Echtzeit-MRT-gesteuertes Nadelsplatzierungsroboters mit integrierter faseroptischer Kraftsensorsensorik

Diese Arbeit präsentiert den ersten Prototyp eines für die Magnetresonanztomographie (MRT) kompatiblen piezoelektrisch betriebenen Roboters, der mit einem hochauflösenden faseroptischen Sensor für die Prostata-Brachytherapie mit Echtzeitin-situ-Nadelsteuerungsfähigkeiten in 3T MRT integriert ist. Der Roboter verfügt über 6 Freiheitsgrade (DOF) und besteht aus einem modularen 3-DOF-Nadeltreiber mit fiduzialem Verfolgungsrahmen und einer 3-DOF-antriebsbetriebenen kartesischen Bühne. Der Nadeltreiber ermöglicht die Drehung und Translation der Nadelscheide (2-DOF) sowie die Translation des Stiletts (1-DOF). Der Treiber ahmt die manuelle Geste des Arztes durch Griff an zwei Punkten nach. Um die Propriozeption bei Eingriffen an der Prostata zu ermöglichen, wurde ein auf einem Fabry-Pérot-Interferometer basierender faseroptischer Dehnungssensor entwickelt, der eine hochauflösende axiale Messung der Nadelinsertionkraft bietet und robust gegenüber großen Temperaturschwankungen ist. Die Arbeit erläutert den Mechanismus des Roboters, das Controller-Design, die optische Modellierung und das opto-mechanische Design des Kraftsensors. Die MRT-Kompatibilität des Roboters wurde bei 3T MRT mit standardisierten Prostata-Bildgebungssequenzen bewertet, und der durchschnittliche Signal-Rausch-Verhältnisverlust (SNR) ist während der Bewegung des Aktuators auf 2 % begrenzt. Eine dynamische Nadelinsertion wird durchgeführt, und die Steuerungsfähigkeit der Schrägnadelspitze wird unter kontinuierlicher Echtzeit-MRT-Leitung demonstriert, ohne dass während der Robotermotion visuell identifizierbare Störungen auftreten. Die Kalibrierung des faseroptischen Sensors validiert das theoretische Modell mit zufriedenstellendem Messbereich und Auflösung für den Eingriff an der Prostata.