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Les scientifiques développent les systèmes robotisés pour le démontage image-guidé des tumeurs cérébrales de dur-à-extension

les scientifiques et les techniciens financés par NIBIB s'associent aux neurochirurgiens pour développer les technologies qui activent le démontage moins invasif et image-guidé des tumeurs cérébrales de dur-à-extension. Leurs technologies combinent les techniques d'imagerie nouvelles qui permettent à des chirurgiens de voir profondément dans le cerveau pendant la chirurgie avec les systèmes robotisés qui améliorent la précision du démontage de tissu.

Un robot qui worms sa voie dedans

Le régime de survie médiane pour des patients avec des glioblastomes, ou le cancer du cerveau primaire de haute catégorie, est moins de deux ans [1]. Un facteur contribuant à cet à bas taux est le fait que beaucoup de tumeurs situées en profondeur et dominantes ne sont pas entièrement accessibles ou même visibles en employant les outils neurochirurgicaux actuels et les techniques d'imagerie.

Mais il y a plusieurs années, J. Marc Simard, M.D., un professeur de la neurochirurgie à l'École de Médecine d'Université du Maryland à Baltimore (UMB), a eu une analyse qu'il a espérée pourrait traiter ce problème. Lorsque, il avait observé une émission de TV dans laquelle les chirurgiens plasticien avaient l'habitude les larves stériles pour retirer le tissu endommagé ou mort d'un patient.

« Ici vous avez eu un système naturel qui a identifié le mauvais de bon et de bon du mauvais, » avez dit Simard. « En d'autres termes, les larves ont enlevé toute la mauvaise substance et ont laissé toute la bonne substance seule et elles sont réellement petites. J'ai pensé, si vous aviez quelque chose équivalente à celle pour retirer une tumeur cérébrale qui serait un test maison absolu. »

Et ainsi Simard s'est associé à Rao Gullapalli, Ph.D., professeur de la radiologie diagnostique et du médicament nucléaire également à UMB, ainsi que Jaydev Desai, Ph.D., professeur de l'industrie mécanique à l'Université du Maryland, stationnement d'université, pour développer un petit robot neurochirurgical qui pourrait être utilisé pour retirer des tumeurs cérébrales situées en profondeur.

Dans un délai de quatre ans, l'équipe avait conçu, construit, et vérifié leur premier prototype, un dispositif comme un doigt avec les joints multiples, lui permettant de déménager beaucoup de sens. Au bout du robot est un outil d'électrocautérisation, qui emploie l'électricité pour chauffer et détruire éventuel des tumeurs, ainsi qu'un tube d'aspiration pour enlever des saletés.

« L'idée était d'avoir un dispositif qui est petit mais qui peut effectuer tout le travail un chirurgien effectue normalement, » a dit Simard. « Vous pourriez mettre ce petit dispositif robotisé à l'intérieur d'une tumeur et le faire fonctionner sa voie autour de, retirant des pièces de tissu malade. »

Un élément clé du dispositif de l'équipe est sa capacité d'être employée tandis qu'un patient subit l'IRM. En remplaçant la visibilité normale par l'IRM sans interruption actualisé, le chirurgien peut concevoir des tumeurs situées en profondeur et surveiller le mouvement du robot sans devoir produire une grande incision dans le cerveau.

En plus de réduire la taille d'incision, Simard dit que la capacité de voir le cerveau sous l'IRM continu aide également des chirurgiens à maintenir des limites de tumeur dans tout un fonctionnement. « Quand nous fonctionnons d'une voie conventionnelle, nous obtenons un IRM sur un patient avant que nous fassions la chirurgie, et nous employons les points de repère qui peuvent être apposés au cuir chevelu ou faisons partie du crâne pour savoir où nous sommes dans le cerveau du patient. Mais quand le chirurgien obtient dans là et commence à retirer la tumeur, la commande des vitesses de tissus autour de sorte que les limites qui étaient bien établies quand tout était en place n'existent maintenant plus, et vous sont confrontés de nouveau avec devoir discerner le cerveau normal de la tumeur. C'est très difficile pour un chirurgien employant la visibilité directe, mais avec l'IRM, la capacité de distinguer la tumeur de la non-tumeur est beaucoup plus puissante. »

Steve Krosnick, M.D., un directeur du programme à NIBIB, dit que le guidage en temps réel d'IRM pendant la chirurgie de tumeur cérébrale serait un avantage énorme. « À la différence d'IRM préopératoire ou d'IRM intermittent, qui exige l'interruption de l'opération, délinéation rapide d'offres intra-en état de fonctionnement en temps réel d'IRM de tissu normal de tumeur tout en représentant les commandes des vitesses de cerveau qui se produisent pendant la chirurgie. »

Mais le modèle d'un dispositif neurochirurgical qui peut être utilisé à l'intérieur d'un aimant d'IRM n'est aucune tâche facile. Un des premiers numéros que vous devez considérer, avez dit Gullapalli, est l'accès d'un chirurgien au cerveau. « Quand vous balayez le cerveau d'une personne pendant un IRM, il est profond à l'intérieur du tunnel de la machine. Le problème est, comment vous obtenez vos mains sur le cerveau tandis que le patient dans le balayeur ? »

La solution de l'équipe était de donner au chirurgien le contrôle robotisé du dispositif afin d'éviter la nécessité d'atteindre le cerveau directement. En d'autres termes, un chirurgien peut insérer le robot dans le cerveau tandis que le patient est en dehors de du balayeur. Puis, quand le patient entre dans le balayeur, le chirurgien peut s'asseoir dans une salle différente et - tout en observant des images IRM du cerveau sur un moniteur-mouvement le robot profondément à l'intérieur du cerveau et le dirige pour electrocauterize et aspirer le tissu.

Jaydev Desai, l'ingénieur mécanicien de l'équipe, indique que l'aspect le plus provocant du projet avait conçu un robot qui peut être réglé à l'intérieur du champ magnétique d'un IRM. Tandis que les robots sont souvent réglés par l'intermédiaire des moteurs électromagnétiques, ce n'était pas une option parce que, sans compter qu'être magnétiques, ces moteurs produisent la distorsion d'image significative, le rendant impossible pour que le chirurgien effectue la tâche. D'autres mécanismes potentiels tels que les circuits hydrauliques étaient hors de la table due aux préoccupations au sujet de la fuite liquide.

Au lieu de cela, Desai a décidé d'employer le matériau d'alliage-un (SMA) de mémoire de forme qui modifie sa forme en réponse aux modifications dedans température-au contrôle le mouvement du robot. Dans le plus récent prototype-établi par Desai et son équipe au laboratoire de robotique, d'automatisation, et (RAMS) de Medical Systems à l'Université du Maryland, au système de parka d'université des câbles, aux poulies et aux ressorts de SMA sont employés. Ce système de câble et de poulie est une amélioration de leur prototype précédent qui a entraîné une certaine déformation d'image.

Avec le soutien continu de NIBIB, Desai et collègues fonctionnent maintenant pour réduire davantage la déformation d'image et pour vérifier la sécurité et l'efficacité de leur dispositif en porcs ainsi que dans les cadavres humains. Bien que ce soit plusieurs années avant que leur dispositif réussisse à pénétrer son la salle d'opération, Simard est excité par l'espérance. « Chirurgie cérébrale de avancement à ce niveau où les machines minuscules ou les robots pourraient diriger à l'intérieur des têtes des gens tout en étant dirigé par des neurochirurgiens avec l'aide de la représentation d'IRM… que c'est au delà de n'importe quoi ce la plupart de rêve de gens de. »

Portée le cerveau

Du côté opposé du pays, un groupe différent de techniciens et les neurochirurgiens travaille également pour développer un outil neurochirurgical image-guidé et robotisé robotisé. Aboutissez par Éric Seibel, Ph.D., un professeur de l'industrie mécanique à l'université de Washington, l'équipe essaye d'adapter un outil d'endoscope-un de fibre de lecture au commencement développé par Seibel à l'image à l'intérieur des voies biliaires principales étroites du foie-ainsi qu'il peut être employé pour concevoir le cerveau pendant la chirurgie.

Un endoscope est un instrument mince et comme un tube avec une caméra vidéo fixée à son extrémité qui peut être passée dans une petite incision ou une ouverture naturelle dans le fuselage pour produire le vidéo en temps réel pendant la chirurgie. Les endoscopes sont un élément essentiel des chirurgies mini-invasives parce qu'ils permettent à des chirurgiens de voir l'intérieur du fuselage sur un moniteur sans devoir effectuer une grande incision.

Cependant, il y a beaucoup de parties du fuselage telles que des petits vaisseaux et des conduits ainsi que des endroits profondément dans le cerveau qui sont inaccessibles aux endoscopes conventionnels. Bien que des endoscopes ultra-minces aient été récent développés, Seibel indique que ces plus petites étendues viennent avec le prix de la définition d'image grand réduite.

« En ce moment, avec les endoscopes ultra-minces de pointe actuels, je prévois basé sur le champ de vision et leur définition pour lesquels la personne regardant cet étalage verrait tellement peu pour être classifiée aux USA comme permissible borgne, » ai dit Seibel.

Mais par le support de NIBIB sur il y a dix ans, Seibel a commencé à travailler sur un type neuf d'endoscope qui pourrait s'insérer dans les crevasses minuscules dans le fuselage tout en maintenant la qualité des images élevée. Son produit fini était un type neuf d'endoscope qui, en dépit de avoir le diamètre d'un cure-dent, peut fournir à des médecins des vues microscopiques de l'intérieur du fuselage.

Seibel a maintenu la qualité des images tandis que de manière significative la réduction de la taille de son étendue en évitant l'endoscope traditionnel modélise. Au lieu d'une source lumineuse et d'une caméra vidéo, l'étendue de Seibel se compose d'une fibre-environ optique unique que la taille d'un être humain cheveu-a située au milieu de l'étendue. La fibre relâche la lumière laser blanche (une combinaison des lasers verts, rouges, et bleus) une fois vibrée à une fréquence particulière. En dirigeant la lumière laser par une suite de lentilles dans l'étendue, il peut se réfléchir largement dans le fuselage, fournissant un champ de vision de 100 degrés. Pendant que la lumière laser blanche agit l'un sur l'autre avec le tissu, elle capte la coloration et la disperse de nouveau à une sonnerie des fibres optiques complémentaires qui transmettent cette information à un moniteur.

« Elle est presque comme mettre vos yeux à l'intérieur du fuselage ainsi vous pouvez voir avec la vue large d'inducteur de votre visibilité humaine, » a dit Seibel.

En collaboration avec trois neurochirurgiens et un technicien électrique, Seibel fonctionne maintenant pour fixer son endoscope nouvel au bout d'un outil neurochirurgical de micro-dissection robotisé réglée.

Par opposition à de plus grands endoscopes traditionnels, Seibel indiquent que son endoscope de fibre de lecture est à peine apparent.

« Il est comme une pièce de spaghetti mouillés, » a dit Seibel. « Il est encore plus petit puis une pièce de spaghetti mouillés de diamètre, mais il ressent comme celui. Ainsi quand il est réellement au bout de l'outil du chirurgien, le chirurgien ne le ressentirait pas frotter derrière elle. »

Un avantage de avoir l'endoscope sous le contrôle robotisé est que le cerveau peut être imagé à un agrandissement plus élevé.

« Un chirurgien ne pourrait pas juger un microscope régulier dans sa main tout en exécutant la chirurgie, mais la boîte de robot, » a dit Seibel.

Le petit groupe microscopique est essentiel en essayant pour déterminer la bordure entre sain tissu-qui si retiré pourrait mener à neurologique déficit-et à cancéreux tissu-qui si parti dans le cerveau pourrait permettre à une tumeur de retourner.

Krosnick dit qu'il a excité par la combinaison de la représentation de haute qualité et de la micro-neurochirurgie activée robotisée. « Elle satisfait un besoin critique, qui est de discerner des marges de tumeur à la haute résolution tandis que la perturbation réduisante à un minimum aux structures normales. »

Seibel croit que cette discrimination entre cancéreux et le tissu sain pourrait être améliorée promeuvent même en tirant profit du fait que son endoscope de lecture peut également trouver la fluorescence. Un des centres principaux de sa recherche actuelle est une collaboration avec JIM Olson, M.D., Ph.D. au centre de cancérologie de Fred Hutchinson, qui est l'inventeur d'une « peinture de tumeur » appelée de substance.

La peinture de tumeur est une sonde fluorescente qui fixe à cancéreux mais pas des cellules saines une fois injectée dans le fuselage. Seibel indique que l'objectif ultime serait de donner à un patient une injection de peinture de tumeur et puis d'utiliser son endoscope pour produire une image des cellules cancéreuses brillantes par fluorescence ainsi qu'une image anatomique colorée du cerveau. Les deux images ont pu alors être fusionnées sur un écran pour que le chirurgien voie pendant un fonctionnement. « Vous pourriez voir toute la structure qu'un chirurgien verrait, mais vous verriez également que ces pointes d'épingle moléculaires de la lumière qui sont des cellules cancéreuses… et là du robot peut être employé pour réséquer, ou retirer, ces petites cellules de cancer, et lui peut le faire très avec précision parce que vous n'avez pas la secousse d'un être humain la retenant. »

Seibel a conclu en disant, « il y a un créneau réel pour la qualité vidéo, haute définition, la représentation multimodale qui est dans un envoi minuscule de sorte qu'il puisse être mis sur les outils microscopiques pour le médicament d'une façon minimum invasif. Je me sens réellement que c'est une technologie de activation qui pourrait faire avancer l'inducteur entier. »

Krosnick est enthousiaste au sujet du progrès que les deux équipes ont accompli jusqu'ici. « Ce sont des technologies novatrices qui, si efficaces, pourraient de manière significative ajouter à l'armamentarium de chirurgie cérébrale. Elles sont toujours tôt à l'étude, mais je pense les deux promesse considérable d'exposition. » Il a conclu en mettant l'accent sur que, comme tous les dispositifs neufs, ces technologies devraient subir une suite de tests cliniques pour s'assurer qu'elles sont sûres et efficaces avant de transformer leur voie en salle d'opération.

Source:

University of Maryland