Робот для термической абляции новообразований методом HIFU

Полезная модель относится к области медицины, а точнее медицинской техники, комплексно использующей ультразвук в диагностических и терапевтических целях. Полезная модель найдет преимущественное применение при удалении различного рода новообразований, например, таких как рак молочной и щитовидной желез и т.п.
Разделяют два способа воздействия фокусированного ультразвука на ткань.
Первый способ воздействия – механический. Используется при коротком импульсном воздействии акустическими сигналами высокой интенсивности. При этом под действием ультразвука в межклеточной жидкости происходит образование и активизация газовых пузырьков, которые приводят к возникновению акустических микропотоков и высоким сдвиговым напряжениям. Под действием этих напряжений пузырьки схлопываются и образуют большие давления, приводящие к разрыву ткани. При этом клетка разрушается и уменьшается в размерах.
Другой способ воздействия – термический. Данный тип воздействия используется при длительном облучении ультразвуком с относительно низкой интенсивностью. При этом акустическая энергия поглощается крупными молекулами, что, впоследствии, приводит к их нагреванию. Наиболее ярко тепловой эффект проявляется в коллагенсодержащих тканях. Известно, что интенсивное термическое воздействие приводит к разрушению клеток, на этом принципе и основан термический метод разрушения тканей.
При больших интенсивностях становится возможным разрушение клеток благодаря термическому воздействию на протяжении определенных промежутков времени. Причем, следует отметить, что большинство клеток злокачественных опухолей и болезнетворных организмов более чувствительны к гипотермии. Поэтому прогрев злокачественных образование может приводить к избирательному уничтожению клеток.
Основной целью применения ультразвука в онкологии было нагреть ткани опухоли до температур, используемых в гипертермии (42–45ºС), сохраняя при этом нормальные ткани при обычной температуре.
Точная локализация акустического пучка должна минимизировать риск для нормальных тканей. Кроме того, нормальная мышечная ткань реагирует на повышение температуры увеличением кровотока, вызывая охлаждение ткани.
Неинвазивное лечение и контроль - научная проблема, на решение которой направлено много усилий. В настоящее время ультразвуковые методы используются практически во всех областях медицинской практики и относятся к наиболее важным современным методам диагностики и лечения. Для диагностики достаточен УЗ низкой мощности, а для воздействия на ткани и сосуды необходим высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (международно принятая аббревиатура HIFU, high-intensity focused ultrasound). HIFU терапия - бурно развивающая технология, которая быстро охватывает новые области применения в медицине, благодаря своей высокой эффективности, отсутствию побочных эффектов и невысокой себестоимости процедуры по сравнению с лучевой терапией и химиотерапией.
При неинвазивном воздействии на патологические образования фокусированным ультразвуком высокой интенсивности актуален контроль состояния биологических тканей.
В последние десятилетия активно разрабатывают акустические методы и технические средства для решения этой задачи.
Исходя из сказанного, актуальной является задача одновременного применения в одном аппаратном комплексе технологий как терапевтического, так и диагностического ультразвука.
В целом результаты значительного числа исследований по ультразвуковой гипертермии опухолей позволяют сделать следующие выводы:
1. Ультразвук может эффективно прогревать глубоко расположенные ткани без существенного перегрева поверхностных тканей. Противоопухолевая эффективность локальной ультразвуковой гипотермии, по данным научной литературы, скорее выше, чем при использовании других гипертермических методов.
3
2. Ультразвук может быть сфокусирован в любом ограниченном по размерам участке мягких биологических, в том числе опухолевых тканей. С его помощью можно создавать в глубоких тканях достаточно равномерные температурные распределения в областях объемом до 100 – 150 см. При этом большое значение приобретают вопросы тщательного контроля температуры в различных участках опухоли.
3. Ультразвук является неионизирующим излучением. В литературе отсутствуют данные, что при его использовании в гипертермии опухолей наблюдаются серьезные побочные эффекты типа метастазирования опухолей, иммунологических нарушений, изменение митотического индекса и т.п.
4. Коэффициент поглощения ультразвука в опухолевых тканях больше, чем в нормальных. Это означает, что, при прочих равных условиях, опухолевая ткань при действии ультразвука нагревается больше, чем нормальная. Это обстоятельство оказывается существенным при воздействии на большую опухоль, когда особенно важно прогреть ее центральную часть, которая не поддается химиотерапии из-за плохого кровотока и обычно является радиоустойчивой.
5. Ультразвуковая аппаратура для гипертермии опухолей относительно проста и недорога. Принципиально она может быть совмещена с ультразвуковой техникой для визуализации тканей организма, в частности опухолей. При этом гипертермическая процедура может проводиться с помощью одной и той же акустической системы в два этапа: поиск опухоли в контрольно-диагностическом режиме и ее нагрев в режиме активного воздействия за счет использования фокусированного ультразвука.
Важным фактором является возможность точного контроля процедуры. В настоящее время это осуществляется двумя путями: ультразвуковым мониторингом в реальном времени или с помощью МРТ. При использовании для контроля МРТ ориентация осуществляется с помощью температурного картирования, которое может быть эффективно использовано при соблюдении условия неподвижности облучаемого объекта.
При ультразвуковом наведении диагностический датчик располагается внутри или рядом с терапевтическим излучателем для четкой визуализации зоны абляции. И, несмотря на то, что МРТ дает лучшую визуальную картину, ультразвук, безусловно, имеет преимущества по стоимости и доступности, меньшим временным затратам, возможности регистрации изменений в очаге в режиме реального времени.
Как отмечено выше, наиболее перспективным направлением в развитии медицинской ультразвуковой техники является комплексное использование диагностических и терапевтических возможностей ультразвука, сконцентрированных технически в одном приборе. В настоящее время широкое распространение в медицинской практике получило раздельное использование диагностического прибора УЗ и излучателя HIFU. Типичным отражением такого подхода является конструкция, описанная в ЕР 2638932. Однако понимание преимуществ объединения ультразвуковой диагностики и терапии в одном устройстве стимулировало творческую активность ученых и изобретателей, которая привела к появлению значительного количества оригинальных идей в рассматриваемом направлении. Идеологическая основа комплексного ультразвукового прибора может быть продемонстрирована конструкцией, описанной в патенте RU 2644932, особенностью которой, как и подавляющего числа аналогичных комплексных приборов, является соосное размещение диагностического ультразвукового датчика и излучателя HIFU в одном корпусе. Следует отметить, что практическая медицина начинает освоение первых промышленно выпускаемых образцов. Научно-технический прогресс в создании комплексного ультразвукового прибора сделал актуальным дальнейшее совершенствование ультразвуковой медицинской техники, в частности, в направлении синтеза комплексного прибора HIFU с с роботизированной системой. Такое сочетание выглядит перспективным, учитывая огромные достижения такой области науки, как мехатроника, органично соединяющая механические системы, например, роботы с последними достижениями электроники, результатом чего является создание интеллектуальных машин, способных осуществлять самостоятельно даже сложные хирургические операции. В этом плане наметилась отчетливая тенденция, заключающаяся в оснащении роботов ультразвуковыми комплексными приборами, предназначенными для решения целого ряда медицинских проблем, в частности, требующих неинвазивного хирургического вмешательства.
В этом плане показательной является конструкция медицинского робота, снабжённого комплексом ультразвукового диагностического и терапевтического оборудования, описанная в патенте US 20050154431. Робот снабжен «контроллером терапии» - отвечающим за планирование, координацию и выполнение медицинских процедур. Контроллер представляет собой компьютерное устройство с достаточными аппаратными и программными ресурсами для обеспечения, управления и контроля всей системы робота, а именно, контроль терапевтической головки излучателя энергии и механики робота. Под терапевтической головкой понимается корпус для размещения всех технических средств, имеющих отношение к аппликатору энергии (излучателю). Система 10 (робототехническая система) имеет сканирующую головку 500, которая включает в себя излучатель энергии (излучатель HIFU) и резервуар для жидкости. (Примечание: при описании аналога использованы номера позиций отдельных узлов и деталей, указанные в патенте). Система 10 имеет средство для подвешивания сканирующей головки 500 в виде рычага 20. Вес механической части робота с учетом веса головки 500 позволяет вручную перемещать эту головку в пространстве или эту операцию можно осуществлять путем использования робота под контролем компьютера 400, являющегося в роботе интеллектуальным устройством. Роботизированная система 10 имеет основание 100, снабженное опорами качения. Плечи робота (звенья) соединяются между собой с помощью шарниров, сопряженных с электроприводами. Сканирующая головка 500 представляет собой корпус, внутри которого размещены излучатель энергии и другие дополнительные устройства. Терапевтическая головка выполнена в виде перевернутой чашки или колокола, имеющего камеру с отверстием в нижней части головки. Камера разделена на две секции, образуя верхнюю и нижнюю камеры с уплотнением между ними. Верхняя из камер содержит такие электронные и моторные приводы, которые необходимы для манипуляции и управления излучателем HIFU. Нижняя камера содержит собственно излучатель HIFU, жидкость для ультразвуковой связи и датчики, определяющие правильность работы роботизированной системы. Система дегазации находится в основании 100, но имеет контур 712 для жидкости, которая проходит к нижней камере 502. Корпус излучателя шарнирно сопряжен с последним звеном робота. Терапевтическая головка 50 содержит моторные приводы 508 и 510 для перемещения излучателя HIFU внутри камеры. Приводы в виде электродвигателей соединены через редуктор с парой ходовых шатунов 520 и 528, которые, в свою очередь, перемещают пару исполнительных механизмов в виде подвижных тяг, снабженных прорезями, движущихся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. По мере того, как ходовые шатуны вращаются в ответ на вращение электродвигателей, исполнительные механизмы переносят излучатель по всему диапазону перемещения подвижных тяг. Робот имеет систему дегазации, предназначенную для удаления газа из раствора, который выполняет и функцию охлаждения излучателя, создавая для последнего благоприятные рабочие условия. Терапевтическая головка 500 включает в себя многочисленные датчики, расположенные снаружи нижней камеры и обеспечивающие безопасные условия работы головки. Основу чувствительной системы головки составляют сенсорные и тактильные датчики. Последние работают в сочетании с устройством измерения нагрузки, которая используется для поддержания контакта терапевтической головки с телом пациента. Устройство нагрузки является частью механизма генерирования силы руки робота достаточной, чтобы поддержать терапевтическую головку в постоянном контакте с поверхностью кожи пациента. Излучатель HIFU имеет диагностический ультразвуковой элемент, используемый для сканирования внутренних тканей пациента. Сканер центрирован для просмотра фокальной зоны излучателя HIFU и может работать в режиме циклического или непрерывного сканирования. Излучатель HIFU образован множеством отдельных излучателей, объединенных в одно устройство и работающих совместно во время лечебной процедуры. Сканирующая головка соединяется вместе с пациентом с помощью ультразвукового связующего агента, который может быть представлен специальным акустическим гелем, или жидкостью, циркулирующей внутри головки.
Недостатком аналога является то, что функция манипулирования излучателем HIFU полностью возложена на конструкцию терапевтической головки. Для этого последняя снабжена совокупностью электронных и моторных приводов, которые посредством редуктора с парой ходовых шатунов кинематически связаны с подвижными тягами, снабженными прорезями, которые движутся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. При вращении двигателя моторного привода ходовые шатуны активируют исполнительный механизм, который переносит излучатель HIFU в определенное положение по всему диапазону подвижных тяг. Необходимость для терапевтической головки обеспечивать манипулирование излучателем HIFU значительно усложняет её конструкцию, как и конструкцию робота, и снижает надежность работы робототехнической системы в целом. Кроме того, способность манипулирования излучателем в терапевтической головке не означает, что имеется возможность манипулирования и диагностическим датчиком. Это обстоятельство снижает функциональные возможности робота.
Конструкция прототипа описана в полезной модели RU 188743, достоинством которой является то, что на механизмы робота возложена функция манипулирования не только излучателем, но и диагностическим датчиком, что упрощает конструкцию терапевтической головки, а значит и конструкцию всей робототехнической системы, в конечном итоге, ведущему к повышению надежности работы системы в целом и улучшению её функциональных возможностей.
Робот для термической абляции новообразований методом HIFU по RU 188743 содержит основание 1, на котором располагается блок 2 управления всей работой робота (Примечание: при описании прототипа Робот для термической абляции новообразований методом HIFU по RU188743 использованы номера позиций отдельных узлов и деталей, указанные в патенте). На основании 1 смонтирована рука 3, состоящая из ряда звеньев 4, связанных между собой посредством шарниров 5, обеспечивающих руке 3 различные степени свободы для манипулирования в пространстве терапевтической ультразвуковая головкой 6, закрепленной на конечном звене 4А руки 3. Перемещение звеньев 4 относительно друг друга обеспечивается наличием в каждом шарнире 5 привода, включающего электродвигатель 7, который имеется также на свободном конце конечного звена 4А. Головка 6 включает корпус 8, выполненный в виде колокола, во внутренней полости которого установлен сферический излучатель HIFU 9, по оптической оси 10 которого в корпусе 8 смонтирован диагностический ультразвуковой датчик 11, прикрепленный к ротору электродвигателя 7 звена 4А робота, что, в конечном итоге, обеспечивает возможность датчику 11 перемещаться в возвратно-поступательном режиме вдоль оптической оси 10 относительно излучателя HIFU 9 при неподвижности корпуса 8, когда последний находится в контакте с поверхностью тела пациента 12. Кроме того, благодаря связи датчика 11 с ротором электродвигателя 7 датчик получает возможность вращения вокруг оси 10. Неразъёмность датчика 11 и излучателя HIFU 9 в корпусе 8 терапевтической головки 6 достигается наличием упора 13 на конце датчика 11. Позициями 14А, 14Б, 14В, 14Д на чертеже обозначены различные положения фокуса 14, а эллипсом 15 условно обозначена зона охвата пространства диагностического датчика. Позицией 16 обозначено новообразование.
Как показал опыт эксплуатации многозвенных роботов в различных сферах их применения, конструкция даже самых совершенных из них не даёт гарантии по соблюдению точности намеченной траектории перемещения конечного звена. Причиной этого является накапливание ошибок по отработке намеченных координат, пусть даже незначительных, от начального звена робота к его конечному звену. Следовательно, перемещение диагностического датчика с помощью руки робота не гарантирует его точного позиционирования относительно точки приложения терапевтического фокуса ультразвука, т.е. точки абляции. Кроме того, при переходе от режима механического торможения звеньев робота к электронному режиму происходит непредсказуемое по траектории движение этих звеньев, что значительно влияет на точность позиционирования перемещаемого роботом диагностического датчика.
Таким образом, задачей полезной модели является увеличение точности позиционирования диагностического датчика в процессе термической абляции биологического объекта методом HIFU.
Поставленная задача решается за счёт того, что в роботе для термической абляции новообразований методом HIFU, содержащем основание, на котором расположен блок управления и рука, состоящая из ряда последовательно связанных друг с другом подвижных звеньев, содержащих приводы вращения в шарнирах их сочленений, при этом на конечном звене установлена терапевтическая ультразвуковая головка с корпусом, в полости которого установлен излучатель HIFU, а по его оптической оси расположен диагностический датчик, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси излучателя, а также вращения вокруг неё, при этом датчик кинематически связан с приводом вращения, расположенным на свободном конце конечного звена робота, между датчиком и приводом вращения конечного звена введён механизм преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика, который включает наружный полый цилиндрический корпус, жёстко связанный как с конечным звеном робота, так и корпусом ультразвуковой головки, при этом в полости корпуса установлен ходовой винт, соединённый с вращательным приводом конечного звена робота и смонтированный в гильзе, несущей на противоположном конце датчик и снабжённой закреплённым в её стенке штифтом, одним концом взаимодействующим с резьбой винта, а другим концом размещенным с возможностью перемещения в сквозной прорези, выполненной в корпусе и образованной сочетанием трёх участков, в частности, одним вертикальным, концы которого переходят в горизонтальные участки, выполненные в виде полуокружностей, ориентированных в противоположные стороны. Кроме того, корпус снабжен дополнительной направляющей прорезью для подвижного размещения в ней узла ввода электрических проводников, обслуживающих диагностический датчик, закрепленный на гильзе, при этом дополнительная прорезь расположена ниже первой и полностью повторяет её форму.
Технический результат полезной модели заключается в том, что при перемещении диагностического датчика в терапевтической процедуре исключается манипулирование многозвенной рукой робота и весь процесс сводится к работе только привода вращения конечного звена. Это достигается за счёт введения между ультразвуковой головкой и конечным звеном робота механизма преобразования вращательного движения привода этого звена в возвратно-поступательное и вращательное движение диагностического датчика. Такое техническое решение ведёт к повышению точности позиционирования диагностического датчика относительно области абляции.
На прилагаемых к описанию чертежах даны следующие изображения:
- на фиг. 1 – схематическое изображение общего вида робота;
- на фиг. 2 – схематическое изображение продольного сечения по блоку, состоящему из механизма преобразования вращательного движения и ультразвуковой головки.
Робот для термической абляции новообразований методом HIFU содержит основание 1, на котором располагается блок 2 управления всей работой робота. На основании 1 смонтирована рука 3, состоящая из ряда звеньев 4, связанных между собой посредством шарниров 5, обеспечивающих руке 3 различные степени свободы для манипулирования в пространстве терапевтической ультразвуковой головкой 6, закрепленной на конечном звене 4А руки 3. Перемещение звеньев 4 относительно друг друга обеспечивается наличием в каждом шарнире 5 привода, включающего электродвигатель 7, который имеется также на свободном конце конечного звена 4А. Головка 6 включает корпус 8, выполненный в виде колокола, во внутренней полости которого установлен сферический излучатель HIFU 9, по оптической оси 10 которого в корпусе 8 смонтирован диагностический ультразвуковой датчик 11. С целью обеспечения возвратно-поступательного и вращательного движения диагностического датчика 11, между ультразвуковой головкой 6, а точнее, датчиком 11 и приводом вращения конечного звена 4А (электродвигателем 7), введён механизм 12 преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика 11. Механизм 12 содержит наружный, цилиндрический и полый корпус 13, который жёстко связан с наружным корпусом 14 электродвигателя 7, смонтированного на конечном звене 4А робота, а также с корпусом 8 ультразвуковой головки 6. В полости корпуса 13 расположена передача типа «винт-гайка», представленная ходовым винтом 15, выполненным в виде цилиндра, на поверхности которого имеется винтообразная канавка 16 (резьба). Винт 15 жёстко связан с ротором 17 электродвигателя 7 и помещён с возможностью вращения в гильзе 18, несущей на другом (нижнем) конце диагностический датчик 11. Верхний конец гильзы 18 снабжён штифтом 19, радиально ориентированным и закрепленным в её стенке. Конец штифта 19, обращенный к винту 15 размещен в канавке 16, т.е. имеет возможность постоянного контакта с резьбой и взаимодействия с винтом 15 при его вращении. Противоположный конец штифта 19 находится в сквозной прорези корпуса 13, которая образована тремя, связанными между собой (сообщающимися) участками 20, 21 и 22. Участки 20 и 22 выполнены горизонтальными и в виде полуокружностей, т.е. повторяющими форму стенки корпуса 13. Участок 21, соединяющий концы участков 20 и 22, выполнен вертикальным. В совокупности все участки придают прорези зигзагообразную форму. На корпусе 13 ниже основной прорези расположена дополнительная прорезь 23, отличающаяся от основной только шириной собственно прорези. В дополнительной прорези 23 размещен узел 24 ввода электрических проводов 25 для обслуживания диагностического датчика 11, закреплённый на гильзе 18. Для пояснения процесса использования робота в процедуре термической абляции методом HIFU на фиг.1 позицией 26 изображён исследуемый биологический объект, позицией 27 - новообразование, позицией 28 – фокус ультразвукового излучения.
Используется робот следующим образом.
Оператор вручную за конечное звено 4А робота устанавливает ультразвуковую головку 6 на поверхность биологического объекта (тело пациента) 26, предварительно покрытое слоем контактного геля. По визуальному изображению новообразования 27, поступающему на монитор (на чертеже не показан) от диагностического датчика 11, оператор, зная исходное фокусное расстояние излучателя 9, размещает фокус 28 в одной из точек в новообразовании 27. После этого в работу включается автоматическая система управления робота из блока 2, по команде которой включается в работу излучатель 9, осуществляя термическую абляцию новообразования 27 в точке расположения фокуса 28. По заданной программе фокус 28 перемещается по телу новообразования 27, осуществляя термическую абляцию последовательно от точки к точке приложения фокуса. Всё время работы излучателя 9 диагностический датчик 11 в автоматическом режиме сканирует пространство, занимаемое новообразованием 27 за счёт возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси 10 и вращения вокруг этой оси. Механизм 12 преобразования работает при этом следующим образом. В верхнем крайнем положении датчика 11 сканирование им может осуществляться путём вращения винта 15 и перемещения, таким образом, кинематически с ним связанного, штифта 19 по горизонтальной прорези 20. Так как штифт 19 жёстко соединен с гильзой 18, то её поворот будет означать и поворот, закреплённого на ней диагностического датчика 11. Для перемещения последнего в крайнее нижнее положение, обозначенное на чертеже фиг.2 как «Б», осуществляют вращение винта 15 в направлении против часовой стрелки, что приведёт к началу перемещения штифта 19 по резьбе 16. При таком вращении винта 15 штифт 19 переместится в вертикальную прорезь 21 на корпусе 13, который неподвижен. Взаимодействие штифта 19 с резьбой 16 приведёт к перемещению штифта 19 по прорези 21 вниз, а значит, и перемещения туда же связанной с ним гильзы 18, а также датчика 11. При достижении нижнего крайнего положения и продолжения вращения винта 15, штифт 19 заходит в горизонтальную прорезь 22, в результате чего гильза 18 поворачивается против часовой стрелки вместе с датчиком 11. Следует отметить, что при нахождении штифта 19 в прорезях 20 и 22 гильза 18 под действием электродвигателя 7 может совершать крутильные (колебательные) перемещения, сканируя, связанным с ней датчиком 11 новообразование 27 в горизонтальной плоскости. Промежуточные нахождения датчика 11 между верхним и нижним его положениями не предусматривают его крутильные перемещения. Одновременно перемещение гильзы 18 вызывает и перемещение узла 24 с проводниками 25 по дополнительным прорезям 23, повторяя траекторию движения штифта 19 по основным прорезям 20, 21 и 22.