Image-guided prostate biopsy robots: A review

At present, the incidence of prostate cancer (PCa) in men is increasing year by year. So, the early diagnosis of PCa is of great significance. Transrectal ultrasonography (TRUS)-guided biopsy is a common method for diagnosing PCa. The biopsy process is performed manually by urologists but the diagnostic rate is only 20%–30% and its reliability and accuracy can no longer meet clinical needs. The image-guided prostate biopsy robot has the advantages of a high degree of automation, does not rely on the skills and experience of operators, reduces the work intensity and operation time of urologists and so on. Capable of delivering biopsy needles to pre-defined biopsy locations with minimal needle placement errors, it makes up for the shortcomings of traditional free-hand biopsy and improves the reliability and accuracy of biopsy. The integration of medical imaging technology and the robotic system is an important means for accurate tumor location, biopsy puncture path planning and visualization. This paper mainly reviews image-guided prostate biopsy robots. According to the existing literature, guidance modalities are divided into magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound (US) and fusion image. First, the robot structure research by different guided methods is the main line and the actuators and material research of these guided modalities is the auxiliary line to introduce and compare. Second, the robot image-guided localization technology is discussed. Finally, the image-guided prostate biopsy robot is summarized and suggestions for future development are provided

Développement d'actionneurs pneumatiques compliants pour la robotique binaire appliquée aux interventions intra-IRM pour la prostate

En raison de l'augmentation continuelle des coûts en santé, il est profitable de détecter et traiter tôt les cancers afin de diminuer les coûts de traitement à long terme. La problématique s'applique particulièrement au cancer de la prostate, qui constitue 25 % des nouveaux cas de cancer chaque année. Afin de pouvoir détecter avec un niveau de confiance élevé les petites tumeurs durant les premiers stades de développement, l'Imagerie par résonance magnétique (IRM) peut être utilisée en raison de la qualité de son imagerie des tissus mous. Cependant, les IRM offrent un accès limité au patient (diamètre < 70 cm), limitant ainsi les possibilités d'interventions intra-IRM.En combinant la précision et la polyvalence d'un système robotique et la précision de l'imagerie par IRM, il serait donc possible de pouvoir détecter et traiter tôt les petites tumeurs pour augmenter les chances de survie des patients, et ainsi, réduire une partie des coûts en santé. Les interventions visées incluent la biopsie (prélèvement), la cryothérapie (brûlure par le froid), la curiethérapie (dépôt de pastilles émettrices de radiations) et l'ablation thermique par laser. La compatibilité IRM (qui exige le fonctionnement sous un champ magnétique de plus de 7 teslas) et l'espace confiné sont les deux principaux défis de la robotique en IRM, et nécessitent l'implantation de nouveaux types d'actionneurs. Le mémoire présente la conception et la fabrication de muscles pneumatiques de polymère et leur application à un manipulateur robotisé pour le cancer de la prostate. L'intégration des muscles pneumatiques dans des structures de polymère permet de simplifier leur fabrication, en plus d'assurer plus de précision en diminuant les erreurs liées à la fabrication. Une méthode de conception est développée, utilisant un modèle de manipulateur et quatre modèles de muscles. La modélisation des muscles débute par un modèle géométrique et est suivie d'un raffinement géométrique par éléments finis. Les éléments finis servent également à valider l'hypothèse de déformation uniaxiale du muscle qui sert de prémisse au troisième modèle, un modèle 1-D analytique qui prédit les performances du muscle. Enfin, le muscle est modélisé en se basant sur une caractérisation expérimentale. Les muscles pneumatiques, intégrés dans une architecture parallèle, permettent d'améliorer la précision des interventions intra-IRM tout en maintenant un rapport efficacité-coût élevé. Les performances des muscles pneumatiques et du manipulateur sont validées expérimentalement et permettent d'atteindre les requis cliniques de l'application de détection et traitement du cancer de la prostate. Les expériences en laboratoire et en IRM ont en effet permis de démontrer une erreur en boucle fermée inférieure à 0.5 mm, une rigidité adéquate de 0.32 N/mm et une absence d'impact du manipulateur sur la qualité des images d'IRM. Enfin, les performances des muscles pneumatiques intégrés ouvrent la porte à de nouvelles applications et à un changement de paradigme pour la conception de robots binaires précis à faible coût

DESIGN, DEVELOPMENT, AND EVALUATION OF A MRI-GUIDED NEUROSURGICAL INTRACRANIAL ROBOT

Brain tumors are among the most feared complications of cancer. Their treatment is challenging because of the lack of good imaging modality and the inability to remove the complete tumor. To overcome this limitation, we propose to develop a Magnetic Resonance Imaging (MRI)-compatible neurosurgical robot. The robot can be operated under continuous MRI, and the Magnetic Resonance (MR) images can be used to supplement physicians' visual capabilities, resulting in precise tumor removal. We have developed two prototypes of the Minimally Invasive Neurosurgical Intracranial Robot (MINIR) using MRI compatible materials and shape memory alloy (SMA) actuators. The major difference between the two robots is that one uses SMA wire actuators and the other uses SMA spring actuators combined with the tendon-sheath mechanism. Due to space limitation inside the robot body and the strong magnetic field in the MRI scanner, most sensors cannot be used inside the robot body. Hence, one possible approach is to rely on image feedback to control the motion of the robot. In this research, as a preliminary approach, we have relied on image feedback from a camera to control the motion of the robot. Since the image tracking algorithm may fail in some situations, we also developed a temperature feedback control scheme which served as a backup controller for the robot. Experimental results demonstrated that both image feedback and temperature feedback can be used reliably to control the joint motion of the robots. A series of MRI compatibility tests were performed to evaluate the MRI compatibility of the robots and to assess the degradation in image quality. The experimental results demonstrated that the robots are MRI compatible and created no significant image distortion in the MR images during actuation. The accomplishments presented in this dissertation represent a significant development of using SMA actuators to actuate MRI-compatible robots. It is anticipated that, in the future, continuous MR imaging would be used reliably to control the motion of the robot. It is aspired that the robot design and the control methods of SMA actuators developed in this research can be utilized in practical applications