Corso di Robotica Medica: Modulo 8 sulla radiochirurgia robotica

Contenuto e obiettivi della lezione

Contenuto

In questo modulo sarà introdotto il tema della Radiochirurgica robotica: definizioni, scopi, evoluzione, vantaggi. Saranno descritti i principali sistemi robotici in uso: CyberKnife, su cui ci soffermeremo maggiormente, ed il sistema True Beam.

Obiettivi e risultati attesi

Il modulo ha come obiettivo di fornire allo studente una visione complessiva sul tema della Radiochirurgica robotica. Risultati attesi: consentire allo studente di comprendere i motivi dell'introduzione di un sistema robotico nel campo radiochirurgia, e comprenderne le sue funzionalità di base

Introduzione

La radioterapia è un metodo non invasivo che utilizza radiazioni ionizzanti per trattare i tumori e altre lesioni con l'obiettivo di distruggerli o ridurne le dimensioni. Le radiazioni ionizzanti possono sono generate da apparecchiature speciali come gli acceleratori lineari (LINAC). Queste radiazioni ad alta energia vengono indirizzate sotto forma di fasci verso il bersaglio da colpire, che può essere un tumore. L'obiettivo è danneggiare o distruggere le cellule neoplastiche o anomale presenti nel tumore attraverso l'energia delle radiazioni ionizzate.

Un pò di storia ...

Anni '50 : prime apparecchiature per la radioterapia, Anni '60 e '70, la tecnica terapeutica si è sviluppata ulteriormente con l'introduzione degli acceleratori lineari. La radiochirurgia, nota anche come radioterapia stereotassica SRS, è stata inizialmente utilizzata come una tecnica chirurgica per trattare lesioni cerebrali ben definite, utilizzando radiazioni ad alta intensità e focalizzate.

radioactive cobalt sources shielding converging gamma rays spherical helmet for further beam narrowing target

Radiochirurgica: obiettivi

La tecnica radiochirurgica si differenzia dalla radioterapia per diversi fattori chiave, il principale è l'utilizzo di dosi elevate di radiazioni in una singola sessione di trattamento o in poche sessioni. Nella radiochirurgica per garantire che le dosi elevate di radiazioni non danneggino i tessuti sani circostanti è necessaria un'accurata definizione spaziale del bersaglio. Inoltre, è di fondamentale importanza la precisione con cui la dose viene indirizzata sulla lesione L'efficacia di un trattamento è determinato dalla capacità di fornire dosi adeguate al tessuto affetto dalla malattia, riducendo al contempo al minimo l'irradiazione dei tessuti sani circostanti.

Radiochirurgica: evoluzione

In passato l'accuratezza del trattamento radioterapico è stata garantita dall'uso del casco stereotassico. Tuttavia, grazie all'evoluzione tecnologica e all'uso combinato di computer e immagini radiologiche, è ora possibile ottenere un'accuratezza di trattamento adeguata anche senza l'uso del casco. Questo ha permesso di estendere l'applicazione della radiochirurgia anche ad altre parti del corpo, diverse dalla testa, e a tumori che possono spostarsi a causa della respirazione.

Cyberknife caratteristiche

Capacità di movimento in sei gradi di libertà nello spazio, consentendo di posizionare l'acceleratore lineare in 130 diverse posizioni intorno al paziente. Fascio di radiazioni può essere indirizzato in 12 diverse direzioni, per un totale di 1560 fasci orientati in modo diverso. Questo sistema radiochirurgico è in grado di somministrare dosi elevate di radiazioni con precisione submillimetrica. Ciò è reso possibile grazie all'utilizzo di immagini guidate, tecnologia robotica e monitoraggio dinamico dei bersagli che si muovono con il respiro.

Axis 6 Axis 4 ... Axis 5 Axis 3 Axis 2 Axis 1

Cyberknife: Video

In questo video una breve introduzione schematica al funzionamento del sistema CyberKnife https://www.youtube.com/watch?v=mcC0_azJ0rw

Conclusione

La radiochirurgia rappresenta un'opzione terapeutica innovativa e precisa per il trattamento dei tumori. Grazie all'utilizzo di sistemi avanzati come il Cyberknife, è possibile somministrare dosi elevate di radiazioni con precisione submillimetrica, colpendo le lesioni tumorali senza danneggiare gli organi critici circostanti. Questa tecnologia ha esteso le possibilità di trattamento a diverse aree del corpo, offrendo un'alternativa valida e sicura alle tecniche tradizionali

JNATO UN UNIVERSITÀ GIUSTINO FORTUNATO D.M. 13 aprile 2006 - G.U. nº 104 del 6/05/2006 - TELEMATICA JERSITA GIUSTINO

CyberKnife: introduzione

Prof. Mario Fiorino

Contenuto e obiettivi della lezione

Contenuto

In questa lezione sarà fornita un'introduzione sul funzionamento al sistema robotico per radiochirurgia : CyberKnife

Obiettivi

Fornire allo studente una panoramica sul funzionamento del sistema robotico per radiochirurgia CyberKnife

Introduzione

Il sistema di radiochirurgia robotica CyberKnife è costituito da manipolatore robotico (con 6 gradi di libertà) che viene utilizzato per montare un acceleratore lineare (LINAC) L'acceleratore lineare proietta radiazioni ad alta energia in diverse direzioni; ciò consente di effettuare il trattamento con il minor trauma possibile per il paziente. Questo sistema nel suo insieme consente di fornire una precisione sub-millimetrica. Inoltre consente il trattamento dei tumori situati in qualsiasi parte del corpo

Video: CyberKnife

Con questo video saranno introdotte le basi del funzionamento del CyberKnife, viste sul campo : https://www.youtube.com/watch?v=j4bOQD6-EkE La presentazione è stata fornita dal Dr. Frank Kimsey, radioterapista presso il Cancer Center dell'Erlanger Health System, USA

Conclusione

Cyberknife rappresenta quindi un importante passo avanti nel campo dell'oncologia, consentendo di migliorare l'efficacia dei trattamenti e la qualità di vita dei pazienti affetti da tumori.

JNATO UN UNIVERSITÀ GIUSTINO FORTUNATO D.M. 13 aprile 2006 - G.U. nº 104 del 6/05/2006 - TELEMATICA JERSITA GIUSTINO

CyberKnife, strutture principali: braccio robotico

Prof. Mario Fiorino

Contenuto e obiettivi della lezione

Contenuto

In questa lezione saranno descritte le funzionalità ed il processo di calibrazione del braccio robotico di CyberKnife

Obiettivi

Consentire allo studente di comprendere a pieno il sistema CyberKnife nei suoi componenti principali

Introduzione

L'utilizzo di bracci robotici in medicina, vantaggi: - sono estremamente precisi dal punto di vista geometrico, garantendo un'accuratezza elevata nei movimenti e nelle procedure. - sono anche molto stabili e in grado di sopportare carichi notevoli - adattabilità a manipolazioni su scala diversa - la possibilità di controllo mediante sensori di diversi tipi (come chimici, ottici, acustici, ecc.) offre un'ampia gamma di opzioni per il monitoraggio e il feedback durante le procedure. - dimostrano anche una buona resistenza alle radiazioni

CyberKnife: storia

Il sistema CyberKnife è stato sviluppato negli anni 90 Il CyberKnife è un sistema che comprende un braccio robotico e un acceleratore lineare (LINAC). Nel corso degli anni, entrambe queste componenti sono state soggette a miglioramenti continui rispetto ai primi sistemi sviluppati. Oggi Il costo di questo macchinario si aggira attorno ai 4-6 milioni di euro. Il braccio robotico utilizzato è un manipolatore meccanico seriale, simile ai robot industriali tradizionali, ma con piena autonomia I primi modelli di CyberKnife utilizzavano un braccio fornito da un'azienda giapponese chiamata FANUC Robotics, mentre i nuovi sistemi adottano un braccio industriale chiamato KR 240, prodotto dall'azienda tedesca KUKA.

KR 240

Il KR 240 ha sei gradi di libertà nel movimento e può posizionare l'acceleratore lineare, il LINAC, in circa 130 posizioni diverse intorno al paziente. Tale braccio è progettato per gestire in modo efficiente un carico utile di circa 200 Kg (varia a seconda delle versioni)

1220 240 -140° 115 KLICKA 1350 -120 5° 1 645 291 +168° 330 2162 - 1930 2900 3220 3683

Processo di calibrazione

Un ciclo di trattamento si basa sulla determinazione di un insieme di punti nello spazio in cui il manipolatore si posiziona per emettere fascio di radiazioni proveniente dall'acceleratore lineare (LINAC) per colpire il bersaglio desiderato. Ogni punto, spesso chiamato nodo, è identificato da coordinate cartesiane riferite al bersaglio. Prima di iniziare il trattamento, il robot viene calibrato per dirigere il fascio verso un punto specifico chiamato "centro di imaging". Questo punto è rappresentato fisicamente da un cristallo fotosensibile chiamato isopost, posizionato sul pavimento. Per valutare la precisione del manipolatore meccanico, il braccio attraversa tutti i nodi prestabiliti e la direzione del fascio viene determinata in ogni punto intorno all'isopost.

Processo di calibrazione del laser

Un laser di diametro di 1 mm viene utilizzato per indicare l'asse centrale e la direzione del puntamento. Il laser colpisce l'isopost, questo viene rilevato da un diodo sensibile alla luce, generando un segnale che viene amplificato e monitorato. Maggiore è l'ampiezza del segnale generato dal diodo, maggiore è la precisione del posizionamento del manipolatore. Le coordinate del manipolatore che corrispondono al segnale con ampiezza massima vengono memorizzate e successivamente confrontate con i segnali di calibrazione per garantire la precisione del trattamento.

Accuratezza

L'accuratezza del braccio robotico può essere valutata attraverso l'errore radiale, indicato come dr, che rappresenta la differenza tra le coordinate del nodo ottenute durante la valutazione e le coordinate di calibrazione predefinite: dri = dx? + dy? + dz ?. Un valore di errore radiale ridotto indica una maggiore accuratezza del manipolatore meccanico nel raggiungere i nodi prestabiliti durante il trattamento. L'errore medio radiale sullo spostamento del manipolatore è di circa 0,1 mm, mentre l'errore massimo non supera mai lo 0,29 mm, anche considerando percorsi diversi.

CyberKnife: Video dimostrativo

Qui un video dimostrativo sui movimenti del braccio robotico di CyberKnife: https://www.youtube.com/watch?v=hSBliVShiPc