MRIロボット

MRI ロボットは、画像誘導介入 (IGI) を実行または支援する目的で、磁気共鳴画像(MRI) スキャナー内で動作できる医療用ロボットです。

IGI は、一般的に医師が医療画像に基づいて針などの器具を操作することで手動で実行され、ほとんどの医療分野、特に介入放射線学の専門分野で使用されています。IGI ロボットは器具の操作を支援したり、画像ナビゲーションのガイダンスを提供したりします。これらのロボットは、人間とは異なり、デジタルイメージャーと直接通信できるデジタルデバイスであるため、IGI のパフォーマンスを向上させる可能性があります。

MRI 互換性

MRI 対応ロボットには、画質を低下させることなく、MRI の磁場内でロボットが安全に動作し、機能を果たすことが求められます。MRI スキャナは非常に高密度の磁場 (現在 3 テスラが一般的) を使用し、ロボット工学で一般的に使用されるコンポーネントのほとんどが磁石の近くでは使用できない可能性があるため、MRI ロボットの開発は非常に難しいエンジニアリング作業です。

研究者たちは、MRIにおけるロボット部品の難しさをさまざまな方法で克服しようと試みてきました。中には、MRIのシールドルームの外に制御装置やその他の磁気に敏感なユニットを配置した人もいます。^{[1]これらの制御装置は、}油圧または空気圧伝送ラインによってロボットに接続されます。^[2]

MRIの大きな磁場内でロボットを使用する難しさに加え、MRIの内径は通常55cmであるため、MRIと患者の間の隙間が小さいため、使用されるロボットの物理的なサイズが制限されます。^[1]

ロボット自体に加えて、器具に適用される位置、方向、力を追跡する方法が必要です。^[3]これは連続MRIで実行できる可能性がありますが、MRIロボットとMRIで使用される変化する磁場との間の潜在的な干渉により、MRIロボットの使用によっては連続MRIが望ましくない場合があります。多くの場合、この追跡は光ファイバーを含む何らかの光学システムを使用して行われます。^[2]^[3]^[4]

テスト

MRI ロボットを臨床現場で使用する前に、さまざまな段階でさまざまなテストを実行する必要があります。テストは、エンジニアリング段階と臨床試験の両方で実行する必要があります。実行するテストは、MRI ロボットの使用状況に応じて変わります。一部のロボットは連続撮影下で使用される一方、他のロボットは間隔を置いてのみ撮影されます。

MRI ロボットの設計中に行われるテストには、材料テストや信号対雑音比(SNR) などがあります。材料テストでは、ロボットに使用される材料を磁場内でテストし、材料と磁場の間に干渉がないことを確認します。干渉の 1 つの形態は、ロボットの配線に電流を誘導することです。この電流はロボットの制御能力を妨げる可能性があります。さらに、特定の材料は MR 画像にアーティファクトや歪みを引き起こす可能性があります。MR 画像にアーティファクトを生成しないことが示されている金属には、チタンや真鍮などがあります。^[2]^[5]

MRI ロボットが構築されたら、イメージング中にテストを行う必要があります。測定すべき項目の 1 つは SNR です。SNR はイメージングにおいて非常に重要な測定項目です。信号に比べてノイズが高すぎると、画像の品質が低下します。SNR は、MRI ロボットが移動しているときと静止しているときの両方で測定されます。静止しているロボットと移動しているロボットでは、SNR に顕著な違いが生じることがあります。

MRIロボットは、人間の患者でテストする前に、通常、画像診断で使用される典型的なテスト「対象」である画像ファントムを使用してテストされます。これらのテストは、機器の配置精度を保証するために使用できます。^[3]

利点

MRIロボットの設計は難しい場合もありますが、MRIロボットには多くの利点があります。MRIを画像診断法として使用する大きな利点の1つは、患者がコンピューター断層撮影（CTスキャン）やX線画像診断のように放射線にさらされないことです。MRIは他の画像診断法よりも画像品質が優れており、超音波画像診断よりも癌細胞と健康な細胞を区別する能力に優れています。^[2]^[3]

MRI 対応ロボットは IGI を大きく変える可能性があります。現在、ほとんどの IGI は複数のステップから成るプロセスです。最初に、手術を開始する最適な場所を決定するために、患者を撮影する必要があります。このスキャンの後、患者を移動させて必要な切開を行い、手術の準備をします。次に、器具が適切に配置されていることを確認するために、患者を再度スキャンします。器具が適切に配置されていない場合は、器具を移動させてから再度スキャンする必要があります。この移動とスキャンのプロセスは、器具の正しい位置と配置が得られるまで続きます。各スキャン中に、画像を再登録する必要があります。^[6]

MRIロボットを使用すると、器具を連続的に撮影しながら操作することができます。その結果、器具の経路をリアルタイムで変更できます。経路をリアルタイムで変更すると、針の曲がりを修正するのに役立ちます。針の曲がりは、患者の動きや呼吸、さらには針が組織を通過することでも発生する可能性があります。^[4]患者を動かさないことで、針が曲がる潜在的な原因と画像登録の必要性が最小限に抑えられます。

デメリット

MRI ロボットの問題の 1 つは、伝送ラインの使用の可能性です。油圧伝送ラインは漏れが発生し、繊細な機器を損傷する可能性があります。空気圧伝送ラインは、伝送ラインが長いため、十分な応答時間を確保するために必要な圧力を維持するのに問題が生じる可能性があります。使用される伝送方法とは別に、MRI 室のサイズと形状の潜在的な違いにより、1 つの病院内の複数の MRI 室であっても、MRI ロボットの汎用性が制限される可能性があります。さらに、伝送ラインが長いため、MRI ロボットのセットアップと取り外しに時間がかかります。^[2]

潜在的な用途

MRIロボットには多くの潜在的な用途があります。これには、近接放射線治療、生検、神経科学研究、腫瘍の除去が含まれます。MRIロボットから大きな恩恵を受ける腫瘍除去の1つは、脳腫瘍の除去です。脳腫瘍は除去が非常に困難です。また、腫瘍を完全に除去できない可能性もあります。^[5] リアルタイム画像を使用することで、脳腫瘍全体を除去できる可能性が高くなります。

神経科学では、MRIロボットは脳卒中患者がロボット支援リハビリテーションやその他のリハビリテーション方法に反応するかどうかをよりよく理解するために使用できます。機能的MRI（fMRI）またはその他の機能的神経画像化方法を使用すると、研究者は脳内の機能的接続の変化を監視し、気づくことができます。fMRIを使用する場合、MRIロボットは肩や肘の動きなどの日常的な作業を模倣するのに役立ちます。^[7]

MRIロボットが非常に役立つ可能性があるもう1つの分野は、前立腺生検です。現在、ほとんどの前立腺生検は経直腸超音波検査（TRUS）を使用して行われています。しかし、TRUSで生検を受けた前立腺がん患者の約20％は、がんではないと言われます。^[3] TRUSの問題の1つは、健康な細胞とがん細胞を区別できないことです。細胞の種類を区別することは、MRIの利点の1つです。したがって、前立腺生検に使用されるMRIロボットは、前立腺がんを正しく診断するのに役立ちます。

例

ジョンズホプキンス大学のURobotics研究グループは、電気を使わず、非磁性で誘電性のあるロボット、MrBot を開発しました。このロボットは、モーターには空気を、センサーには光を使って動作します。この成果は、シンプルでフェイルセーフな精密制御動作を可能にする新しいタイプの空気圧モーター、PneuStep の発明によって可能になりました。

ウースター工科大学の自動化および介入医療ロボット研究室は、MRI 誘導介入を可能にする技術を開発してきました。この研究には、センサー、アクチュエーター、ソフトウェア、コントローラーが含まれます。この研究グループはまた、経皮的前立腺介入のための MRI に完全対応したさまざまなタイプのロボットや、パーキンソン病の治療のためのリアルタイム MR 画像誘導下での深部脳刺激 (DBS)電極配置を誘導するロボットも開発しました。

参照

参考文献

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