Роботизированные системы для высокоточной доставки радионуклидных микроисточников при проведении операций низкодозной брахитерапии

РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ ДОСТАВКИ РАДИОНУКЛИДНЫХ МИКРОИСТОЧНИКОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОПЕРАЦИЙ НИЗКОДОЗНОЙ БРАХИТЕРАПИИ

Сенчик К.Ю.1, Беляев А.М.2, Грязнов Н.А.1, Булкин Р.С.1, УДК: 615.849.1

Харламов В.В.1, Гафтон Г.И.2, Ширин А.С.1, Беспалов В.Г.2, Беляева О.А.2, Киреева Г.С.2

1 Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербург

2 ФГБУ «НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова» Минздрава России, Санкт-Петербург

Резюме

Актуальность создания роботизированных систем для хирургии обусловлена необходимостью обеспечения значительно возросших требований к точности выполнения хирургических манипуляций, увеличению длительности функционирования в условиях усложнения техники операции и тенденции к комбинированным и сочетанным вмешательствам. В обзоре рассматриваются вопросы роботизации процедуры брахи-терапии при раке предстательной железы. Главной целью автоматизации брахитерапии является повышение эффективности лечения, достигаемое в первую очередь за счет точного расположения микроисточников в соответствии с планом операции. Обсуждаются существующие роботизированные системы проведения брахитерапии под контролем визуализации (УЗИ, МРТ, КТ), приводятся их преимущества и недостатки. Сформулированы основные направления развития роботизации брахитерапии.

Ключевые слова: брахитерапия, рак предстательной железы, роботизированная система.

ROBOTIC SYSTEMS FOR HIGH-PRECISION DELIVERY OF RADIONUCLIDE MICROSOURCES IN LOW-DOSE BRACHYTHERAPY SURGERIES

Senchik K.Jii., Beljaev A.M., Grjaznov N.A., Bulkin R.S., Harlamov V.V., Gafton G.I., Shirin A.S., Bespalov V.G., Beljaeva O.A., Kireeva G.S.

Development of robotic systems for surgery is an important issue nowadays because of the higher requirements for accuracy of performance of surgical procedures, increased complicity of surgical technique and the trend towards combined interventions. The review covers the questions of robotization of brachytherapy by example of prostate cancer. Key goal of brachytherapy automatization is to increase efficacy of the treatment which is achieved mainly by more accurate seed deposition in accordance with operation plan. Existing image-guided (ultrasound, MRI, CT) robots for brachytherapy, their advantages and disadvantages are discussed. The main directions of development of robots for brachytherapy are defined.

Keywords: brachytherapy, prostate cancer, robotic system.

Рак простаты - это самый частый рак и четвертая по частоте причина смерти мужчин [15]. В лечении локализованного рака простаты (начальные стадии заболевания) используют несколько лечебных подходов, стандартными из которых являются радиотерапия и радикальная простатэктомия. Радиотерапия представляет собой альтернативу операции, поскольку при адекватном отборе пациентов она позволяет достичь хороших результатов [17, 21]. Разновидностью лучевой терапии является метод брахитерапии, в котором радиоактивный источник (изотоп) имплантируется непосредственно в опухоль с помощью игл и удерживается там в течение некоторого времени [9]. Брахитерапия сочетает в себе преимущества метода радиотерапии без необходимости воздействия на соседние участки тела, при этом обладая минимальной инвазивностью. Таким образом, становится возможным достичь необходимой величины уровня облучения опухоли без облучения других важнейших близкорасположенных органов. Кроме рака предстательной железы брахитерапия также используется в лечении рака шейки матки, рака эндометрия, рака ротовой полости [25]. В зависимости от дозы облучения брахитерапия может быть низкодозной и высокодозной. Низкодозная брахитерапия (постоянная имплантация источника) используется как самостоятельный радикальный метод лечения, и на сегодняшний день она является одним из

ведущих вариантов лечения рака предстательной железы, поскольку позволяет достичь впечатляющих отдаленных результатов лечения у пациентов с низким, средним и высоким риском [9, 18]. О значимости брахитерапии в лечении рака предстательной железы говорит и то, что в 2013 году на проведение данной процедуры в РФ было выделено 837 квот, что на 100 больше, чем в 2012 году [1].

Основным способом выполнения операции бра-хитерапии на сегодняшний день является введение радиоактивных имплантов с помощью иглы посредством специального шаблона. Перед выполнением процедуры производится сканирование положения опухоли и производится расчет оптимального распределения облучения, и, как следствие, определение положения микроисточников. Управление самой процедурой брахи-терапии осуществляется оператором, контролирующим с помощью УЗИ или МРТ сканеров процесс введения микроисточников и их положение относительно опухоли [2, 12].

Сегодня наиболее перспективным направлением развития брахитерапии с целью кардинального повышения эффективности и результативности является роботизация процедуры, заключающаяся в применении робототехнических систем на всех этапах процедуры [4, 10, 20].

Роботизация процедуры брахитерапии позволяет решить следующие задачи [26]:

- уменьшение погрешности позиционирования микроисточников в опухоли;

- стабильность достижения результатов процедуры;

- уменьшение вероятности повреждения критически важных органов и тканей;

- более эффективное распределение излучения в опухоли;

- уменьшение влияния человеческого фактора на результат операции;

- уменьшение вредного воздействия облучения на медицинский персонал;

- простота освоения и применения техники.

Основные функциональные требования, предъявляемые к роботизированным системам для брахитерапии [26]:

- быстрое и легкое разъединение в случае экстренной ситуации;

- возможность возвращения к обычному ручному методу брахитерапии в любое время;

- улучшение методов иммобилизации простаты;

- корректировка плана операции по результатам уже выполненных шагов;

- возможность для врача изучить и одобрить план брахитерапии до введения иглы;

- подтверждение с помощью выбранного метода визуализации расположения каждого источника или кончика иглы;

- автоматическое управление иглой посредством обратной связи;

- простота проведения операции и безопасность для пациента и окружающего персонала;

- возможность очистки и дезинфекции роботизированной системы;

- совместимость с методами стерилизации.

Изучение литературы и патентный поиск позволяет сделать вывод о том, что в мире идет активная работа по созданию роботизированных систем для проведения процедуры брахитерапии. Одна из них, система «FIRST» компании Elekta-Nucletron, Голландия, может быть отнесена к категории серийно выпускаемых коммерческих продуктов. Система предназначена для ручного введения игл с микроисточниками под контролем УЗИ сканера и обладает двумя степенями свободы. Согласно результатам исследований, итоговая точность позиционирования микроисточников не менее 1 мм [23].

Остальные разработки могут быть отнесены к некоммерческим лабораторно-исследовательским системам, большинство из которых не проходили клинических испытаний. Основные центры этих разработок - Университет Джонса Хопкинса (США), Университет Томаса Джеф-ферсона (США), а также Университеты Канады и Франции

- всего более дюжины различный систем [23]. Рассмотрим основные направления применения роботизации систем для проведения процедуры брахитерапии.

В самом простом случае позиционирование иглы осуществляется с помощью шаблона с отверстиями, и врач вручную вводит иглу с микроисточником на заданную глубину. Простейшее применение робота позволяет позиционировать иглу точнее за счет применения механизма перемещении иглы. Развивая эту идею, добавляя дополнительные сочленения роботизированному манипулятору с иглой, и, как следствие этого, увеличивая количество степеней свободы, можно получить возможность наклонять иглу и уменьшить инвазивность процедуры. Возможно также добавить вращение иглы для получения дополнительной свободы перемещения. И, наконец, автоматизированное управление процедурой может позволить выполнять введение игл без непосредственного участия оператора, что увеличит точность и снизит влияние человеческого фактора [11, 20].

Другим направлением роботизации систем для бра-хитерапии является применение разнообразных систем сканирования. Исходно применялось только перед- и послеоперационное сканирование. Затем было предложено использовать УЗИ сканеры для внутриоперационного контроля положения микроисточников и иглы. Развитием метода УЗИ стало применение трансректального УЗИ сканера, позволяющего предельно близко приблизиться к опухоли и получить наилучшее качество изображения [24]. Альтернативой УЗИ стал МРТ сканер, позволяющий лучше разрешать составные части тканей опухоли.

На сегодняшний день существуют роботы для проведения низкодозной брахитерапии под УЗИ- и МРТ-наведением. Данное роботизирование процеду-

Табл. Роботы для проведения брахитерапии под контролем визуализации

Исследование Тип исследования Точность наведения иглы, мм Наведение иглы Позиционирование иглы

Под контролем УЗИ

Davies et al. (2004)[6] Фантомное н/с Автоматическое Автоматическое

Bassan et al. (2007) [3] Фантомное 1,45 Автоматическое Автоматическое

Yu et al. (2007) [26] Фантомное 0,69 Автоматическое Автоматическое

Fichtinger et al. (2008) [8] Клиническое <1 Автоматическое Автоматическое

Salcudean et al. (2008) [16] Фантомное 1,2 Ручное и автоматическое Ручное

Podder et al. (2010) [14] Фантомное н/с Автоматическое Автоматическое

Под контролем КТ

Fichtinger et al. (2002) [7] Фантомное 2 Автоматическое Ручное

Под контролем МРТ

van den Bosch et al. (2010) [22] Клиническое н/с Автоматическое Автоматическое

Примечание: н/с - не сообщалось.

ры брахитерапии обеспечивает автоматизированное телероботическое введение иглы и автоматизированное расположение источников излучения в точное местоположение в простате [13, 14, 16, 26]. Точность расположения источников при использовании данных систем составляет 1-2 мм (табл.) [19].

На сегодняшний день только робот для брахитерапии под УЗИ-наведением был изучен в клинических исследованиях. Робот, описанный Fichtinger et al. [8], состоит из автоматизированной системы наведения иглы и использовался у 5 пациентов для введения иглы для брахитерапии с ошибкой в точности 0,49 мм. В данной системе трехмерная модель предстательной железы создавалась с использованием трансректального УЗИ, который затем использовался врачом для составления плана расположения источников излучения. Далее автоматизированная система наведения иглы сама по себе и хирург вручную вводили иглу. В попытке упорядочить рабочий процесс эта же группа исследователей разработала робот для брахитерапии под КТ-наведением, скомбинировав использование КТ для введения иглы и дозиметрического планирования [7]. Однако данная система не могла проводить детекцию иглы в реальном времени, тем самым не позволяя проводить динамический контроль процедуры.

Еще один способ решения проблемы изменения положения и деформация предстательной железы во время процедуры - это одновременное введение нескольких игл, используя многоканального робота для проведения брахитерапии под контролем визуализации [14]. Теоретическое преимущество данной системы - это сокращение длительности процедуры, что потенциально может снизить отек предстательной железы и уменьшить ее движение (последнее увеличивает точность наведения иглы). Данный робот имеет шесть степеней свободы и может вводить до 16 игл одновременно или по отдельности в зависимости от дозиметрического плана. Фантомные исследования показали разницу между фактическим и запланированным расположением иглы, равную 0,05 мм. Необходимо отметить, что исследование свойств и характеристик различных систем сканирования, а также ограничений, которые они накладывают на роботизированную систему, является самостоятельной обширной областью для исследования.

Развитие систем сканирования также идет и в направлении обработки результатов исследования. Важным результатом применения компьютерной техники стала обработка данных и формирование трехмерной картины области тела пациента с опухолью. Разработка математических моделей взаимодействия облучения с тканями позволяет автоматически рассчитывать оптимальное расположение микроисточников по критериям минимальной интенсивности облучения соседних тканей при максимизации воздействия на саму опухоль. Наличие внутриоперационного контроля положения иглы и микроисточников позволяет автоматически корректи-

ровать план операции по результатам уже выполненных шагов.

Интеграция платформ для брахитерапии под контролем визуализации с роботизированными системами доставки источников излучения имеет потенциал для повышения точности размещения источников. На сегодняшний день большинство существующих роботизированных систем для наведения используют предоперационные данные МРТ, в связи с чем их возможности ограничены проблемой деформации и движения предстательной железы [19]. Кроме того, внедрению роботизированных систем для брахитерапии в клиническую практику препятствует недостаточная совместимость между платформами планирования брахитерапии и существующими роботизированными системами доставки радиоактивных имплантов.

Необходимо упомянуть об еще одной идее - применении гибких игл различной конструкции. Применение гибких игл позволяет реализовать принципиально новое свойство - возможность применения криволинейных траекторий введения игл в тело пациента [5]. Главное преимущество такого подхода заключается в возможности обхода критически важных участков тела и доступа в области, недоступные для прямолинейных траекторий. Это должно привести к уменьшению травматичности операции, уменьшению риска послеоперационных осложнений и общему увеличению эффективности облучения. Очевидно, реализация такого метода требует сложного математического аппарата, реализуемого в автоматизированной робототехнической системе с применением сканирования высокого разрешения и компьютерного управления и отображения результатов.

Подводя итог обзора существующих систем, необходимо отметить, главная цель всех предложенных усовершенствований - увеличение эффективности процедуры, достигаемая 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.

Немаловажным фактором, требующим упоминания в списке преимуществ роботизированных систем, является исключение необходимости постоянного нахождения медперсонала рядом с источниками радиоактивного облучения. Если управление роботом осуществлять удаленно с компьютерного терминала и использовать автоматизированные модули и сканеры, то вредное облучение возможно свести к минимуму.

Хотелось бы особенно отметить, что вышеописанные системы разработаны или разрабатываются за границей. К сожалению, активность отечественных авторов и разработчиков совершенно недостаточна тому комплексу задач, который стоит перед отечественным здравоохранением в части проведения процедур брахитерапии.

Сегодня в нашей стране уровень роботизации процедур брахитерапии крайне низок, что отрицательно сказывается на эффективности лечения пациентов. Авторам видится, что перспективы развития роботизированных систем применительно к диагностике и лечению рака простаты методом брахитерапии исключительно обширны. Сюда можно отнести следующие основные направления:

- создание роботов управляющих перемещением игл;

- роботизация систем сканирования и визуализации;

- интеграция робототехнических систем с системами контроля для получения полностью автоматических систем с удаленным компьютерным управлением;

- исследование взаимодействия иглы с тканями и разработка математических моделей такого взаимодействия;

- исследование возможностей применения гибких игл и разработка математических моделей их движения.

Важнейшим практическим аспектом при использовании роботизированных систем является интерфейс человек-робот. От этого компонента во многом зависит эффективность операции, а точнее эффективность использования человеком-оператором всех возможностей подконтрольного ему робота. В рамках интерфейса хотелось бы остановиться на следующих его частях:

1. Способ отображения информации о состоянии робота и системы в целом. От удобства и наглядности способа будет зависеть не только возможность оператора правильно оценить ситуацию, определив правильное решение задачи, и в нештатной ситуации быстро определить ее и обезопасить пациента, но и удобство применения системы в целом. Ключевыми направлениями реализации этих задач является наглядное трехмерное представление всей роботизированной системы, иглы, микроисточников, критически важных элементов тела пациента и плана операции, требующее комплексной обработки данных сканера и обратной связи робота, а также применение очувствления.

2. Способ воздействия, которым оператор дает целеуказания роботу, будет определяться, в первую очередь, устройством манипулятора, преобразующего действия оператора в команды роботу. Простота и легкость его применения позволят существенно увеличить точностные характеристики движений робота, ослабить влияние человеческого фактора за счет уменьшения количества неверных команд вследствие усталости оператора и неудобства управления. В этой области существует большое количество разработок, анализ которых вместе с разработкой новых инновационных решений позволит улучшить эффективность взаимодействия человек-робот.

3. Способность робота обрабатывать команды оператора и изменять их определяется логикой и вычислительными возможностями устройства управления, что позволит переходить от ручного управления роботом к все более высоким уровням автоматизации процессов

в робототехнической системе, сулящим огромные возможности. Их реализация представляется возможной на основе применения искусственного интеллекта, в частности, нейросетей, нечеткой логики и экспертных систем. Целью развития таких систем должны стать их самообучение и проведение операции брахитерапии в полностью автоматическом режиме. В настоящее время в Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики ведутся опытно-конструкторские работы по созданию многофункционального медицинского робота для выполнения сложных манипуляций в хирургии в автоматическом и полуавтоматическом режиме. Данная автоматизированная система будет предназначена, в том числе, и для проведения брахитерапии под контролем УЗИ и позволит определять оптимальные точки ввода иглы, оптимальный угол склонения, обеспечит автоматическое позиционирование иглы и размещение микроисточников. С помощью ультразвукового датчика в составе роботизированной системы будет создаваться карта тканевых структур с верификацией сосудов, что позволит врачу иметь точный и наглядный план брахитерапии как до, так и во время операции.

Литература

1. Свиридов П. Приговор отменяется // Медицина: целевые проекты. - 2010.

- №5. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bebig.ru/netcat_files/File/beb-ig_pub_6.pdf (дата обращения: 07.09.2014).

2. Adam Cunha J., Hsu I., Pouliot J. et al. Toward adaptive stereotactic robotic brachytherapy for prostate cancer: Demonstration of an adaptive workflow incorporating inverse planning and an MR stealth robot // Minim. Invasive Ther. Allied Technol. - 2010. - Vol. 19. - P. 189-202.

3. Bassan H.S., Patel R.V., Moallem M.A. Novel manipulator for percutaneous needle insertion: design and experimentation // IEEE ASME Trans. Mechatron. - 2009.

- Vol. 14. - P. 746-761.

4. 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.

5. Cleary K., Watson V., Lindisch D. et al. Precision placement of instruments for minimally invasive procedures using a "needle driver" robot // Int. J. Med. Robot.

- 2005. - Vol. 1. - P. 40-47.

6. Davies B.L., Harris, S.J., Dibble E. et al. Brachytherapy-an example of a urolo-gical minimally invasive robotic procedure // Int. J. Med. Robotics Comput. - 2004.

- Vol. 1. - P. 88-96.

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. Fichtinger G., Fiene J.P., Kennedy C.W. et al. Robotic assistance for ultrasound-guided prostate brachytherapy // Med. Image Anal. - 2008. - Vol. 12. - P. 535-545.

9. Koukourakis G., Kelekis N., Armonis V. Brachytherapy for Prostate Cancer: A Systematic Review // Adv. Urol. - 2009. - Vol. 2009. [Electronic source]. URL: http:// www.hindawi.com/journals/au/2009/327945/

10. 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.

11. Martin N.E., D'Amico A.V. Progress and controversies: Radiation therapy for prostate cancer // CA Cancer J. Clin. - 2014. - Vol.64. - P.389-407

12. Patriciu A.L., Petrisor D., Muntener M. et al. Automatic brachytherapy seed placement under MRI guidance // IEEE Trans Biomed Eng. - 2007. - Vol. 54. - P. 1499-506.

13. Phee L., Xiao D.; Yuen J. et al. Ultrasound guided robotic system for transperineal biopsy of the prostate // IEEE Int. Conf. Robot. Autom. - 2005. - P. 1315-1320.

14. Podder, T., Buzurovic, I., Huang, K. et al. MIRAB: an image-guided multichannel robot for prostate brachytherapy // Bodine J. - 2010. - Vol. 3. - P. 39-43.

15. 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

16. Salcudean S.E., Prananta T.D., Morris W.J. et al. A robotic needle guide for prostate brachytherapy // IEEE Int. Conf. Robot. Autom. - 2008. - 2975-2981.

17. Scardino P. Update: NCCN prostate cancer clinical practice guidelines // J. Natl. Compr. Canc. Netw. - 2005. - Vol. 3, Supp. 1. - P. 29-33.

18. Skowronek J. Low-dose-rate or high-dose-rate brachytherapy in treatment of prostate cancer - between options // J. Contemp. Brachytherapy. - 2013. - Vol. 5, №1.

- P. 33-41.

19. 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

20. Taylor R.H., Stoianovici D. A survey of medical robotics in computerintegrated surgery // IEEE Trans. Rob. Autom. - 2003. - Vol. 19. - P. 765-781.

21. Thompson I., Thrasher B. J., Aus G. et al. Guideline for the management of clinically localized prostate cancer // J. Urol. - 2007. - Vol. 177, №6. - P. 2106-2131.

22. van den Bosch M.R., Moman M.R., van Vulpen M. et al. MRI-guided robotic system for transperineal prostate interventions: proof of principle // Phys. Med. Biol.

- 2010. - Vol. 55. - P. 133-140.

23. Venselaar J., Meigooni A.S., Baltas D. et al. Comprehensive Brachytherapy: Physical and Clinical Aspects. USA: CRC Press, 2013. 535 pp.

24. 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.

25. Yan K., Podder T., Buzurovic I. Radioactive seed immobilization techniques for interstitial brachytherapy // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. - 2008. - Vol. 3. - P. 165-171

26. Yu Y., Podder T.K., Zhang Y.D. et al. Robotic system for prostate brachytherapy // Comput. Aided Surg. - 2007. - Vol. 12. - P. 366-370.

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Киреева Галина Сергеевна

197758, Санкт-Петербург, пос. Песочный, ул. Ленинградская, 68 e-mail: galinakireyeva@mail.ru