Когда-нибудь роботы смогут помочь хирургам удалять труднодоступные опухоли головного мозга

Робот, который пробирается внутрьСредняя выживаемость пациентов с глиобластомами или первичным раком головного мозга высокой степени злокачественности составляет менее двух лет.

Одним из факторов, способствующих этой низкой частоте, является тот факт, что многие глубоко расположенные и распространенные опухоли не полностью доступны или даже не видны при использовании современных нейрохирургических инструментов и методов визуализации.Но несколько лет назад Дж. Марк Симард, доктор медицины, профессор нейрохирургии в Медицинской школе Университета Мэриленда в Балтиморе (UMB), понял, что надеялся решить эту проблему.

В то время он смотрел телешоу, в котором пластические хирурги использовали стерильных личинок для удаления поврежденных или мертвых тканей пациента.«Здесь у вас была естественная система, которая отделяла плохое от хорошего и хорошее от плохого», — сказал Симард. «Другими словами, личинки удалили все плохое и оставили все хорошее в покое, и они действительно маленькие. Я подумал, если бы у вас было что-то подобное для удаления опухоли мозга, это было бы абсолютным хоум-бегом».

Поэтому Симард объединился с Рао Гуллапалли, доктором философии, профессором диагностической радиологии и ядерной медицины также в UMB, а также Джейдевым Десаи, доктором философии, профессором машиностроения в Университете Мэриленда в Колледж-Парке, чтобы разработать небольшого нейрохирургического робота, который можно было бы использовать для удаления глубоко расположенных опухолей головного мозга.В течение четырех лет команда спроектировала, сконструировала и протестировала свой первый прототип, устройство в форме пальца с множеством суставов, позволяющее ему двигаться во многих направлениях. На кончике робота находится инструмент для электрокаутеризации, который использует электричество для нагрева и, в конечном итоге, уничтожения опухолей, а также всасывающую трубку для удаления мусора.

«Идея заключалась в том, чтобы иметь небольшое устройство, которое могло бы выполнять всю работу, которую обычно делает хирург», — сказал Симард. «Вы можете поместить это маленькое роботизированное устройство внутрь опухоли и заставить его двигаться изнутри, удаляя кусочки больной ткани».Ключевым компонентом устройства команды является его способность использоваться во время МРТ пациента. Заменяя нормальное зрение на постоянно обновляемую МРТ, хирург может визуализировать глубоко расположенные опухоли и отслеживать движения робота, не делая больших разрезов в головном мозге.

По словам Симарда, помимо уменьшения размера разреза, возможность просматривать мозг при непрерывной МРТ также помогает хирургам отслеживать границы опухоли на протяжении всей операции. «Когда мы работаем обычным способом, мы делаем МРТ пациента перед операцией, и мы используем ориентиры, которые могут быть прикреплены к коже черепа или являются частью черепа, чтобы узнать, где мы находимся в пределах тела пациента. Но когда хирург входит туда и начинает удалять опухоль, ткани сдвигаются, так что теперь границы, которые были четко установлены, когда все было на месте, больше не существуют, и вы снова сталкиваетесь с проблемой отличить нормальный мозг от опухоли. Это очень сложно для хирурга, использующего прямое зрение, но с помощью МРТ способность отличить опухоль от неопухолевой становится намного сильнее ".

Стив Кросник, доктор медицины, программный директор NIBIB, говорит, что МРТ в реальном времени во время операции по удалению опухоли головного мозга будет огромным преимуществом. «В отличие от предоперационной МРТ или прерывистой МРТ, которая требует прерывания хирургической процедуры, интраоперационная МРТ в реальном времени позволяет быстро отделить нормальную ткань от опухоли с учетом сдвигов в головном мозге, которые происходят во время операции».Но создание нейрохирургического устройства, которое можно использовать внутри магнита МРТ, — непростая задача.

По словам Гуллапалли, одна из первых проблем, которые необходимо учитывать, — это доступ хирурга к мозгу. «Когда вы сканируете мозг человека во время МРТ, он находится глубоко внутри туннеля аппарата. Проблема в том, как вы достаете мозг, когда пациент находится в сканере?»Решение команды заключалось в том, чтобы дать хирургу роботизированное управление устройством, чтобы избежать необходимости прямого доступа к мозгу. Другими словами, хирург может вставить робота в мозг, пока пациент находится вне сканера.

Затем, когда пациент входит в сканер, хирург может сидеть в другой комнате и, просматривая МРТ-изображения мозга на мониторе, перемещать робота глубоко внутрь мозга и направлять его для электрокаутеризации и аспирации ткани.Джейдев Десаи, инженер-механик команды, говорит, что самым сложным аспектом проекта было создание робота, которым можно управлять в магнитном поле МРТ. Хотя роботы часто управляются с помощью электромагнитных двигателей, это не вариант, потому что помимо того, что эти двигатели являются магнитными, они создают значительное искажение изображения, что не позволяет хирургу выполнять эту задачу.

Другие потенциальные механизмы, такие как гидравлические системы, не рассматривались из-за опасений по поводу утечки жидкости.Вместо этого Десаи решил использовать сплав с памятью формы (SMA) — материал, который меняет свою форму в ответ на изменение температуры — для управления движением робота. В самом последнем прототипе, разработанном Десаи и его командой из лаборатории робототехники, автоматизации и медицинских систем (RAMS) Университета Мэриленда в Колледж-Парке, используется система тросов, шкивов и пружин SMA.

Эта система троса и шкива является улучшением по сравнению с их предыдущим прототипом, что вызывало некоторое искажение изображения.При постоянной поддержке со стороны NIBIB Десаи и его коллеги в настоящее время работают над дальнейшим уменьшением искажения изображения и проверкой безопасности и эффективности своего устройства на свиньях, а также на трупах людей. Хотя пройдет несколько лет, прежде чем их устройство попадет в операционную, Симард воодушевлен такой перспективой. «Продвижение операций на головном мозге до такого уровня, когда крошечные машины или роботы могут перемещаться в головах людей под руководством нейрохирургов с помощью МРТ… Это превосходит все, о чем большинство людей мечтает».Оценка мозга

На противоположной стороне страны другая группа инженеров и нейрохирургов также работает над созданием управляемого изображения и управляемого роботом нейрохирургического инструмента. Под руководством Эрика Сейбела, доктора философии, профессора машиностроения Вашингтонского университета, команда пытается адаптировать сканирующий волоконный эндоскоп — инструмент, изначально разработанный Сейбелем для изображения внутри узких желчных протоков печени. — чтобы его можно было использовать для визуализации мозга во время операции.

Эндоскоп — это тонкий трубчатый инструмент, на конце которого прикреплена видеокамера, которую можно вставить через небольшой разрез или естественное отверстие в теле для получения видео в реальном времени во время операции. Эндоскопы являются важным компонентом малоинвазивных операций, поскольку они позволяют хирургам просматривать внутреннюю часть тела на мониторе без необходимости делать большой разрез.Однако есть много частей тела, таких как мелкие сосуды и протоки, а также области в глубине мозга, недоступные для обычных эндоскопов.

Несмотря на то, что недавно были разработаны ультратонкие эндоскопы, по словам Сейбеля, цена этих меньших прицелов заключается в значительном снижении разрешения изображения.«Прямо сейчас, с использованием современных ультратонких эндоскопов, я рассчитываю, основываясь на поле зрения и их разрешении, что человек, смотрящий на этот дисплей, будет видеть так мало, что его можно будет классифицировать в США как юридически слепого», — сказал Сейбел. .Но при поддержке NIBIB более десяти лет назад Seibel начал работу над новым типом эндоскопа, который мог бы поместиться в крошечные щели в теле, сохраняя при этом высокое качество изображения.

Его конечным продуктом был эндоскоп нового типа, который, несмотря на диаметр зубочистки, может предоставлять врачам микроскопические изображения внутренней части тела.Сейбел сохранил качество изображения, значительно уменьшив размер своего эндоскопа, отказавшись от традиционных моделей эндоскопов. Вместо источника света и видеокамеры прицел Seibel состоит из одного оптического волокна размером примерно с человеческий волос, расположенного в середине прицела. Волокно излучает белый лазерный свет (комбинация зеленого, красного и синего лазеров) при вибрации с определенной частотой.

Направляя лазерный свет через серию линз в прицеле, он может широко отражаться внутри тела, обеспечивая поле обзора 100 градусов. Когда белый лазерный свет взаимодействует с тканью, он улавливает окраску и рассеивает ее обратно на кольцо дополнительных оптических волокон, которые передают эту информацию на монитор.«Это почти то же самое, что заглянуть внутрь тела, чтобы вы могли видеть широкое поле зрения человеческого зрения», — сказал Сейбель.В сотрудничестве с тремя нейрохирургами и инженером-электриком Сейбель сейчас работает над закреплением своего нового эндоскопа на кончике нейрохирургического инструмента для микродиссекции, управляемого роботом.

В отличие от более крупных традиционных эндоскопов, Сейбел говорит, что его сканирующий волоконный эндоскоп едва заметен.«Это похоже на кусок влажных спагетти», — сказал Сейбель. «По диаметру он даже меньше, чем кусок мокрого спагетти, но похоже на это. Поэтому, когда он оказывается на кончике инструмента хирурга, хирург не чувствует, как он волочится за собой».

Одним из преимуществ использования эндоскопа под управлением робота является то, что мозг можно визуализировать с большим увеличением.«Хирург не может держать микроскоп в руке во время операции, но робот может», — сказал Сейбель.

При попытке определить границу между здоровой тканью, удаление которой может привести к неврологическому дефициту, и злокачественной тканью, которая, если оставить ее в головном мозге, может вернуться опухоль, очень важны микроскопические детали.Кросник говорит, что ему нравится сочетание высококачественной визуализации и роботизированной микро-нейрохирургии. «Он удовлетворяет критическую потребность, заключающуюся в распознавании краев опухоли с высоким разрешением, сводя к минимуму разрушение нормальных структур».Сейбел считает, что это различие между раковыми и здоровыми тканями можно было бы еще больше усилить, воспользовавшись тем фактом, что его сканирующий эндоскоп также способен обнаруживать флуоресценцию. Одним из основных направлений его текущих исследований является сотрудничество с Джимом Олсоном, доктором медицины, доктором философии. в Онкологическом исследовательском центре Фреда Хатчинсона, изобретателя вещества под названием «краска для опухолей».

Краска для опухолей — это флуоресцентный зонд, который при введении в организм прикрепляется к злокачественным, но не здоровым клеткам. Сейбел говорит, что конечной целью было бы сделать пациенту инъекцию краски для опухолей, а затем использовать его эндоскоп для создания изображения флуоресцирующих раковых клеток, а также цветного анатомического изображения мозга. Затем два изображения можно объединить на экране, чтобы хирург мог просмотреть во время операции. «Вы сможете увидеть всю структуру, которую видит хирург, но вы также увидите те молекулярные точки света, которые являются раковыми клетками. … и оттуда робот может быть использован для резекции или удаления этих маленьких раковых клеток, и он может делать это очень точно, потому что у вас нет тряски человека, держащего его ».В заключение Сейбел сказал: «Существует настоящая ниша для мультимодальной визуализации с качеством видео и высоким разрешением, которая находится в крошечной упаковке, чтобы ее можно было использовать в микроскопических инструментах для малоинвазивной медицины.

Я действительно чувствую, что это эффективная технология, которая может переместить все поле вперед ".Кросник в восторге от прогресса, достигнутого обеими командами. «Это инновационные технологии, которые, если они будут эффективными, могут значительно пополнить арсенал хирургии головного мозга. Они все еще находятся на ранней стадии разработки, но я думаю, что обе они весьма перспективны».

В заключение он подчеркнул, что, как и все новые устройства, эти технологии должны пройти серию клинических испытаний, чтобы убедиться, что они безопасны и эффективны, прежде чем попадут в операционную.Для получения дополнительной информации и видео, демонстрирующего, как работает модель, см: http://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/robots-could-one-day-help-surgeons-remove-hard-reach- опухоли головного мозга


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.