;
4) корректировка плана операции по результатам уже выполненных шагов;
5) возможность для врача изучить и одобрить план бра-хитерапии до введения иглы;
6) подтверждение с помощью выбранного метода визуализации расположения каждого источника или кончика иглы;
7) автоматическое управление иглой посредством обратной связи;
8) простота проведения операции и безопасность для пациента и окружающего персонала;
9) возможность очистки и дезинфекции роботизированной системы.
На сегодняшний день в мире существуют 13 роботизированных систем для проведения брахитерапии, 12 из них — для брахитерапии при раке ПЖ [31]. Некоторые из них обладают высокой степенью автономности для введения игл для брахи-терапии и автоматической имплантации микроисточников. Данные процедуры осуществляют под контролем опытного врача. Все существующие системы, кроме системы FIRST фирмы «Elekta-Nucletron» (Швеция), позволяют отказаться от использования решетки-трафарета, что увеличивает маневренность иглы при введении и потенциально способствует повышению точности введения микроисточников. Некоторые из существующих 13 роботизированных систем могут быть использованы как для низкодозной, так и для высокодозной брахитерапии. Стоит также отметить, что только 3 из 13 систем были апробированы в клинических исследованиях у пациентов с раком ПЖ. Ниже будут рассмотрены некоторые из существующих роботов для бра-хитерапии.
Система Elekta-Nucletron FIRST включает в себя компьютеризированную систему трансректального 3D УЗИ, роботизированное устройство для имплантации микроисточников и систему планирования операции под названием «Oncentra Seeds» [28]. Elekta-Nucletron FIRST выполняет имплантацию микроисточников в режиме реального времени путем ручного введения игл и с помощью системы планирования операции, позволяющей изменять положение источников в любой момент процесса их расположения. Точность введе-
ния микроисточников для данной системы составляет около 1 мм.
EUCLIDIAN (TJU) — это роботизированная система, разработанная сотрудниками отделения радиационной онкологии Университета Томаса Джефферсона (США) и состоящая из пяти основных модулей: водитель зонда трансректального УЗИ с двумя степенями свободы, робот гентри с 3 степенями свободы, устройство ввода игл с 2 степенями свободы, модуль позиционирования с 6 степенями свободы и тележка с электронным корпусом с 3 степенями свободы (рис. 3) [4, 17]. Все движения, выполняемые хирургическим модулем системы, осуществляются с использованием двигателей, оснащенных оптическими датчиками с высоким разрешением и коробками передач. Зонд трансректального УЗИ может перемещаться и вращаться автоматически либо под контролем оператора и позволяет получать изображения с минимальным шагом в 0,1 мм. Устройство стабилизации игл для брахитерапии в составе системы EUCLIDIAN позволяет ориентировать иглу под любым углом как в сагиттальной, так и в фронтальной плоскости, что улучшает стабилизацию ПЖ во время проведения процедуры [20].
Также в EUCLIDIAN есть устройство, обеспечивающее вращение игл, что уменьшает усилие, которое необходимо приложить для их введения, и может потенциально ослабить деформацию и перемещение ПЖ [15, 19]. Точность расположения источников в фантомных исследованиях находилась в пределах 1 мм.
Робот UW — еще один робот для брахитерапии под контролем УЗИ, который может использоваться для автоматического и полуавтоматического расположения микроисточников [12, 13]. В своем существующем виде робот имеет 6 степеней свободы и состоит из 3 линейных и 3 роторных слайдов и устройства с вращающимися иглами. Важными и отличительными характеристиками робота UW являются углы наклона игл (около ±30°), вращение игл вокруг продольной оси и измерение усилия введения иглы.
Рис. 3. Робот для брахитерапии EUCLIDIAN: хирургический модуль, платформа поддержки и электронный блок
Точность введения микроисточников по результатам фантомных исследований составила 1 мм [14].
Робот UMCU разработан исследователями из Университетского медицинского центра Утрехта (Нидерланды). Его ключевым отличием от предыдущих систем является то, что он позволяет проводить брахитерапию под контролем МРТ [9, 10]. Робот размещается внутри МРТ-сканнера на 1,5 Тл. Трансректальное УЗИ, использующееся в ранее рассматриваемых роботизированных системах, имеет некоторые ограничения, а именно, оно вызывает различные деформации в анатомической структуре органов, и на его результаты оказывает влияние ухудшение качества снимков из-за слабого контакта со слизистой оболочкой или из-за присутствия фекалий и воздуха в прямой кишке пациента [28]. МРТ может преодолевать данные ограничения, а также позволяет получать трехмерные изображения с лучшим разрешением по сравнению с УЗИ, особенно для мягких тканей. В первую очередь МРТ было предложено использовать для дозиметрического планирования в брахитерапии, поскольку МРТ улучшает визуализацию ПЖ, ее структурных элементов, окружающих тканей и, самое главное, очагов опухолевого поражения [16].
JHU MrBot — робот с 4 степенями свободы для выполнения трансперинеальных процедур на ПЖ, совместимый с МРТ [25, 26]. Отличительным является то, что система использует новый тип мотора, разработанного специально под задачи робота, — пневматический шаговый двигатель РпеиБ1ер®. Механизм введения микроисточников для низкодозной бра-хитерапии состоит из МРТ-совместимого инжектора игл и МРТ-несовместимых элементов, прикрепленных к кабине управления. В исследованиях на собаках было показано, что средняя ошибка введения игл и расположения микроисточников под визуализацией 3 Тл МРТ составила 2 и 2,5 мм соответственно [26]. В свою очередь, точность расположения микроисточников была изучена только на агаровых (гелевых) моделях и составила, приблизительно, 1,2 мм со стандартным отклонением в 0,4 мм, что превышает соответствующие значения для ранее рассмотренных роботизированных систем [25, 26].
Несмотря на ряд преимуществ, проведение роботизированных процедур на ПЖ ассоциировано со сложностями. Предстательная железа — это мягкотканый орган, который при давлении и прокалывании меняет форму и двигается. Железа окружена рядом анатомических структур (мочевой пузырь, прямая кишка, нервно-сосудистые пучки), которые нельзя задевать и необходимо избегать. Анализ последовательности движений при имплантации микроисточников продемонстрировал, что данный процесс включает в себя не только позиционирование и ориентацию, но также вращение, контрвращение и перемещение игл и зонда, отслеживающего движение игл [24]. Все это говорит в пользу использования для проведения брахитерапии систем с открытым контуром (телеманипуляторы и роботы с ручным управлением), в которых врач сможет постоянно отслеживать как ПЖ двигается, деформируется или отекает в процессе введения микроисточников.
Подводя итог обзора существующих систем, необходимо отметить, главная цель всех предложенных усовершенствований — увеличение эффективности процедуры, достигаемой, в первую очередь, за счет точного позиционирования микроисточников согласно плану операции. Достигнутая в существующих роботизированных системах погрешность позиционирования радиоактивных
микроисточников имеет величину порядка 1 мм. Уже существуют системы, в которых некоторые функции частично автоматизированы.
Таким образом, разработка роботизированных систем для брахитерапии может позволить преодолеть ограничения и устранить недостатки использующихся на сегодняшний день методов выполнения данной операции, что улучшит результаты лечения и повысит качество жизни пациентов с раком ПЖ.
Статья подготовлена при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в ходе выполнения работ по Соглашению от 27.06.2014 г. № 14.575.21.0035 (уникальный идентификатор RFMEFI57514X0035) о предоставлении субсидии в целях реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузнецов М. А., Ксенофонтов А. И., Наркевич Б. Я. Брахи-терапия рака предстательной железы с использованием закрытых гранульных радионуклидных источников // Мед. физика. 2009. № 4. С. 91-104.
2. Bassan H., Patel R. V., Moallem M. A novel manipulator for prostate brachytherapy: design and preliminary results // Proceedings of the IFAc Symposium on Mechatronic Systems, Heidelberg, Germany. Frankfurt: Elsevier, 2006. P. 30-35.
3. Cleary K., Nguyen C. State of the art in surgical robotics: clinical applications and technology challenges // Comput. Aided. Surg. 2001. Vol. 6. P. 312-328.
4. Dev S. R., Dev S. Robotics technology and flexible automations. Second Edition. New Delhi: Tata McGrawHill, 2010. P. 427.
5. Elliott D. M., Berkey J. J. Automated implantation system for radioisotope seeds // U. S. patent 6869390 B2 (Дата публикации: 16 мая 2002).
6. Fichtinger G., Burdette E. C., Tanacs A. et al. Robotically assisted prostate brachytherapy with transrectal ultrasound guidance -Phantom experiments // Brachytherapy. 2006. Vol. 5. P. 14-26.
7. Fichtinger G., DeWeese T. L., Patriciu A. et al. System for robotically assisted prostate biopsy and therapy with intraoperative CT guidance // Acad. Radiol. 2002. Vol. 9. P. 60-74.
8. Holm H. H., Pedersen J. F., Hansen H., Stroyer I. Transperienal 125I iodine seed implantation in prostatic cancer guided by transrectal ultrasonagraphy // J. Urol. 1983. Vol. 130. P. 283-286.
9. Lagerburg V., Moerland M. A., Seppenwoolde J. H., Lagendijk J. J. Simulation of the artifact of an iodine seed placed at the needle tip in MRI-guided prostate brachytherapy // Phys. Med. Biol. 2008. Vol. 53. P. 59-67.
10. Lagerburg V., Moerland M.A., van Vulpen M., Lagendijk J. J. A new robotic needle insertion method to minimize attendant prostate motion // Radiother. Oncol. 2006. Vol. 80. P. 73-77.
11. Long J.A., Hungr N., Baumann M. et al. Development of a novel robot for transperineal needle based interventions: focal therapy, brachytherapy and prostate biopsies // J. Urol. 2012. Vol. 188. P. 1369-1374.
12. Meltsner M.A. Design and optimization of a brachytherapy robot // Ph.D. thesis, Department of Medical Physics, University of Wisconsin-Madison, 2007.
13. Meltsner M.A., Ferrier N. J., Thomadsen B. R. Design and quantitative analysis of a novel brachytherapy robot // Med. Phys. 2005. Vol. 32. P. 1949.
Государственный научный центр Российской Федерации Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ РОБОТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ НЕПРЯМОГО МАССАЖА СЕРДЦА
Предназначен для замены ручного массажа сердца при выполнении процедуры сердечно-легочной реанимации
Преимущества
глубина компрессии грудной клетки в диапазоне З-б см;
частота компрессии до 120 компрУмин;
время работы в автономном режиме до 45 мин;
наличие адаптивного режима подстройки параметров компрессии;
защита от перелома ребер;
максимально быстрая установка на пациента - менее 1 мин
194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21 ■ Тел.: (812) 552-01 -00, e-mail: [email protected], rtc.ru Лаборатория "Медицинской техники" ■ Тел.: (812) 556-33-51, e-mail: [email protected]
14. Meltsner M.A., Ferrier N. J., Thomadsen B. R. Performance evaluation and optimization of a novel brachytherapy robot // Med. Phys. 2006. Vol. 33. P. 2264.
15. Meltsner M.A., Ferrier N. J., Thomadsen B. R. Observations on rotating needle insertions using a brachytherapy robot // Phys. Med. Biol. 2007. Vol 52. P. 6027-6037.
16. Penner E.A. Interventional MR with a mid-field open system. In: Debatin JFAG, editor. Interventional magnetic resonance imaging. Berlin: Springer-Verlag, 1998. P. 11-18.
17. Podder T. K., Buzurovic I., Huang K. et al. Reliability of EUCLIDIAN: An autonomous robotic system forimage-guided prostate brachy-therapy // Med. Phys. 2010. Vol. 38. P. 96-106.
18. Podder T. K., Buzurovic I., Yu Y. Multichannel robot for imageguid-ed brachytherapy // IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering (BIBE), Philadelphia, PA. New York: IEEE, 2010. P. 209-213.
19. Podder T. K., Clark D. P., Fuller D. et al. Effects of velocity modulation during surgical needle insertion // Conf. Proc. IEEE Eng. Med. and Biol. Soc. 2005. Vol. 6. P. 5766-5770.
20. Podder T. K., Sherman J., Rubens D. et al. Methods for prostate stabilization during transperineal LDR brachytherapy // Phys. Med. Biol. 2008. Vol. 53. P. 1563-1579.
21. Rodney S., Shah T. T., Patel H. R. et al. Key papers in prostate cancer // Expert. Rev. Anticancer Ther. 2014. Vol. 14, № 11. P. 1379-1384.
22. Scardino P. Update: NCCN prostate cancer clinical practice guidelines // J. Natl. Compr. Canc. Netw. 2005. Vol. 3, Supl. 1. P. 29-33.
23. Song D. Y, Burdette E. C., Fiene J. et al. Robotic needle guide for prostate brachytherapy: clinical testing of feasibility and performance // Brachytherapy. 2011. Vol. 10. P. 57-63.
24. Sridhar A. N., Hughes-Hallet A., Mayer E. K. et al. Image-guided robotic interventions for prostate cancer // Nat. Rev. Urol. 2013. Vol. 10. P. 452-462.
25. Stoianovici D. Multi-imager compatible actuation principles in surgical robotics // Int. J. Med. Robot. 2005. Vol. 1. P. 86-100.
26. Stoianovici D., Song D., Petrisor D. et al. MRI Stealth robot for prostate interventions // Minim. Invasiv. Ther. Allied. Technol. 2007. Vol. 16. P. 241-248.
27. Taylor R. H., Stoianovici D. A survey of medical robotics in com-puterintegrated surgery // IEEE Trans. Rob. Autom. 2003. Vol. 19. P. 765-781.
28. van Gellekom M. P., Moerland M.A., Wijrdeman H. K. et al. Quality of permanent prostate implants using automated delivery with seed: Selectron versus manual insertion of RAPID strands // Radiother. Oncol. 2004. Vol. 73. P. 49-56.
29. Wei Z., Wan G., Gardi L. et al. Robot-assisted 3D-TRUS guided prostate brachytherapy: system integration and validation // Med. Phys. 2004. Vol. 31. P. 539-548.
30. Yan K., Podder T., Buzurovic I. Radioactive seed immobilization techniques for interstitial brachytherapy // International J. Comput. Assisted Radiology and Surg. 2008. Vol. 3. P. 165-171.
31. Yu Y., Podder T. K., Zhang Y D. et al. Robotic system for prostate brachytherapy // Comput. Aided Surg. 2007. Vol. 12. P. 366-370.
Поступил в редакцию 17.09.2015 г.
