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Os cientistas desenvolvem sistemas robóticos para a remoção imagem-guiada de tumores cerebrais difíciis de alcançar

os cientistas e os coordenadores NIBIB-financiados teaming acima com neurocirurgião para desenvolver as tecnologias que permitem a remoção menos invasora, imagem-guiada de tumores cerebrais difíciis de alcançar. Suas tecnologias combinam as técnicas de imagem lactente novas que permitem que os cirurgiões considerem profundamente dentro do cérebro durante a cirurgia com sistemas robóticos que aumentam a precisão da remoção do tecido.

Um robô que worms sua maneira dentro

A taxa de sobrevivência mediana para pacientes com glioblastomas, ou o cancro cerebral preliminar do nível superior, são menos de dois anos [1]. Um factor que contribui a este desprezado é o facto de que muitos tumores profundamente arraigados e patentes não são inteiramente acessíveis ou mesmo visíveis ao usar ferramentas neurosurgical actuais e técnicas de imagem lactente.

Mas diversos anos há, J. Marc Simard, M.D., um professor da neurocirurgia na Faculdade de Medicina da Universidade de Maryland em Baltimore (UMB), teve uma introspecção que esperasse pudesse endereçar este problema. Então, tem olhado um programa televisivo em que os cirurgiões plásticos usavam larvas estéreis para remover o tecido danificado ou inoperante de um paciente.

“Aqui você teve um sistema natural que reconhecesse o mau de bom e de bom do mau,” disse Simard. “Ou seja as larvas removeram todo o material ruim e sairam de todo o bom material sozinho e são realmente pequenas. Eu pensei, se você teve algo equivalente àquele para remover um tumor cerebral que fosse um home run absoluto.”

E assim Simard teamed acima com Rao Gullapalli, Ph.D., professor da radiologia diagnóstica e da medicina nuclear igualmente em UMB, assim como Jaydev Desai, Ph.D., professor da engenharia mecânica na Universidade de Maryland, parque da faculdade, para desenvolver um robô neurosurgical pequeno que poderia ser usado para remover os tumores cerebrais profundamente arraigados.

Dentro de quatro anos, a equipe tinha projectado, construído, e testado seu primeiro protótipo, a dedo-como o dispositivo com junções múltiplas, permitindo que mova-se em muitos sentidos. Na ponta do robô são uma ferramenta da electrocauterização, que use a electricidade para aquecer e destruir finalmente tumores, assim como uma câmara de ar de sucção para remover os restos.

“A ideia era ter um dispositivo que fosse pequeno mas que pode fazer todo o trabalho um cirurgião faz normalmente,” disse Simard. “Você poderia colocar este dispositivo robótico pequeno dentro de um tumor e mandá-lo trabalhar ao redor sua maneira de dentro de, removendo as partes de tecido doente.”

Um componente-chave do dispositivo da equipe é sua capacidade para ser usado quando um paciente se submeter a MRI. Substituindo a visão normal com o MRI continuamente actualizado, o cirurgião pode visualizar tumores profundamente arraigados e monitorar o movimento do robô sem ter que criar uma grande incisão no cérebro.

Além do que a diminuição do tamanho da incisão, Simard diz que a capacidade para ver o cérebro sob MRI contínuo igualmente ajuda cirurgiões a se manter a par de limites do tumor durante todo uma operação. “Quando nós nos estamos operando em uma maneira convencional, nós obtemos um MRI em um paciente antes que nós façamos a cirurgia, e nós usamos os marcos que podem ser afixados ao escalpe ou somos peça do crânio para saber onde nós estamos dentro do cérebro do paciente. Mas quando o cirurgião obtem em lá e começa remover o tumor, a SHIFT dos tecidos ao redor de modo que agora os limites que eram bem conhecidos quando tudo era no lugar não existam anymore, e você são confrontados mais uma vez com ter que distinguir o cérebro normal do tumor. Isto é muito difícil para um cirurgião que usa a visão directa, mas com MRI, a capacidade para discriminar o tumor do não-tumor é muito mais poderosa.”

Steve Krosnick, M.D., um director de programa em NIBIB, diz que orientação do tempo real MRI durante a cirurgia do tumor cerebral seria uma vantagem tremenda. “Ao contrário de MRI pré-operativo ou de MRI intermitente, que exige a interrupção do procedimento cirúrgico, delineação rápida MRI das ofertas intraoperativas do tempo real do tecido normal do tumor ao esclarecer as SHIFT do cérebro que ocorrem durante a cirurgia.”

Mas projetar um dispositivo neurosurgical que possa ser usado dentro de um ímã de MRI não é nenhuma tarefa fácil. Uma das primeiras edições que você tem que considerar, disse Gullapalli, é o acesso de um cirurgião ao cérebro. “Quando você faz a varredura do cérebro de uma pessoa durante um MRI, é profundo dentro do túnel da máquina. O problema é, como você obtem suas mãos no cérebro quando o paciente no varredor?”

A solução da equipe era dar ao cirurgião o controle robótico do dispositivo a fim contornar a necessidade de alcançar directamente o cérebro. Ou seja um cirurgião pode introduzir o robô no cérebro quando o paciente for fora do varredor. Então, quando o paciente se move no varredor, o cirurgião pode sentar-se em uma sala diferente e - ao olhar imagens de MRI do cérebro em um monitor-movimento o robô profundamente dentro do cérebro e dirige-o para electrocauterize e aspirar o tecido.

Jaydev Desai, engenheiro mecânico da equipe, diz que o aspecto o mais desafiante do projecto tem projectado um robô que possa ser controlado dentro do campo magnético de um MRI. Quando os robôs forem frequentemente controlados através dos motores eletromagnéticos, esta não era uma opção porque, além de ser magnéticos, estes motores criam a distorção de imagem significativa, fazendo o impossível para que o cirurgião execute a tarefa. Outros mecanismos potenciais tais como sistemas hidráulicos estavam fora da tabela devido aos interesses sobre o escapamento fluido.

Em lugar de, Desai decidiu usar o material da liga-um (SMA) da memória da forma que altera sua forma em resposta às mudanças dentro temperatura-ao controle o movimento do robô. No mais recente protótipo-revelado por Desai e em sua equipe no laboratório da robótica, da automatização, e (RAMS) do Medical Systems na Universidade de Maryland, no sistema do Parka da faculdade de cabos, nas polias e nas molas de SMA são usados. Este sistema do cabo e da polia é uma melhoria de seu protótipo precedente que causou alguma distorção de imagem.

Com apoio continuado de NIBIB, Desai e os colegas estão trabalhando agora para reduzir mais a distorção de imagem e para testar a segurança e a eficácia de seu dispositivo nos suínos assim como em cadáver humanos. Embora será diversos anos antes que seu dispositivo encontre sua maneira na sala de operações, Simard é entusiasmado pela perspectiva. “Cirurgia de cérebro de avanço a este nível onde as máquinas ou os robôs minúsculos poderiam navegar dentro das cabeças do pessoa ao ser dirigido por neurocirurgião com a ajuda da imagem lactente de MRI… que é além de qualquer coisa esse a maioria de sonho dos povos de.”

Scoping o cérebro

No lado oposto do país, um grupo diferente de coordenadores e os neurocirurgião igualmente estão trabalhando para desenvolver uma ferramenta neurosurgical imagem-guiada, robotically-controlada. Conduza por Eric Seibel, Ph.D., um professor da engenharia mecânica na universidade de Washington, a equipe está tentando adaptar uma ferramenta do endoscópio-um da fibra da exploração desenvolvida inicialmente por Seibel à imagem dentro dos colagogos estreitos do fígado-assim que pode ser usado para visualizar o cérebro durante a cirurgia.

Um endoscópio é um fino, câmara de ar-como o instrumento com uma câmara de vídeo anexada a sua extremidade que pode ser introduzida com uma incisão pequena ou uma abertura natural no corpo para produzir o vídeo do tempo real durante a cirurgia. Os endoscópios são um componente essencial de cirurgias mìnima invasoras porque permitem que os cirurgiões ver o interior do corpo em um monitor sem ter que fazer uma grande incisão.

Contudo, há muitas partes do corpo tais como embarcações e canais assim como as áreas pequenos profundamente no cérebro que são inacessíveis aos endoscópios convencionais. Embora os endoscópios ultrathin sejam desenvolvidos recentemente, Seibel diz que estes espaços menores vêm com o preço da definição de imagem extremamente reduzida.

“Agora, com os endoscópios ultrathin avançados actuais, eu calculo baseado no campo de visão e em sua definição de que a pessoa que olha esse indicador veria tão pouco a respeito para ser classificada nos E.U. como legalmente cega,” disse Seibel.

Mas com o apoio de NIBIB sobre dez anos há, Seibel começou a trabalhar em um novo tipo de endoscópio que poderia caber em fendas minúsculas no corpo ao reter a qualidade alta da imagem. Seu produto acabado era um novo tipo de endoscópio que, apesar de ter o diâmetro de um palito, pudesse fornecer doutores as ideias microscópicas do interior do corpo.

Seibel reteve a qualidade da imagem quando significativamente reduzir o tamanho de seu espaço evitando o endoscópio tradicional modelar. Em vez de uma fonte luminosa e de uma câmara de vídeo, o espaço de Seibel consiste em uma única fibraque óptica o tamanho de um ser humano cabelo-localizou no meio do espaço. A fibra libera o laser branco (uma combinação de lasers verdes, vermelhos, e azuis) quando vibrada em uma freqüência particular. Dirigindo o laser com uma série de lentes no espaço, pode-se reflectir extensamente dentro do corpo, fornecendo um campo de visão de 100 graus. Enquanto o laser branco interage com o tecido, pegara a coloração e dispersa-a de volta a um anel das fibras ópticas adicionais que transmitem esta informação a um monitor.

“É quase como a colocação de seus olhos dentro do corpo assim que você pode ver com a ideia larga do campo de sua visão humana,” disse Seibel.

Em colaboração com três neurocirurgião e um engenheiro electrotécnico, Seibel está trabalhando agora para fixar seu endoscópio novo à ponta de uma ferramenta neurosurgical da micro-dissecção robotically controlada.

Ao contrário dos endoscópios tradicionais maiores, Seibel diz que seu endoscópio da fibra da exploração é mal visível.

“É como uma parte de espaguetes molhados,” disse Seibel. “É mesmo menor então uma parte de espaguetes molhados no diâmetro, mas sente como aquele. Assim quando está realmente na ponta da ferramenta do cirurgião, o cirurgião não a sentiria arrastar atrás dela.”

Uma vantagem de ter o endoscópio sob o controle robótico é que o cérebro pode ser imaged em uma ampliação mais alta.

“Um cirurgião não poderia manter um microscópio constante em sua mão ao executar a cirurgia, mas a lata do robô,” disse Seibel.

O detalhe microscópico é essencial ao tentar determinar a beira entre saudável tecido-que se removido poderia conduzir a neurológico deficit-e a cancerígeno tecido-que se saido no cérebro poderia permitir que um tumor retorne.

Krosnick diz que tem entusiasmado pela combinação da imagem lactente de alta qualidade e de micro-neurocirurgia permitida robótico. “Endereça uma necessidade crítica, que seja distinguir margens do tumor na alta resolução quando o rompimento de minimização às estruturas normais.”

Seibel acredita que esta discriminação entre o tecido cancerígeno e saudável poderia ser mesmo mais adicional aumentado se aproveitando o facto de que seu endoscópio da exploração pode igualmente detectar a fluorescência. Um dos focos principais de sua pesquisa actual é uma colaboração com Jim Olson, M.D., Ph.D. no centro de investigação do cancro de Fred Hutchinson, que é o inventor de uma substância chamada do “pintura tumor”.

A pintura do tumor é uma ponta de prova fluorescente que anexe às pilhas cancerígenos mas nao saudáveis quando injetada no corpo. Seibel diz que o objectivo último seria dar a um paciente uma injecção da pintura do tumor e usar então seu endoscópio para criar uma imagem das células cancerosas de brilho assim como uma imagem anatômica colorida do cérebro. As duas imagens podiam então ser fundidas em uma tela para que o cirurgião ver durante uma operação. “Você poderia ver toda a estrutura que um cirurgião veria, mas você igualmente veria que aqueles pinpoints moleculars da luz que são células cancerosas… e lá do robô pode ser usado para resect, ou para remover, estas pilhas pequenas do cancro, e pode o fazer muito precisamente porque você não tem a agitação de um ser humano que guardara a.”

Seibel concluiu dizendo, “lá é uma ameia real para a vídeo-qualidade, alta resolução, a imagem lactente multi-modal que está em um pacote minúsculo de modo que possa ser posto sobre ferramentas microscópicas para a medicina mìnima invasora. Eu sinto realmente que é uma tecnologia de possibilidade que poderia mover o campo inteiro para a frente.”

Krosnick é entusiástico sobre o progresso que as duas equipes têm feito até agora. “Estas são as tecnologias inovativas que, se eficazes, poderiam significativamente adicionar ao armamentarium da cirurgia de cérebro. Estão ainda cedo durante o processo de desenvolvimento, mas eu penso ambos promessa considerável da mostra.” Concluiu sublinhando que, como todos os dispositivos novos, estas tecnologias precisariam de se submeter a uma série de ensaios clínicos para se assegurar de que fossem seguras e eficazes antes de fazer sua maneira em uma sala de operações.

Source:

University of Maryland