Studium projektowe robota diagnostycznego do zastosowań w procedurze biopsji stercza

• Autorzy: Praski R. , Mianowski K.

Warianty tytułu

EN

Design study of a diagnostic robot for applications in the prostate biopsy procedure

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Aktualnie robotyka medyczna jest najbardziej dynamicznie rozwijającą się dziedziną robotyki usługowej. Wiąże się to z coraz większym zainteresowaniem tą dziedziną jej potencjalnych twórców – naukowców-inżynierów jak i potencjalnych użytkowników – lekarzy-operatorów. Podejmuje się prace badawczo-wdrożeniowe dotyczące nowych rozwiązań robotów, które pomogą usprawnić różne procesy medyczne związane z diagnostyką medyczną, chirurgią oraz rehabilitacją w celu polepszenia jakości, efektywności i warunków pracy lekarzy oraz zwiększenia komfortu pacjentów. Biopsja prostaty wykonywana jest w celu pobrania zmienionej chorobowo tkanki miękkiej tego gruczołu w celu przeprowadzenia jej dalszych analiz. Wykonywana tradycyjnymi sposobami jest procesem trudnym i długotrwałym oraz często przez swoją ograniczoną precyzję nie daje pożądanych efektów, ponadto częstokrotnie bywa bardzo bolesna dla pacjenta. Wprowadzenie do tego procesu zrobotyzowanego narzędzia daje możliwość zwiększenia dokładności prowadzenia zabiegu i znacznego skrócenia czasu zabiegu. Łącząc manipulator z aparatem do rezonansu magnetycznego, dostajemy zautomatyzowane stanowisko, umożliwiające zdalne prowadzenie zabiegu biopsji stercza w czasie rzeczywistym. W pracy podjęto próbę opracowania projektu zrobotyzowanego narzędzia diagnostycznego przeznaczonego do obsługi procedury biopsji gruczołu krokowego. Trajektoria ruchu manipulatora jest planowana i realizowana przy wykorzystaniu obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, przy czym informacje o przebiegu procedury są w czasie rzeczywistym przetwarzane na informacje bezpośrednio dostępne dla lekarza prowadzącego zabieg. Przytoczono medyczny opis typowej procedury diagnostycznej badania gruczołu krokowego oraz przebieg takiej procedury z wykorzystaniem obrazowania wykorzystującego metodę rezonansu magnetycznego. W celach porównawczych opisano również przykładowe istniejące konstrukcje takich robotów. Na podstawie danych literaturowych oraz analiz procedur diagnostycznych sformułowano założenia własnego projektu robota medycznego do wspomagania procedury biopsji prostaty. Praca dyplomowa magisterska miała w głównej mierze charakter konstrukcyjny. Opracowano schemat kinematyczny manipulatora o pięciu stopniach swobody oraz sformułowano jego model kinematyczny. Z uwzględnieniem typowych warunków pracy robota opracowano projekt wstępny i przeprowadzono analizę jego modelu dynamiki oraz wykonano badania wytrzymałościowe wyróżnionych elementów konstrukcji do wykorzystania w projekcie konstrukcyjnym. Uwzględniono też warunki pracy układu sterowania oraz współpracy robota z aparatem do rezonansu magnetycznego i dobrano materiały konstrukcyjne pozwalające na pracę w środowisku o bardzo wysokim poziomie indukcji magnetycznej. Opracowano modele komputerowe kinematyki i wykonano symulacje podstawowych procedur pracy. Na tej podstawie sporządzono charakterystyki do oceny końcowej projektu. Pracę kończy krótkie podsumowanie oraz wnioski, sformułowano też plany na przyszłość oraz perspektywy dalszych badań nad projektem.

EN

Currently, medical robotics is the most dynamically developing field of service robotics. This is associated with the growing interest of this field of its potential creators - scientists-engineers and potential users - doctors-operators. Undertaken research and implementation works on new robot solutions that will help streamline various medical processes related to medical diagnostics, surgery and rehabilitation in order to improve the quality, efficiency and working conditions of doctors and increase the comfort of patients. Prostate biopsy is performed to collect diseased soft tissue of this gland for further analysis. Performed in traditional ways is a difficult and long-lasting process and often because of its limited precision does not give the desired effects, moreover, it is often very painful for the patient. Introduction of a robotic tool to this process gives the opportunity to increase the accuracy of and significantly reduce the time of the procedure. By combining the manipulator with the magnetic resonance apparatus, we get an automated position enabling remote manipulation of the prostate biopsy in real time. The paper attempts to develop a project of a robotic diagnostic tool designed to support the prostate biopsy procedure. The trajectory of manipulator movement is planned and implemented using magnetic resonance imaging, while the information about the course of the procedure is processed in real time into information directly available to the treating physician. A medical description of a typical diagnostic procedure for prostate examination and the course of such a procedure with the use of imaging using the magnetic resonance method were quoted. For comparison purposes, examples of existing designs of such robots are also described. On the basis of literature data and analysis of diagnostic procedures, the assumptions of the own medical robot project to support the prostate biopsy procedure were formulated. The Master's thesis was mainly of a constructional nature. A kinematic scheme of the manipulator with five degrees of freedom was developed and its kinematic model was formulated. Taking into account the typical working conditions of the robot, a preliminary design was developed and an analysis of its dynamics model was carried out and strength tests of the highlighted construction elements for use in the robot design were carried out. The operating conditions of the control system and cooperation of the robot with the magnetic resonance apparatus are also taken into account and construction materials have been selected that allow working in an environment with a very high level of magnetic induction. Computer models of kinematics were developed and simulations of basic work procedures were performed. On this basis, the characteristics were prepared for the final evaluation of the project. The work ends with a brief summary and conclusions, plans for the future and prospects for further research on the project have been formulated.

Słowa kluczowe

PL

robotyka medyczna; choroby nowotworowe gruczołu krokowego; manipulator medyczny; rezonans magnetyczny; prostata

EN

medical robotics; neoplastic diseases of prostate gland; medical manipulator; magnetic resonance imaging; prostate

• Wydawca: Międzynarodowe Stowarzyszenie na rzecz Robotyki Medycznej
• Czasopismo: Medical Robotics Reports
• Rocznik: 2017
• Tom: vol. 6
• Strony: 28--36
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Praski R.

• Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej

autor

Mianowski K.

• Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Biopsje [online]. Dostępny w Internecie: http://www.biopsje.pl
• [2] ALL ABOUT BIOPSIES [online]. American Board of Pathology. Uthman E. O. Dostępny w Internecie: http://training.seer.cancer.gov/treatment/surgery/all_about_biopsy_accessible.pdf
• [3] Bickels J. [i in.]: Biopsy of Musculoskeletal Tumors. W: Musculoskeletal Cancer Surgery. Dordrecht, Springer 2001.
• [4] About prostate cancer [online]. Dostępny w Internecie: http://www.cancerresearchuk.org/about-cancer/prostate-cancer/about
• [5] Finding Prostate Cancer Early [online]. Dostępny w Internecie: https://www.cancer.org/cancer/prostate-cancer/early-detection/finding-prostate-cancer-early.html
• [6] Yakar D., Futterer J.: MR-Guided Prostate Biopsy. W: Interventional Magnetic Resonance Imaging. Berlin, Springer 2012.
• [7] Umbreit E., Shimko M., Gettman M.: Prostate Anatomy and Prostate Cancer Screening, Diagnosis, Staging, and Prevention. W: Ponsky L. E. [i in.]: Treating Prostate Cancer and Related Genitourinary Applications. Berlin, Springer 2012.
• [8] Su H.: Force Sensing and Teleoperation of Continuum Robot for MRI-Guided Surgery. Worcester, Worcester Polytechnic Institute 2013.
• [9] Cosciani Cunico S. [i in.]: Prostate Biopsy. W: Olivetti L., Grazioli L.: Imaging of Urogenital Diseases. Mediolan, Springer 2009.
• [10] Shinohara K.: Prostate Biopsy Techniques. W: Prostate Biopsy. Indications, Techniques and Complications. New Jersey, Humana Press Inc. 2008.
• [11] The Role of Combined MRI & MRSI in Targeting Prostate Cancer [online]. Dostępny w Internecie: http://www.mrisusa.com/pdf/S-TheRoleofCombinedMRI.pdf
• [12] Zhou H. [i in.]:The Drive and Control System Design for MRI Guided Robot. W: Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. Berlin, Springer 2012.
• [13] Singh H., Neutze J. A.: MRI. W: Radiology Fundamentals. Nowy Jork, Springer 2012.
• [14] Su H., Cole G. A., Fisher S.: High – Field MRI – Compatible Needle Placement Robots for Prostate Interventions: Pneumatic and Piezoelectric Approaches. W: Advances in Robotics and Virtual Reality. Berlin, 2012.
• [15] Tausher S. [i in.]: OpenIGTLink interface for state control and visualisation of a robot for image-guided therapy systems. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. Marzec 2015, Vol. 10, Issue 3.
• [16] Hashim H., Abrams P.: Transrectal Ultrasound Scan and Biopsy of the Prostate. W: The Handbook of Office Urological Procedures. Londyn, Springer 2008.
• [17] Podsędkowski L.: Roboty Medyczne. Warszawa, WNT 2010.
• [18] Mianowski K., Nawrat Z.: Perspectives of Medical Robotics Evolution In Poland In the beginning of Twenty First Century, Proc. IEEE Conf. MMAR’02, Szczecin 2002,
• [19] Mianowski K.: Dextrous Fully Parallel Manipulator with Six Degrees of Freedom, Proc. Ro.Man.Sy’98, Springer-Verlag 1998, rozdz. pracy „Konstrukcja, sterowanie i programowanie złożonych systemów robotycznych”, WPW, Warszawa 1997,
• [20] Mianowski K.: Manipulator POLMAN 3x2 do zastosowań neurochirurgicznych, Kraj. Konf. AUTOMATION 2003,
• [21] Nawrat Z., Podsędkwski L., Mianowski K., Religa Z.: RobIn Heart in 2002 – actual state of Polish cardio-robot, Proc. III Int. Workshop RoMoCo’02, Bukowy Dworek 2002 ,
• [22] Mianowski K.: On some aspects of kinematic properties of parallel manipulators destined for some new applications, Proc. RoMoCo’2002, Bukowy Dworek 2002,
• [23] Podsędkowski L., Mianowski K., Wróblewski P., Nawrat Z.: Kinematic Aspects of Selected Manipulators for Cardiac Surgery, Proc. IEEE Conf. MMAR’02, Szczecin 2002,

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).