14.575.21.0035

Целью исследования является разработка научно-технического задела в области создания роботизированных средств доставки радионуклидных микроисточников в опухолевую область при операциях брахитерапии для повышения точности введения радионуклидных микроисточников и обеспечения радиационной безопасности медицинского персонала. Основными задачами проекта являются:
- разработка теоретических принципов и базисных технических решений по построению роботизированного манипулятора для введения радионуклидных микроисточников в опухолевую область при операциях брахитерапии;
- разработка теоретических принципов и базисных технических решений при построении специализированного медицинского инструмента для введения по криволинейной траектории;
- разработка теоретических принципов и базисных технических решений по адаптации роботизированной системы для работы совместно с УЗ аппаратами.
- разработка теоретических принципов и базисных решений по созданию системы управления робототехническим комплексом.

Современная хирургия как наука и как комплекс технологий на пути своего развития столкнулась с объективными ограничениями дальнейшего совершенствования, связанными, прежде всего не с невозможностью усовершенствования материалов и аппаратов, а именно с достижением предела физиологических возможностей человеческого организма, врача - хирурга и его ассистента как субъекта технологического процесса. В этой связи такой метод лечения рака предстательной железы, как брахитерапия, не может обеспечить высокую точность позиционирования микроисточников (<5,0 мм), т.к. выполняется вручную. Человеческий фактор, влияющий на точность, определяется существованием различных методик проведения операции и уровнем подготовки специалистов. Применение робототехнического комплекса позволит повысить точность позиционирования микроисточников, а следовательно и эффективность проведения брахитерапии.

Исследование состоит из пяти этапов: 1 этап – выбор направления исследований, 2 этап – теоретические исследования и разработка математической модели, 3 этап – разработка эскизной конструкторской документации, изготовление и настройка макета и экспериментального стенда, 4 этап – экспериментальные исследования, 5 этап – обобщение и оценка результатов исследований. На первом этапе был проведён аналитический обзор по исследованиям и разработкам в области роботизированной брахитерапии, разработаны подходы к созданию роботизированной системы, разработаны алгоритмы сопряжения данной системы с УЗ сканерами. На втором этапе была разработана математическая модель движения кончика иглы в теле пациента по криволинейной траектории, разработаны алгоритмы функционирования системы и программное обеспечение системы управления. На третьем этапе были разработаны манипулятор макета роботизированной системы, устройство для ввода и перемещения игл, экспериментальный стенд для проведения исследований, изготовлены макет роботизированной системы и стенд, программное обеспечение системы сопряжения УЗ с комплексом. На четвёртом этапе проведены экспериментальные исследования по перемещению иглы по линейной и криволинейной траекториям, по введению моделей микроисточников в фантом тела пациента. По результатам исследований проведена доработка макета роботизированной системы. На пятом этапе подведены итоги и обобщения результатов исследования, проведены, разработан проект ТЗ на ОКР.

В результате проведённых исследований было установлено, что: 1) погрешность позиционирования кончика иглы в фантоме мягких тканей пациента при реализации линейной траектории движения при линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм лежит в диапазоне от 0,15±0,08 мм до 0,49±0,03 мм. и не превышает 0,5 мм согласно требованию ТЗ; 2) погрешность позиционирования кончика иглы в фантоме мягких тканей пациента  при реализации криволинейной траектории движения иглы, при угловой скорости 3 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм, а также при угловой скорости 5 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 15 мм/с лежит в диапазоне от 0,17±0,03 мм до 0,49±0,03 мм и 0,26±0,03 мм до 0,45±0,07  мм соответственно; 3) погрешность позиционирования моделей микроисточников в фантоме мягких  тканей  пациента при перемещении по линейной траектории, при угловой скорости 4 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм, а также при угловой скорости 5  рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 15 мм/с лежит в диапазоне  от 0,28±0,16 мм до 2,82±0,20; 4) погрешность введения моделей микроисточников в фантоме мягких тканей пациента при угловой скорости 3 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с и глубине инъекции иглы 100 мм, а также при угловой скорости 5 рад/с, линейной скорости инъекции от 3 до 30 мм/с лежит в диапазоне от 1,20±0,10 мм до 2,50±0,15 мм и 1,25±0,11 мм до 2,68±0,12 мм соответственно. Полученные результаты полностью удовлетворяют требованиям ТЗ. В исследовании было продемонстрированно, что разработанная оригинальная роботизированная система для брахитерапии обеспечивает погрешность позиционирования кончика иглы, которая не превышает 0,5 мм, что, сопоставимо с цифрами, которые опубликованы в литературе для других роботизированных систем аналогичного назначения, лежащих в диапазоне от 0,2 до 0,5 мм.

Практическая значимость исследования заключается в создании научно-технической базы для проведения опытно-конструкторских работ по разработке роботизированной системы для брахитерапии. Внедрение роботизированных систем в медицинскую практику позволит повысить качество оказываемой медицинской помощи за счет увеличения точности наведения хирургического инструмента, автоматизации выполнения хирургических манипуляций и повышения безопасности медицинского персонала при работе с радионуклидными микроисточниками. Учитывая тенденции увеличения спроса на интеллектуализированную медицинскую технику и другую наукоемкую продукцию, отсутствие медицинских роботизированных систем на рынке предложений и существенное расширение возможностей мехатронных средств, создают предпосылки для успешной коммерциализации результатов проекта.