Pažangiausi chirurginiai įrankiai dažnai gaminami naudojant naujausias technologijas, o tai gali apriboti bendrą jų prieinamumą. Siekdama išplėsti chirurgines naviko pašalinimo galimybes, komanda kuria kompaktinę fluorescencija valdomą chirurgijos sistemą, pagamintą iš ekonomiškai efektyvių, jau paruoštų komponentų, o tai gali žymiai sumažinti išlaidas, palyginti su dabartiniais komerciniais metodais. Jų taupiai suprojektuota sistema buvo įvertinta naudojant pelės modelį ir neseniai buvo pranešta Mokslinės ataskaitos.
„Kaip galime suvienodinti sąlygas įvairiose ligoninių sistemose? paklausė vyresnysis tyrimo autorius Samuel Achilefu, Ph.D., Teksaso universiteto Pietvakarių medicinos centro Biomedicininės inžinerijos katedros profesorius ir pirmininkas.
„Daugelis klinikinių centrų neturi prieigos prie pažangių chirurginių priemonių, kurios gali paveikti pacientų rezultatus. Taikant ekonomišką metodą, mūsų komanda siekia sukurti prieinamą realiojo laiko fluorescencijos sistemą, kuri panašiai išryškintų navikus visose ligoninėse. , neatsižvelgiant į jų vietą ar biudžetą.
Dėmesys fluorescencijai vadovaujamai chirurgijai
Kaip veikia fluorescencija valdoma chirurgija? Kalbant apie vėžį, pirmiausia reikia skirti kontrastinę medžiagą, kuri yra specialiai skirta navikams. Šis agentas, vadinamas fluoroforu, suaktyvinamas, kai jį veikia tam tikros rūšies šviesa, todėl jis švyti. Tokiu būdu chirurgas gali matyti, kiek auglys tęsiasi, todėl gali visiškai pašalinti vėžį, tausojant sveikus audinius. Jie taip pat gali pamatyti, ar operacijos metu nepalieka piktybinių medžiagų.
Tiriama daug įvairių fluoroforų, o kai kurie suaktyvinami, kai juos veikia matoma šviesa, todėl juos galima aptikti plika akimi. Tačiau kaip ir ugniažolės švytėjimas, ši fluorescencija lengviausiai pastebima tamsoje, o operacinėje išjungti šviesą nėra idealus sprendimas.
Norėdami įveikti šią kliūtį, mokslininkai tiria fluoroforus, kurie aktyvuojami, kai juos veikia beveik infraraudonųjų spindulių šviesa. Infraraudonųjų spindulių šviesa yra už matomo spektro ribų ir gali nukeliauti toliau per audinius, o tai reiškia, kad chirurgai gali geriau aptikti giliai kūno esančius navikus. Žinoma, svarbiausia yra tai, kad žmonės nemato infraraudonųjų spindulių šviesos, bet kokiu atveju ne be tinkamų įrankių.
„Kai šviečia beveik infraraudonųjų spindulių fluoroforas, jo akimis nematote“, – aiškino tyrimo vadovas Leonidas Shmuylovičius, medicinos mokslų daktaras, Vašingtono universiteto Sent Luise medicinos ir radiologijos docentas. „Jums reikia specialios kameros, kuri būtų jautri tiems bangos ilgiams, o tada reikia būdo, kaip tą signalą projektuoti, kad chirurgas jį matytų. Esamose sistemose šis signalas paprastai rodomas chirurgui netoliese esančiame ekrane.
Nors kelios skirtingos beveik infraraudonųjų spindulių fluorescencija valdomos chirurginės sistemos buvo patvirtintos įvairioms indikacijoms, jos turi du pagrindinius apribojimus, trukdančius plačiai naudoti: dydį ir kainą.
„Esamos sistemos turi didelį pėdsaką OR, o kai kurioms reikia kito vartotojo pagalbos, kad galėtų naršyti įrenginį, o tai gali trukdyti normaliai chirurgo darbo eigai“, – pažymėjo Achilefu. „Jau nekalbant apie didelę kainą, susijusią su šiomis sistemomis, kurios gali kainuoti 100 000 USD ar daugiau.
Sumažinti išlaidas, supaprastinti dydį, optimizuoti dizainą
Daugelį metų Achilefu laboratorijoje atliekami tyrimai apėmė nuolatinį nebrangios, fluorescencija valdomos chirurginės sistemos, kuri naudoja akinius fluorescenciniam signalui vizualizuoti, kūrimą. Užuot stebėję auglio fluorescenciją netoliese esančiame ekrane, šis papildytos realybės metodas projektuoja artimojo infraraudonųjų spindulių signalą tiesiai į okuliarą, apšviestą naviką uždeda ant chirurgo matymo lauko.
Remdamasi ankstesniais tyrimais, komanda pristatė savo naujausią modelį, sukurtą iš visiškai paruoštų komponentų ir paprastų 3D spausdintų dalių. Jų sistemoje yra šie pagrindiniai komponentai: matomos ir artimos infraraudonosios šviesos šaltiniai (panašūs į paprastus lazerinius rodykles), minimali kamerų sistema ir procesorius bei komerciniai papildytos realybės akiniai. Šios skirtingos dalys sujungiamos naudojant 3D atspausdintus laikiklius, o visas įrenginys yra ant vartotojo galvos.
Kartu su procesoriumi ant vartotojo juosmens yra įrenginio maitinimo elementas, todėl sistema yra nepririšta ir visiškai laisvų rankų įranga. Atskiri sistemos komponentai kainuoja apie 1000 USD, o mokslininkai tikisi, kad komercinis modelis sudarytų tik dalį šiuo metu turimų sistemų kainos.
„Norėjome išsiaiškinti, ar paprasčiausia kamerų sistema gali aptikti beveik infraraudonųjų spindulių signalą, ir mūsų nuostabai, ji iš tikrųjų pranoko mūsų ankstesnius projektus“, – sakė Shmuylovičius, baigęs šį tyrimą stažuotės metu Achilefu laboratorijoje. Vašingtono universitetas Sent Luise. „Kaip padirbinėjome, galėjome pritaikyti sistemą, kad išfiltruotume foninius signalus, suteikdami pagrindines fluorescencine sistema valdomos sistemos funkcijas.
Kamerų išdėstymas buvo svarbus žingsnis, paaiškino Shmuylovičius. Daugelis technologijų, kurios uždeda vaizdą ant kito – šiuo atveju fluorescencinis signalas chirurgo matymo lauko viršuje – kenčia nuo to, kas vadinama paralakso efektu. Čia perdengtas vaizdas nėra idealiai suderintas su tikrove.
Kad padėtų įveikti šį efektą, mokslininkai panaudojo spindulių skirstytuvą (įrenginį, kuris atskiria gaunamą šviesą į du atskirus kelius). Jie pastatė spindulių skirstytuvą prieš papildytosios realybės akinius, o kamerą pastatė tiesiai virš vartotojo akies taip, kad šviesa atsimuštų nuo spindulių skirstytuvo.
„Tokiu būdu šviesa arba pro spindulių skirstytuvą patenka į vartotojo akį, arba atsimuša nuo spindulių skirstytuvo į kamerą“, – paaiškino Shmuylovičius. „Tai labai pagerina mūsų sistemos optinį derinimą ir buvo tikrai įdomi naujovė“, – sakė jis.
Veiklos vertinimas
Komanda palygino savo įrenginį su daugiau nei 10 esamų fluorescencija valdomų sistemų, peržiūrėdama paskelbtas funkcijų, pvz., fluorescencijos jautrumo, skiriamosios gebos ir apšvitos (ryškumo), vertes. Nepaisant sumažėjusio sistemos dydžio ir kainos, mokslininkai nustatė, kad jų taupaus dizaino akinių specifikacijos buvo panašios į rinkoje esančių produktų. Jie taip pat įvertino savo sistemos naudą realiame pasaulyje ir atliko operaciją pelėms, turinčioms krūties navikų.
„Su mūsų sistema galime pamatyti navikus, juos pašalinti, o jei liko auglio likučių, galime jį pamatyti realiu laiku“, – sakė Achilefu.
Tyrėjai pabrėžė, kad ši technologija yra šablonas, o ne gatavas produktas. „Tai yra įrankis, tai yra pradžia”, – sakė Shmuylovičius. „Norėjome parodyti, kad pigūs komponentai, kūrybiškai derinami, gali konkuruoti su brangių ir nusistovėjusių technologijų našumu“, – sakė jis.
Qi Duan, Ph.D., NIBIB Sveikatos informatikos technologijų skyriaus programos direktorius, sutiko. „Dėl naujoviško inžinerinio požiūrio ši komanda padėjo pamatus prieinamai fluorescencija valdomai chirurginei sistemai“, – sakė jis. „Dėl atvirojo kodo ir nebrangaus dizaino ši išradinga technologija gali būti pritaikyta daugeliui fluorescencijos valdomų programų ir kada nors galėtų padėti pagerinti chirurginę priežiūrą.